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PID控制器参数自整定技术分析

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

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。

1.1PID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。

1.2PID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。