目錄

• 開環控制系統
• 閉環控制系統
• 階躍響應
• PID控制的原理和特點
• PID控制器的參數整定

目前工業自動化水(shui)平已成為衡量各(ge)行各(ge)業現代化水(shui)平的一(yi)個重要標(biao)志。同時，控制(zhi)理(li)論的發展也經歷了古典控制(zhi)理(li)論、現代控制(zhi)理(li)論和智能控制(zhi)理(li)論三個階(jie)段。

自動控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系統可分為開環控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系統和閉環控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系統。

一個控(kong)制(zhi)系統包括控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)﹑傳感器(qi)(qi)﹑變送器(qi)(qi)﹑執行機構﹑輸(shu)(shu)(shu)入(ru)輸(shu)(shu)(shu)出(chu)接口。控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)的輸(shu)(shu)(shu)出(chu)經過(guo)(guo)輸(shu)(shu)(shu)出(chu)接口﹑執行機構﹐加到(dao)被(bei)控(kong)系統上﹔控(kong)制(zhi)系統的被(bei)控(kong)量﹐經過(guo)(guo)傳感器(qi)(qi)﹐變送器(qi)(qi)﹐通過(guo)(guo)輸(shu)(shu)(shu)入(ru)接口送到(dao)控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)。不(bu)同的控(kong)制(zhi)系統﹐其傳感器(qi)(qi)﹑變送器(qi)(qi)﹑執行機構是(shi)不(bu)一樣的。

目前，PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)及其控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器或(huo)智(zhi)能PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器（儀表）已(yi)經很(hen)多，產品已(yi)在(zai)工程實(shi)際中得到了廣泛的(de)(de)應用(yong)，有(you)各種(zhong)各樣(yang)的(de)(de)PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器產品，各大公(gong)司均開發了具(ju)有(you)PID參(can)數自(zi)(zi)整(zheng)定功(gong)能的(de)(de)智(zhi)能調(diao)節器，其中PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器參(can)數的(de)(de)自(zi)(zi)動(dong)調(diao)整(zheng)是(shi)通過(guo)智(zhi)能化調(diao)整(zheng)或(huo)自(zi)(zi)校(xiao)正、自(zi)(zi)適應算法來實(shi)現(xian)。有(you)利用(yong)PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)實(shi)現(xian)的(de)(de)壓(ya)力、溫度、流量、液位控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器，能實(shi)現(xian)PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)功(gong)能的(de)(de)可編(bian)程控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器(PLC)，還有(you)可實(shi)現(xian)PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)的(de)(de)PC系統等等。

開環控制系統

開環控(kong)(kong)制系統是指被(bei)(bei)控(kong)(kong)對(dui)象的輸(shu)出(chu)(被(bei)(bei)控(kong)(kong)制量(liang))對(dui)控(kong)(kong)制器的輸(shu)出(chu)沒有影響。在(zai)這(zhe)種控(kong)(kong)制系統中，不依賴將被(bei)(bei)控(kong)(kong)量(liang)反(fan)送(song)回來以形(xing)成(cheng)任何閉環回路。

閉環控制系統

閉環控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)的(de)特點是(shi)系統(tong)被(bei)控(kong)(kong)(kong)對象的(de)輸出(被(bei)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)量)會(hui)反(fan)(fan)(fan)送回來影響控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器的(de)輸出，形成一個或(huo)多個閉環。閉環控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)有(you)正反(fan)(fan)(fan)饋和負(fu)反(fan)(fan)(fan)饋，若反(fan)(fan)(fan)饋信號(hao)與系統(tong)給定(ding)值信號(hao)相(xiang)反(fan)(fan)(fan)，則稱為負(fu)反(fan)(fan)(fan)饋，若極性(xing)相(xiang)同，則稱為正反(fan)(fan)(fan)饋，一般閉環控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)均采用負(fu)反(fan)(fan)(fan)饋，又稱負(fu)反(fan)(fan)(fan)饋控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)。

階躍響應

階躍響應是(shi)指(zhi)將一個階躍輸入加到系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)上時(shi)，系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的輸出(chu)。穩(wen)態(tai)誤差是(shi)指(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的響應進入穩(wen)態(tai)后﹐系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的期(qi)望(wang)輸出(chu)與實際輸出(chu)之差。控制系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的性能可(ke)以用(yong)穩(wen)、準、快三個字來(lai)描(miao)述。穩(wen)是(shi)指(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的穩(wen)定(ding)性，一個系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)要能正(zheng)常工作，首先必(bi)須是(shi)穩(wen)定(ding)的，從階躍響應上看應該是(shi)收斂的﹔準是(shi)指(zhi)控制系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的準確(que)性、控制精度，通(tong)常用(yong)穩(wen)態(tai)誤差來(lai)描(miao)述，它表示系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)輸出(chu)穩(wen)態(tai)值(zhi)與期(qi)望(wang)值(zhi)之差﹔快是(shi)指(zhi)控制系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)響應的快速(su)性，通(tong)常用(yong)上升時(shi)間來(lai)定(ding)量描(miao)述。

PID控制的原理和特點

在工程實際(ji)中，應(ying)用(yong)最為廣(guang)泛的(de)(de)(de)調節器控制(zhi)(zhi)(zhi)規律為比例、積(ji)分、微分控制(zhi)(zhi)(zhi)，簡(jian)稱(cheng)PID控制(zhi)(zhi)(zhi)，又稱(cheng)PID調節。PID控制(zhi)(zhi)(zhi)器問世至(zhi)今已有(you)(you)近70年歷史(shi)，它以(yi)其結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)、穩定性好、工作可靠、調整方便(bian)而成(cheng)為工業(ye)控制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)主要(yao)技(ji)術(shu)之一。當(dang)被控對(dui)象(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)和(he)(he)參數不(bu)能完全掌握，或得(de)不(bu)到(dao)精確(que)的(de)(de)(de)數學模(mo)型(xing)時(shi)，控制(zhi)(zhi)(zhi)理論的(de)(de)(de)其它技(ji)術(shu)難以(yi)采用(yong)時(shi)，系統(tong)控制(zhi)(zhi)(zhi)器的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)和(he)(he)參數必(bi)須依(yi)靠經驗(yan)和(he)(he)現場調試來確(que)定，這時(shi)應(ying)用(yong)PID控制(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)最為方便(bian)。即當(dang)我們不(bu)完全了(le)解一個系統(tong)和(he)(he)被控對(dui)象(xiang)(xiang)﹐或不(bu)能通過有(you)(you)效的(de)(de)(de)測量手段來獲(huo)得(de)系統(tong)參數時(shi)，最適合用(yong)PID控制(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)。PID控制(zhi)(zhi)(zhi)，實際(ji)中也有(you)(you)PI和(he)(he)PD控制(zhi)(zhi)(zhi)。PID控制(zhi)(zhi)(zhi)器就是根據(ju)系統(tong)的(de)(de)(de)誤差，利用(yong)比例、積(ji)分、微分計算出控制(zhi)(zhi)(zhi)量進行控制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)。

比例（P）控制

比例(li)控制是一(yi)種最簡單(dan)的控制方式。其控制器(qi)的輸出(chu)與輸入誤(wu)差(cha)信號(hao)成比例(li)關系。當僅有比例(li)控制時(shi)系統輸出(chu)存在穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)。

積分（I）控制

在(zai)積(ji)分(fen)控(kong)制(zhi)(zhi)中，控(kong)制(zhi)(zhi)器的輸出(chu)(chu)與輸入誤(wu)差(cha)(cha)信(xin)號的積(ji)分(fen)成(cheng)正(zheng)比關(guan)系。對(dui)一個自動控(kong)制(zhi)(zhi)系統，如果在(zai)進入穩(wen)態(tai)后存(cun)在(zai)穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)(cha)，則稱這(zhe)個控(kong)制(zhi)(zhi)系統是有穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)(cha)的或簡稱有差(cha)(cha)系統。為了(le)消(xiao)除穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)(cha)，在(zai)控(kong)制(zhi)(zhi)器中必(bi)須引入“積(ji)分(fen)項(xiang)”。積(ji)分(fen)項(xiang)對(dui)誤(wu)差(cha)(cha)取決于(yu)時間的積(ji)分(fen)，隨著時間的增加(jia)，積(ji)分(fen)項(xiang)會(hui)增大(da)。這(zhe)樣，即便誤(wu)差(cha)(cha)很小，積(ji)分(fen)項(xiang)也會(hui)隨著時間的增加(jia)而(er)加(jia)大(da)，它推動控(kong)制(zhi)(zhi)器的輸出(chu)(chu)增大(da)使穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)(cha)進一步減小，直到等于(yu)零。因此，比例+積(ji)分(fen)(PI)控(kong)制(zhi)(zhi)器，可以使系統在(zai)進入穩(wen)態(tai)后無穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)(cha)。

微分（D）控制

在(zai)微分(fen)控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(fen)（即誤差的變化率(lv)）成正比關系。

自動控(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統在(zai)(zai)克服誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)調節過程(cheng)中可能(neng)(neng)會出現振蕩甚至失穩(wen)。其(qi)原因(yin)是(shi)(shi)由于(yu)存(cun)在(zai)(zai)有(you)(you)(you)較大慣(guan)性組件(jian)(jian)（環節）或(huo)有(you)(you)(you)滯(zhi)后組件(jian)(jian)，具有(you)(you)(you)抑制(zhi)(zhi)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)，其(qi)變化(hua)總是(shi)(shi)落后于(yu)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)變化(hua)。解決的(de)(de)(de)辦法是(shi)(shi)使(shi)抑制(zhi)(zhi)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)變化(hua)“超(chao)前(qian)”，即在(zai)(zai)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)接近零時(shi)，抑制(zhi)(zhi)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)就應該是(shi)(shi)零。這(zhe)就是(shi)(shi)說(shuo)，在(zai)(zai)控(kong)制(zhi)(zhi)器中僅引(yin)入(ru)“比(bi)(bi)(bi)例(li)(li)(li)”項往(wang)往(wang)是(shi)(shi)不(bu)夠(gou)(gou)的(de)(de)(de)，比(bi)(bi)(bi)例(li)(li)(li)項的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)僅是(shi)(shi)放(fang)大誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)幅值，而目前(qian)需要增加(jia)的(de)(de)(de)是(shi)(shi)“微分(fen)項”，它能(neng)(neng)預(yu)測誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)變化(hua)的(de)(de)(de)趨勢(shi)，這(zhe)樣，具有(you)(you)(you)比(bi)(bi)(bi)例(li)(li)(li)+微分(fen)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)器，就能(neng)(neng)夠(gou)(gou)提前(qian)使(shi)抑制(zhi)(zhi)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)作(zuo)用(yong)(yong)等于(yu)零，甚至為負值，從而避免了被控(kong)量的(de)(de)(de)嚴重超(chao)調。所以對有(you)(you)(you)較大慣(guan)性或(huo)滯(zhi)后的(de)(de)(de)被控(kong)對象(xiang)，比(bi)(bi)(bi)例(li)(li)(li)+微分(fen)(PD)控(kong)制(zhi)(zhi)器能(neng)(neng)改善系(xi)統在(zai)(zai)調節過程(cheng)中的(de)(de)(de)動態特性。

PID控制器的參數整定

PID控(kong)制(zhi)器的參數(shu)整定是控(kong)制(zhi)系統設計的核心內(nei)容。它是根據被控(kong)過程的特性確定PID控(kong)制(zhi)器的比例系數(shu)、積分時間和微分時間的大小。

PID控制器參數整定的方(fang)法很多，概括起來有(you)兩(liang)大類(lei)：

一(yi)是(shi)理(li)論計(ji)算(suan)整定(ding)(ding)法。它(ta)主要是(shi)依據(ju)系統的(de)數(shu)學(xue)模型(xing)，經過(guo)理(li)論計(ji)算(suan)確定(ding)(ding)控制器參數(shu)。這(zhe)種方法所得到(dao)的(de)計(ji)算(suan)數(shu)據(ju)未必可以直接用，還必須通(tong)過(guo)工程實(shi)際進(jin)行調整和修改。

二是(shi)工(gong)程整定方法，它(ta)主要依(yi)賴工(gong)程經驗(yan)，直接(jie)在(zai)控制系統的試驗(yan)中(zhong)進(jin)行，且方法簡單、易于(yu)掌握，在(zai)工(gong)程實際中(zhong)被廣泛采用(yong)。

PID控制器參數(shu)的工(gong)程整(zheng)定(ding)方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。

三種方法各有其特點，其共同點都(dou)是(shi)通過試驗，然后按照工程(cheng)經驗公式對控(kong)制(zhi)器參(can)數進行(xing)整(zheng)定。但無論采用哪(na)一種方法所得到的控(kong)制(zhi)器參(can)數，都(dou)需要(yao)在實際運行(xing)中進行(xing)最后調整(zheng)與完(wan)善。

現在一般采用的是(shi)臨(lin)界比例法(fa)。利用該方法(fa)進(jin)行PID控制器(qi)參數(shu)的整(zheng)定步驟如下：

(1)首先預選擇一個足夠短的采(cai)樣周(zhou)期讓系統(tong)工作﹔

(2)僅加入(ru)比例控制(zhi)環節(jie)，直(zhi)到系統對輸入(ru)的階躍(yue)響應出現臨界(jie)振蕩，記下這時(shi)的比例放(fang)大系數和臨界(jie)振蕩周期﹔

(3)在一定的(de)控制度下通過公(gong)式計算(suan)得到PID控制器(qi)的(de)參(can)數(shu)。