pid控制器的優(yōu)缺點(diǎn)_pid控制器的作用

　　PID控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1）PID算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。其中，比例（P）代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過(guò)程反應(yīng)迅速。微分（D）在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表將來(lái)的信息。在過(guò)程開(kāi)始時(shí)強(qiáng)迫過(guò)程進(jìn)行，過(guò)程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。積分（I）代表了過(guò)去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。此3種作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過(guò)程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，得到良好的效果。

　　2）PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)各種工業(yè)場(chǎng)合，都可在不同的程度上應(yīng)用。特別適于“一階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”和“二階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”的過(guò)程控制對(duì)象。

　　3）PID算法簡(jiǎn)單明了，各個(gè)控制參數(shù)相對(duì)較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡(jiǎn)單，形成了完整的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。

　　4）PID控制根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的PID算法。例如，為了克服微分帶來(lái)的高頻干擾的濾波PID控制；為克服大偏差時(shí)出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制；為補(bǔ)償控制對(duì)象非線性因素的可變?cè)鲆鍼ID控制等。這些改進(jìn)算法在一些應(yīng)用場(chǎng)合取得了很好的效果。同時(shí)當(dāng)今智能控制理論的發(fā)展，又形成了許多智能PID控制方法。

　　PID的缺陷，概括起來(lái)就是信號(hào)處理太簡(jiǎn)單、未能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，具體說(shuō)來(lái)，有四個(gè)方面：

　　（1）產(chǎn)生誤差的方式不太合理控制目標(biāo)v在過(guò)程中可以“跳變”，但是被控對(duì)象輸出Y的變化都有慣性，不可能跳變，要求讓緩變的變量y來(lái)跟蹤能夠跳變的變量v，初始誤差很大，易引起超調(diào)，很不合理。

　?。?）誤差的微分信號(hào)的產(chǎn)生沒(méi)有太好的辦法由于微分器物理不可實(shí)現(xiàn)，只能近似實(shí)現(xiàn)，常用的近似微分器的形式為

　?。?）誤差積分反饋的引入有很多負(fù)作用在PID控制中，誤差積分反饋的作用是消除靜差，提高系統(tǒng)響應(yīng)的準(zhǔn)確性，但同時(shí)誤差積分反饋的引入，使閉環(huán)變得遲鈍，容易產(chǎn)生振蕩，易產(chǎn)生由積分飽和引起的控制量飽和。

　?。?）線性組合不一定是最好的組合方式PID控制器給出的控制量是誤差的現(xiàn)在、過(guò)去、將來(lái)三者的線性組合。大量工程實(shí)踐表明，線性組合不一定是最好的組合方式，能否在非線性領(lǐng)域找到更合適的組合方式是值得探索的。

　　對(duì)于PID存在的這些缺陷，相應(yīng)的解決辦法是：（1）安排合適的“過(guò)渡過(guò)程”；（2）合理提取“微分——“跟蹤微分器；（3）探討“擾動(dòng)估計(jì)辦法一“擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器；（4）探討合適的組合方法一“非線性組合”。

　　PID控制中有P、I、D三個(gè)參數(shù)，只有明白這三個(gè)參數(shù)的含義和作用才能完成控制器PID參數(shù)整定，讓控制器到達(dá)最佳控制效果。昌暉儀表在本文給大家介紹PID控制中P、I、D參數(shù)的作用。

　　比例作用：

　　比例控制器實(shí)際上就是個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，即△P=Kp×e，式中Kp為比例增益，即Kp可大于1，也可小于1；e為控制器的輸入，也就是測(cè)量值與給定值之差，又稱為偏差。

　　要說(shuō)明的是，對(duì)于大多數(shù)模擬控制器而言，都不采用比例增益Kp作為刻度，而是用比例度來(lái)刻度，即δ=1/Kc×100%。也就是說(shuō)比例度與控制器的放大倍數(shù)的倒數(shù)成比例；控制器的比例度越小，它的放大倍數(shù)越大，偏差放大的能力越大，反之亦然。

　　明白了上述關(guān)系，就可知道比例度（即比例帶）越大，控制器的放大倍數(shù)越小，被控參數(shù)的曲線越平穩(wěn)；比例度越小，控制器的放大倍數(shù)越大，被控參數(shù)的曲線越波動(dòng)。

　　比例控制有個(gè)缺點(diǎn)，就是會(huì)產(chǎn)生余差，要克服余差就必須引入積分作用。

　　積分作用：

　　控制器的積分作用就是為了消除自控系統(tǒng)的余差而設(shè)置的。所謂積分，就是隨時(shí)間進(jìn)行累積的意思，即當(dāng)有偏差輸入e存在時(shí)，積分控制器就要將偏差隨時(shí)間不斷累積起來(lái)，也就是積分累積的快慢與偏差e的大小和積分速度成正比。只要有偏差e存在，積分控制器的輸出就要改變，也就是說(shuō)積分總是起作用的，只有偏差不存在時(shí)，積分才會(huì)停止。

　　對(duì)于恒定的偏差，調(diào)整積分作用的實(shí)質(zhì)就是改變控制器輸出的變化速率，這個(gè)速率是通過(guò)積分作用的輸出等于比例作用的輸出所需的一段時(shí)問(wèn)來(lái)衡量的。積分時(shí)間小，表示積分速度大，積分作用就強(qiáng)；反之，積分時(shí)問(wèn)大，則積分作用就弱。如果積分時(shí)間無(wú)窮大，表示沒(méi)有積分作用，控制器就成為純比例控制器。

　　實(shí)際上積分作用很少單獨(dú)使用，通常與比例作用一起使用，使其既具有把偏差放大（或縮小）的比例作用，又具有將偏差隨時(shí)間累積的積分作用，且其作用方向是一致的。這時(shí)控制器的輸出為：△P=Ke+△Pi，式中△P為控制器輸出值的變化；Ke為比例作用引起的輸出；△Pi為積分作用引起的輸出。

　　微分作用：

　　微分作用主要是用來(lái)克服被控對(duì)象的滯后，常用于溫度控制系統(tǒng)。除采用微分作用外，在使用控制系統(tǒng)時(shí)要注意測(cè)量傳送的滯后問(wèn)題，如溫度測(cè)量元件的選擇和安裝位置等。

　　在常規(guī)PID控制器中，微分作用的輸出變化與微分時(shí)間和偏差變化的速度成比例，而與偏差的大小無(wú)關(guān)，偏差變化的速度越大，微分時(shí)間越長(zhǎng)，則微分作用的輸出變化越大。但如果微分作用過(guò)強(qiáng)，則可能由于變化太快而由其自身引起振蕩，使控制器輸出中產(chǎn)生明顯的“尖峰”或“突跳”。為了避免這一擾動(dòng)，在PID調(diào)節(jié)器和DCS中可使用微分先行PID運(yùn)算規(guī)律，即只對(duì)測(cè)量值PV進(jìn)行微分，當(dāng)人工改變控制器的給定值SP時(shí)，不會(huì)造成控制器輸出的突變，避免了改變SP的瞬間給控制系統(tǒng)帶來(lái)的擾動(dòng)。如TDC-3000，則在常規(guī)PID算法中增加一個(gè)軟開(kāi)關(guān)，組態(tài)時(shí)供用戶選擇控制器對(duì)偏差、還是測(cè)量值進(jìn)行微分。

　　當(dāng)輸入階躍信號(hào)后，微分器一開(kāi)始輸出的最大變化值與微分作用消失后的輸出變化的比值就是微分放大倍數(shù)Kd，即微分增益，微分増益的單位是時(shí)間，設(shè)置微分時(shí)間（或者微分增益）為零會(huì)取消微分的功能。

　　為便于記住比例、積分、微分三個(gè)作用，特抄錄三個(gè)順口溜供大家參考。

　　比例作用順口溜：

　　比例州節(jié)器，像個(gè)放大器；

　　一個(gè)偏差來(lái)，放大送出去；

　　放大是多少，旋鈕看仔細(xì)；

　　比例度旋大，放大倍數(shù)低。

　　積分作用順口溜：

　　重定調(diào)節(jié)器，累積有本領(lǐng)；

　　只要偏差在，累積不停止；

　　累積快與慢，旋鈕看仔細(xì)；

　　積分時(shí)間長(zhǎng)，累積速度低。

　　微分作用順口溜：

　　說(shuō)起微分器，一點(diǎn)不神秘；

　　階躍輸入來(lái)，輸出跳上去；

　　下降快與慢，旋鈕看仔細(xì)；

　　微分時(shí)間長(zhǎng)，下降就慢些。