PID控制器参数自整定技术分析

王学华

摘要:文章介绍PID控制的基本理论,包括基本原理、算法以及特点;控制规律以及采样周期的选择;介绍PID控制器各个参数的性能以及控制器的分类等问题,为今后求PID控制器参数的自整定技术,以适应复杂的工况和高指标的控制要求奠定基础。

关键词:PID控制,控制性能,整定方法

中图分类号:TM762 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)24-0021-02

按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器(简称PID调节器、也称PID控制器)。由于其算法简单、鲁棒性能好、可靠性高等优点,PID控制策略被广泛应用于工业过程控制中。.而实际生产过程中往往具有非线性、不确定性,难以建立精确的数学模型,应用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果在实际生产过程中,由于受到参数整定方法烦杂的困扰,常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳,对运行环境的适应性较差[1]。针对上述问题,长期以来,人们一直在寻求PID控制器参数的自整定技术,以适应复杂的工况和高指标的控制要求。

1PID控制基本原理

PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单控制算法。系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器,它根据给定值和实际输出值构成控制偏差,将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器。在连续控制系统中,P1D控制器的输出u(t)与输入e(t)之间成比例、积分、微分的关系[2]。在计算机控制系统中,使用比较普遍的也是PID控制策略。

1.1 PID控制器参数对控制性能的影响

①比例作用。比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),以最快速度产生控制作用,使偏差向减小的趋势变化。首先,对动态特性的影响来看,比例控制参数Kc加大,使系统的动作灵敏,速度加快,Kc偏大,振荡次数加多,调节时间加长。当Kc太大时,系统会趋于不稳定,若Kc太小,又会使系统的动作缓慢。其次,对稳态特性的影响来看,加大比例系数Kc,在系统稳定的情况下,可以减小稳态误差ess,提高控制精度,但是加大Kc只是减少ess,却不能完全消除稳态误差。

在PID控制的闭环系统中,对于设定值的变化和外扰的响应是不同的,在工程应用上对两者的性能要求也有所不同,对设定值的变化一般要求满足一定的前提条件,如无超调下的快速跟踪;对外扰则希望闭环系统在具有一定衰减比的情况下快速克服。

②积分作用。积分作用的引入,主要是为了保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪,它对系统的性能影响可以体现在以下两方面:首先对动态特性的影响来看,积分作用通常使系统的稳定性下降。如果积分时间Ti太小系统将不稳定,Ti偏小,振荡次数较多;如果Ti太大,对系统性能的影响减少,当Ti合适时,过渡特性比较理想。其次,对稳态特性的影响来看,积分作用能消除系统的稳态误差,提高控制系统的控制精度。但是Ti太大时,积分作用太弱,以至不能减小稳态误差。

③微分作用。微分作用通常与比例作用或积分作用联合作用,构成PID控制或者PID控制。微分作用的引入,主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态特性,如使超调量较小,调节时间缩短,允许加大比例控制,使稳态误差减小,提高控制精度。当微分时间Td偏大时,超调量较大,调节时间较长;当Td偏小时,超调量也较大,调节时间也较长;只有合适时,可以得到比较满意的过渡过程。直观地分析,假设被控对象存在一定的惯性,微分作用将使得控制作用与被控量,与偏差量未来变化趋势之间形成近似的比例关系。从频域分析的角度讲,微分作用等效于一个高通滤波器,即有可能在控制输出中引入较强的高频噪声,这是实际控制所不希望的。

1.2 PID控制算法特点

PID这样简单的控制器,能够适用于如此广泛的工业与民用对象,并仍以很高的性价比在市场中占据着重要地位,充分地反映了PID控制器的良好品质。总的来说,PID控制的优点主要体现在以下两个方面:①原理简单、结构简明、实现方便,是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器;②控制器适用于多种截然不同的对象,算法在结构上具有较强的鲁棒性。

确切地说,在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数摄动不敏感。但从另一方面来讲,控制算法的普适性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性。具体分析,其局限性主要来自以下几个方面:首先,算法结构的简单性决定了PID控制比较适用于SISO最小相位系统,在处理大时滞、开环不稳定过程等难控对象时,需要通过多个PID控制器或与其他控制器的组合,才能得到较好的控制效果。其次,算法结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点;闭环特性从根本上只是基于动态特性的低阶近似假定的。第四,出于同样的原因,决定了单一PID控制器无法同时满足对假定设定值控制和伺服/跟踪控制的不同性能要求。

1.3控制规律的选择

PID控制器参数整定的目的就是按照己定的控制系统,求得控制系统质量最佳的调节性能。合适的PID参数整定可以提高自控投用率,增加装置操作的平稳性。对于不同的对象,闭环系统控制性能的不同要求,通常需要选择不同的控制方法,控制器结构等;PID控制参数Kp、Tl、Td相互独立,参数整定比较方便:PID算法比较简单,计算工作量比较小,容易实现多回路控制。但使用中要根据对象特性,负载情况,合理选择控制规律以达到最佳控制。大致上,系统控制规律的选择主要有下面几种情况:①对于一阶惯性的对象,如果负荷变化不大,工艺要求不高,可采用比例控制。例如,用于压力、液位、串级副控回路等。②对于一阶惯性与纯滞后环节串联的对象,如果负荷变化不大,控制要求精度较高,可采用比例积分控制。例如,用于液压、流量、液位的控制。③对于纯滞后时问较大,负荷变化也较大,控制性能要求较高的场合,可采用比例积分微分控制。例如,用于过热蒸汽温度控制,pH值控制。④对于二阶以上惯性与纯滞环节串联的对象,负荷变化也较大,控制性能要求较高时,应采用串级控制、前馈-反馈、前馈-串级或纯滞后补偿控制。例如,用于电机的调速控制。

2PID参数整定方法分类

在长期的工程实践中,人们已经积累了有关如何用好PID控制策略的丰富经验。特别是在工业过程控制中,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,运用现代控制理论进行分析、综合要耗费很大代价进行模型辩识,且往往不能得到预期的效果,所以人们常用PID调节器,并根据经验进行参数整定。同其它控制方法一样,几十年来,PID控制的参数整定方法和技术也处于不断发展中,特别是近年来,国际自动控制领域对PID控制的参数整定方法的研究仍在继续,许多重要国际杂志不断发表新的研究成果,PID控制的参数整定方法和技术也处于不断发展中。

自Ziegler-Nichols提出PID参数整定方法以来,许多技术己经被应用于PID控制器的手动和自动整定中。其中单变量PID参数整定方法包括现有大多数整定方法,多变量PID参数整定方法是最近研究的热点及难点;线性PID参数整定方法适用于经典PID调节器,非线性PID参数整定方法适用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性PD控制器。

目前,在众多的整定方法中,主要有两种方法在实际工业过程中应用较好。一种是基于模式识别的参数整定方法(基于规则),另一种是基于继电器反馈的参数整定方法(基于模型)。这些技术极大地简化了PID控制器的使用,显著改进了它的性能,它们被统称为自适应智能控制技术。

3结语

随着控制理论与技术的发展以及计算机技术所能提供的更强大的分析处理手段,PID控制及参数的智能化整定将会在控制领域得到更广泛的应用。