PID控制器设计与参数整定方法综述

PID控制 器 的 参 数 整 定方 法 可 以 分 为 以 下三 类 [ 45, : 46] ¹ 非模型 方法; º 非参数模 型方法; » 参数 模型方法。
对于非模型方法, 整定过 程无 需辨识 过程 模型 或求出任何特殊频率点。非参数模型方法只需使用
部分模型信息, 通 常是 稳态模 型和 临界频 率点。非 参数模型方法通常 不需 要过程 的初始 信息, 适合在 线整定。参数模型 方法需 要辨识 过程 模型, 适 合离 线的 P ID 参数整定。参数模型方法又可以分为非最 优化方法、基于固定 结构 控制的 最优 化方法 和基于
综述与评论
化工自动化及仪表, 2005, 32( 5): 1~ 7 Contro l and Instrum ents in Chem ical Industry
P ID 控制器设计与参数整定方法综述
杨 智, 朱海锋, 黄以华
(中山大学 电子与通信工程系, 广东 广州 510275)
摘要: 简要介绍了 P ID 控制器的发 展历程, 综 述 PID 控制器 的设计与参数整定 方法及其近期研究 成果, 并 讨论了继电反馈方法的 改进与扩展方法。通过分析 P ID 控制器 面临的问 题与挑战, 对 P ID 控制器的发 展进行了 展望。
收稿日期: 2005-08-12 ( 修改稿 ) 基金项目: 广东省自然科学基金资助项目 ( 04300459 )
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化 工 自 动化 及 仪表来自第 32卷的限制, 设计所需要的资源是可获取的。 3. 1 受限最优化方法
受限最优化方法是一种有效的 P ID 控制器 设计 方法。此类设计方法的思想是在保持 P ID 一定 的鲁 棒性的前提下, 寻找最优化的参数配置。
尽管传统的 P ID 控制器对于简单线性系统 有很 好的控制效果, 但是对 于非 线性系 统、高阶 系统、时 滞系统、时变系统、以及没有精确数学模型的系 统往 往难以有效 控制。此时, 可以 将模糊 控制技 术应 用
于 P ID 控制器设计 [ 29] 。 模糊 P I+ D 控制器是以离散 P I+ D 控制器为原
早期的参数整定 都是 手动整 定, 现场 工程 师通 过一系列调节试验绘制出过程的动态特性曲线或频
率响应曲线, 再 通过 这些 曲线 由整 定公 式 获得 P ID 参数。整个过程费 时费力, 且对于 现代 过程工 业中 一些包含 数百个 PID 控制 器的分 散控制系 统, 手动 整定显然是不适合的。随着现代电子技术和计算机 技术的飞速发 展, P ID 控 制器 的自 动 整定 技术 也在 近二十年来取得了长足的进步。自整定的发展减轻 了控制工程师现场调试的工作量, 节省了大量时间, 整定结果更加可靠, 并且 使一些 复杂 但是更 加精细 的设计方法得以应用于实际工业控制过程。 4. 1 PID 参数整定方法分类
新阶段, P ID 控制 器 已 经 发展 成 一 种 鲁 棒 的、可靠 的、易于应用 的控 制器。仪 表 工业 的重 心 是使 P ID 控制技术能跟上工业技术的最新发展。从气动控制 到电气控制到 电子 控制 再到 数字 控制, PID 控 制器 的体积逐渐缩小, 性能 不断提 高。一些 处于世 界领 先地位的自动化仪表公司对 P ID 控制器的早期发展 做出重要 贡献, 甚 至可以说 P ID 控 制器完全 是在实 际工业应用中被发明并逐步完善起来的。值得指出 的是, 1939 年 T aylor仪器 公司推 出的 一款带 有所谓 / Pre-act0功能的名为 / Fu lscope0的气 动控制 器以及 同时期 Foxboro仪器公司推出的带有 所谓 / Hyp er-reset0功能的 / S tab ilog0气动控制器都是最 早出现的具 有完整结 构的 P ID 控 制 器。 / Pre-act0与 / Hap er-reset0功能实际都是在控制器中加入了微分控制。
P ID 控制 器 的微 分 项 对 于 滞 后 主导 的 过 程 有 效, 但 是 对 于 纯 延 迟 环 节 主 导 的 过 程 则 无 能 为 力 [ 1, 。 18] Sm ith预测 器可 以有 效 地补 偿纯 延 迟环 节 主导 的 过 程 的 死 区 时 间, 从 而 提 高 系 统 的 稳 定 性 [ 19, 20] 。 Sm ith 预 测 器 无法 直 接 应 用 于 FOPDT 过 程, 因为常数扰 动会通 过过程 的积 分因子 产生稳 态 误差。因此, 将 Sm ith 预 测器应 用于 FOPDT 过程 需 要采 用 改 进 形 式 [ 21, 22] 。 将 PID 控 制 技 术 应 用 于 Sm ith预测器的系 统结 构设 计, 可 以有 效改 善 Sm ith 预测 器的性能, 也可以 弥补 P ID 控制对 于纯延迟 环 节主导的过程效果不佳的缺陷 [ 23] 。 3. 3 基于内模控制 ( IMC)的 PID设计方法
第 5期
型设计的一种通用模糊控制器 [ 30, 31]。模糊 PI+ D 控 制器在设计过程中 有严 格的稳 定性保 证, 并 且仅在 设计过程中使用了 模糊 逻辑, 最 终设 计出的 模型具 有类似传统 P I+ D 控制 器的结 构, 可 以直接 代替正 在使用的传统 PID 控制器。控制量可以通过简单的 线性公式求出, 因此 不用 像普通 模糊 控制器 那样采 用查表的形式来获取控制量。使用同样的方法还可 以设计出模糊 P I、模糊 PD、模糊 P I+ 传统 D 等模糊 控制器 [ 32~ 38]。模糊 P I+ D控 制器有七个 参数, 实际 应用时往往只能手动整定参数。使用多目标遗传算 法 ( MOGA ) 对 模 糊 PI+ D 的 手动 整 定参 数 进 行优 化, 可以改善控制效果 [ 。 39] 3. 5 基于智能技术的 PID控制方法
Sh insk ey最早提出了 以灵敏度 作为限 制条件 的 抗负载扰动最优 化的 设计思 想, 其 优化限 制条件 是 围绕临 界点 的一 个 矩形 [ 9]。 P ersson 提 出 了 以最 大 灵敏度 ( M s ) 作为 限制 条件 的思 想 [ 10] 。随 后 Schei 提出将最大灵敏 度 ( M s ) 和 补偿 最大灵 敏度 ( M p ) 一起作 为设 计参 数 [ 11] 。 A strom 等 对 以灵 敏 度作 为 限制条件的方法 进行 了分析, 将受 限最优 化方法 应 用于二自由度系 统, 提 出了确 定设 定值加 权系数 的 方法, 并提出了以积 分误差 IE 作 为优化 指标的 M IGO 方法, 并给 出了 P I控 制器 的 简 单设 计 过程 [ 12] 。 Panagopou los等将 M IGO 方法 应 用于 P ID 控 制器 的 设计, 并 给出 了 一系 列 典型 过 程的 设 计结 果 [ 13, 14] 。 Panagopou los和 A strom 将 M IGO 方法 与 H ] 回路 整 形方法 [ 15, 16] 作了比较, 并显示 了如 何选取 受限最 优 化方法的设计指标以保证从负载扰动到过程输 入和 输出的传递函数的 H ] 范数小于一个特定值 C[ 。 17] 3. 2 基于 Sm ith预测器的 PID设计方法
PID 控制至今仍是应 用最广泛 的一种 实用控制 器。各种现代控制技术的出现并没有削弱 P ID 控制 器的应用, 相反, 新技术的出现对于 PID 控制技术的 发展起了很大的 推动 作用。一方 面, 各 种新的 控制 思想不断被应用于 P ID 控制器的设计之中或者是使 用新的 控制思想 设计出 具有 P ID 结构的 新控制器, PID 控制技术被 注入 了新 的 活力。另 一 方面, 某些 新控制技 术的发 展要求更 精确的 PID 控制, 从而刺 激了 P ID 控制器设计与参数整定技术的发展。 3 PID控制器设计方法
基于 IM C的 P ID 控制 器仅有 一个整 定参 数, 参 数调 整 与 系 统 动 态 品 质 和 鲁 棒 性 的 关 系 比 较 明 确 [ 24, 25] 。一种适用于 P ID 控制系统设计的模型降阶 方法, 将高阶的受控过程模型降为一阶或二 阶模型, 再使 用 IM C 设 计 P ID 控 制 系 统 [ 26] 。基 于 IM C 的 P ID 控制器可以应用于不稳定 FOPDT 系统 [ 27, 28] 。 3. 4 模糊 PID 控制器设计方法
PID 控制与神经网络、遗传算 法、灰色 控制等智 能控制技术结合, 对于解 决非 线性、模 型不 确定性、 大滞后等问题, 也取得了很好的控制效果 [ 。 40] 3. 6 多变量 PID控制
许多系统含有多个变量。对于变量互不相关的 多变量系 统可以 采用多回 路 P ID 控制, 对于 变量相 关的多变量系统可以采用解耦 P ID 控制 [ 41~ 44]。 4 PID控制器整定方法
关键词: P ID 控制; 参数整定 ; 继电反馈; 过程控制 中图分类号: TP273 文献标识码: A 文章编号: 1000-3932( 2005) ( 05) -0001-07
1引 言 P ID 控制器是过程控制中 应用最为 广泛的 控制
方法 [ 1, 2] 。自 1970 年代 以 来, P ID 控制 器 的 理论 研 究正日益受到重视。一个原因是微电子技术的 飞速 进步推动了 P ID 自动整定技术的发展。第二个 原因 是模型预测控制的发展要求底层 P ID 控制器有 良好 的整定 [ 1]。从每年 收入 EI索引 的文章 的数 量增 长 可以反映这一趋势 [ 3]。一 些控制杂 志纷纷 推出 P ID 控制的专刊, 如 IEE Comput ing & Con trol Eng in eering Jou rn al 1999 年第 2期和 IEE Proceed ings-Con trol theory and app lications 2002 年第 1 期。近 年来 许多 学 者也分别讨论了 P ID 控制器参数整定方法的研 究近 况 [ 4~ 6]。值 得 一 提 的 是, 著 名 瑞 典 学 者 A strom 和 H agglund继 1988 和 1995分别出版理论专著 5P ID 控 制器: 理 论、设 计 与 整 定 6的 第 1 版 和 第 2 版 之 后 [ 7, 8] , 在 2001 年的一 篇论 文里 详细 分析 了 P ID 控 制器 所面临的 问题与 挑战, 并对 P ID 控 制器的发 展 做出预测 [ 1]。