PID发展趋势分析

PID 控制综述

摘 要: 简要回顾了PID 控制器的发展历程,综述了PID 控制的基础理论。对PID 控制今后的发展进行了展望。重点介绍了比例、积分、微分基本控制规律，及其优、缺点。 关 键 词: PID 控制器 PID 控制 控制 回顾 展望

1 PID 控制的发展历程回顾

按偏差的比例(Proportion)、积分(Integral)、微分(Derivative)控制,简称PID 控制。 PID 控制是过程控制中广泛应用的一种控制。 PID 控制器早在30年代末期就已出现。PID 控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而

成为工业控制的主要技术之一[1]。经过50多年来的不断更新换代，PID 控制得到了长足的发

展。特别是近年来，随着计算机技术的飞速发展，发生了由模拟PID 控制到数字PID 控制的重大转变。与此同时还涌现出了许多新型PID 控制算法和控制方式。例如，非线性PID 控制、自适应控制、最优控制、预测控制、鲁棒控制和智能控制等等［2］。

2 PID 控制原理

PID 控制在工业控制中应用广泛, 是一种发展非常早的控制策略。它算法简单, 鲁棒性好, 可靠性高。当PID 控制用计算机实现后, 数字PID 更显示出其参数调整灵活, 算法变化多样, 简单方便等优点。

PID 控制的原理［3］是根据给定值()R t 与实际输出值()C t 之间的偏差()E t 来进行控制的。

PID 控制系统原理［4,5］框图

:

图2 PID 控制结构框图

其控制规律为:

01()()=[()+()]t p d I de t u t K e t e t dt T T dt

+⎰ 其中 ()u t 为控制量, ()e t 为偏差, ,,p i d K K K 分别为比例常数、微分常数,积分常数。在利用计算机实现时, 常用其离散形式:

()() ()()p i d u k K E k K E k K EC k =++∑

其中(),()u k E k 为(),()u t e t 的离散形式( ) ( ) - ( - 1)EC k E k E k =

2.1 比例环节:

即成比例地反映控制系统的偏差信号()e t , 系统偏差一旦产生, 调节器立即产生与其成比例的控制作用, 以减小偏差。 比例控制反映快, 但对某些系统, 可能存在稳态误差。 加大比例系数p K , 系统的稳态误差减小, 但稳定性可能变差。

2.2 积分环节:

积分的控制作用主要用于消除稳态误差, 提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数i T , i T 越大, 积分速度越慢, 积分作用越弱, 反之则越强。 积分环节可能使系统的频带变窄。 积分控制通常与其它控制规律结合, 组成PI 控制器或PID 控制器。

2.3 微分环节:

微分的作用是能反映偏差信号的变化速率, 具有预见性, 能预见偏差信号的变化趋势, 并能在偏差信号的值变得太大之前, 在系统中引入一个有效的早期修正信号, 从而加快系统的响应速度, 减少超调, 减小调节时间。 由于微分反映的是变化率, 所以当输入没有变化时, 微分环节的输出为零。 微分控制通常与其它控制规律结合,组成PD 或PID 控制器[ 1, 2] 。

2.4简单的说, PID 调节器各环节的作用如下所述:设计原理图如图2.4 所示。

原理图的下半部分是一个模糊PID 控制器。模糊PID 控制器FC [7]（fuzzy controller ）PID 控制器是一种复合控制器。其优点是不需要掌握受控对象的数学模型, 而根据人工控制经验组织控制决策表, 然后由该表决定控制量的大小。将模糊控制和PID 控制两者结合起来, 扬长避短,既具有模糊控制的灵活性, 又具有PID 控制精度高的特点。原理图的上半部分是这套系统的自适应部分。它由性能评价, 总对象增量模型和PID 参数自学习三部分组成。通过性能评价, 可以了解目前情况下已有的PID 参数能否达到要求。反馈模型可以将系统性能评价的结果折合到对被控对象的修正量上去。于是PID 参数自学习部分就可以有效地调整PID 控制器中的,,p i d K K K 三个参数［8］。

3 PID 控制的评价

3.1 到目前为止，PID 控制仍然是历史最久、生命力最强的基本控制方式。这是因为PID

控制具有如下优点[1]。

1) PID 控制原理简单，使用方便，并且已经形成了一套完整的参数设计和参数整定方法，很容易为工程技术人员所掌握。

2) PID 控制算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。通过对比例系数、积分时间常数和微分时间常数的适当调整，可以达到良好的控制效果。

3) PID 控制适应性强，可以广泛用于电气传动、伺服控制、化工、冶金、炼油、以及加工制造等多个生产部门。

4) PID 控制鲁棒性较强，即其控制品质对控制对象特性的变化不十分敏感。

5) PID 控制可以根据不同的需要，针对自身的缺陷进行改进，并形成了一系列改进的算法。

正是由于PID 控制具有上述许多优点，使得它仍然是在电气传动和过程控制中应用最广

泛的基本控制方式[1]。尽管各种高级控制在不断完善, 目前化工生产中应用最多的仍是常规

PID 控制, 究其原因: 一是各种高级控制应用上还不完善, 二是多数化工场合使用常规PID 控制即可以满足需要, 三是企业技术人员对高级控制难以掌握。PID 控制器的结构简单, 参数易于调整, 在长期的工程实践中, 已经积累了丰富的经验。特别是在化工过程控制中, 由于控制对象的精确数学模型难以建立, 系统参数又经常发生变化, 常采用PID 控制器, 并根据经验进行在线整定。随着计算机技术的发展, 特别是DCS 的广泛应用, PID 控制已能用微机方便地实现。由于计算机软件的灵活性, PID 算法可以得到改进而更加完善, 并可与其它控制规律结合在一起, 产生更好的控制效果。

3.2 数字控制与模拟控制相比，虽然优点突出，但仍存在着以下不足之处：

I)模拟控制属于连续控制方式，即控制作用每时每刻都在进行，而数字控制属于离散控制方式，即控制量在一个采样周期内是不变化的。

2）由于计算机的数值运算和输入输出需要一定的时间，所以控制作用在时间上存在延迟。

3)数字控制系统一旦受到噪声的严重影响，控制作用可能导致失败。

为此，必须发挥计算机运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等优势。这样才能建立许多模拟控制器难以实现的特殊控制规律，从而在控制性能上超过模拟控制器。为了改善PID数字控制器的控制质量，目前已在PID数字控制算法中引进了许多改进措施，形成了多种形式的改进PID算法。随着数字控制技术的发展，数字式PID控制己经得到了越来越广泛的应用。

4 PID 控制的展望

经过几代研究和工程人员的努力, PID 及基于PID 的各种改进型的控制器( 统称为PID 型控制器) 的研究和应用已相当成熟, 是当前控制工程的主流控制器, 其实用性和有效性均毋庸置疑。

但是PID型控制器仍有许多不足和需要进一步改进之处, 特别是把PID 型控制器用于复杂对象( 主要是时延较大、参数时变较快、不确定性明显和非线性严重) 的控制时, 控制质量还比较差。通过对PID控制结构的一些改进来提高控制性能。如对积分环节的改进, 得到积分分离PID 控制算法、遇限削弱积分PID 控制算法等; 对微分环节进行改进, 得到不完全微分PID 控制算法、微分先行PID 控制算法、带死区的PID 控制算法等。它们在不同程度上克服了传统PID 控制的缺点。积分分离算法克服了积分饱和, 可以显著降低系统的超调, 缩短过渡时间。因此, 如何成功地把PID 型控制器用于复杂对象的控制,如何在理论上, 对基于软计算科学的各类模型, 如模糊模型、粗集模型、小波模型、运动模式模型、非参数预测模型、叠代学习模型、专家系统模型以及其它人工智能模型等的工作机理进行更深刻的认识, 使智能PID控制器的设计方法更趋于结构化, 从而构造出更快、更正确的自适应机制, 并与上述作为底层的鲁棒PID 控制器整合成更有效的智能自适应PID 控制器, 无疑是当前解决复杂系统控制的重要而切实可行的研究方向之一。而随着控制理论和计算机软硬件技术的不断发展和传感器集成化程度的提高, 智能PID控制必将是极有发展前途的研究和应用方向[9]。