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PID控制器自整定技术的发展 ---2002年世界控制大会总结报告上海交大自动化系 张卫东 　　比例－积分－微分（PID）控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制调节器，它广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。PID有几个重要的功能：提供反馈控制；通过积分作用可以消除稳态误差；通过微分作用预测将来。PID控制器特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不太高的情况。PID控制是分布式控制系统的一个重要组成部分，它也包含在许多特殊目的的控制系统中。在工业过程控制中，95％以上的控制回路具有PID结构，而大多数回路实际上都是PI控制。PID控制器的许多有用的特性由于被认为是商业秘密而没有被广泛传播，典型的例子如模式切换和防止积分饱和等技术。 　　我和我校许晓鸣教授及邵惠鹤教授一直工作在这一研究领域. 并且共同组建了上海市优化与控制软件工程技术中心. 2002年7月我和邵惠鹤教授共同赴西班牙参加了2002年IFAC世界控制大会. IFAC世界大会是国际自动控制界最重要的国际会议之一，在我国许多图书馆都收藏其论文集。其发表的论文在全世界被广泛引用。在会议中,我们接触了很多国际过控界的学者,特别是华人学者,与他们进行了广泛交流.同时还参加了许多大会相关报告.本文将结合参加会议得到的信息和我们中心以往的工作积累谈些看法。 　　PID控制常常与逻辑、顺序装置，选择器和一些简单功能块组成复杂的自动控制系统。许多复杂的高级控制算法与PID控制分级地组织在一起，其中PID控制作为最低的基础级，而多变量控制器给基础级的PID控制器提供设定值。因此PID控制被称为控制工程师们谋生的手段，也是每一个控制工程师工具箱中的重要组件。 　　PID控制器在技术上已经经历了从气动到由电子管、晶体管和集成电路组成的微处理器。微处理器对PID控制器具有非常深刻的影响。目前制造的所有PID控制器几乎都是基于微处理器的，这就给自整定、自适应和增益调度等附加特性提供了条件。自整定的意思是控制器的参数可以根据操作员的需要或一个外部信号的要求自动进行参数整定。实际上目前所有必威体育精装版的PID控制器都具有一定的自整定功能，整定方法却千差万别。　　现场总线的出现是另外一个重要的发展，这将对分布式控制系统的结构产生深刻的影响。PID控制器是现场总线观念的重要组成部分，它也可能会随着现场总线的发展被标准化。　　目前大批的仪表与过程工程师们都熟悉PID控制，而且已经建立了一套很好的安装、整定和使用PID控制器的方法。尽管这样，发展PID控制仍然有很大的潜力，这是因为许多控制器在实际中都处在手动状态，而那些处在自动状态的控制器由于微分作用不好调整往往把微分环节去掉。PID控制器在实际中性能欠佳的主要原因一是阀门和传感器的设备问题，另外就是较差的整定实践。提高控制回路的性能，不仅需要PID控制的知识，而且需要过程方面的知识。　　国际上有一些研究文章陈述了当前工业控制的状况，如日本电子测量仪表制造协会在1989年对过程控制系统做的调查报告。该报告表明90％以上的控制回路是PID结构。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有2000多个控制回路，其中97％以上是PI控制，而且仅仅有20％的控制回路工作比较满意。控制回路性能普遍差的原因中参数整定不合适占30％，阀门问题占30％。而另外的20％的控制器性能差有多种原因，如传感器的问题、采样频率的选择不当以及滤波器的问题等。Ender也给出了相似的统计结果：在已安装的过程控制器中30％是处在手动状态；20％的回路是采用厂家的整定参数，即控制器制造商预先设定的参数值；30％的控制回路由于阀门和传感器的问题导致控制性能较差。　　PID控制器被广泛应用主要是因为它结构简单、在实际中容易被理解和实现，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。但PID参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使PID参数的整定有一定的难度，致使许多PID控制器没能整定的很好，这样的系统自然无法工作在令人满意的状态，为此人们提出了自整定PID控制器。将过程动态性能的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可实现PID控制器的自整定。自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动整定,用户可以通过按动一个按钮或给控制器发送一个命令来启动自整定过程。自整定过程包括三个部分：l 过程扰动的产生 l 扰动响应的评估 l 控制器参数的计算 　　这同经验丰富的操作人员在手动整定PID控制器时使用的步骤是一样的。过程必须以某种方式产生扰动，如给过程对象输入阶跃、脉冲或正弦信号，以便确定过程的动态特性。扰动响应的评估包括过程模型或响