PID控制規(guī)律

盡管不同類型的控制器，其結(jié)構(gòu)、原理各不相同，但是基本控制規(guī)律只有三個(gè)：比例(P)控制、積分(I)控制和微分(D)控制。這幾種控制規(guī)律可以單獨(dú)使用，但是更多場(chǎng)合是組合使用。如比例(P)控制、比例-積分(PI)控制、比例-積分-微分(PID)控制等。比例(P)控制單獨(dú)的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大輸出越大。實(shí)際應(yīng)用中，比例度的大小應(yīng)視具體情況而定，比例度太大，控制作用太弱，不利于系統(tǒng)克服擾動(dòng)，余差太大，控制質(zhì)量差，也沒有什么控制作用;比例度太小，控制作用太強(qiáng)，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)振蕩。

對(duì)于反應(yīng)靈敏、放大能力強(qiáng)的被控對(duì)象，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)使比例度稍大些;而對(duì)于反應(yīng)遲鈍，放大能力又較弱的被控對(duì)象，比例度可選小一些，以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應(yīng)減小余差。單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場(chǎng)合。工業(yè)生產(chǎn)中比例控制規(guī)律使用較為普遍。比例積分(PI)控制比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種，其最大優(yōu)點(diǎn)就是控制及時(shí)、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用?？朔嗖畹霓k法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用。積分控制器的輸出與輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。這里的“積分”指的是“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。

只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積(輸出值越來越大或越來越小)，一直到偏差為零，累積才會(huì)停止。所以，積分控制可以消除余差。積分控制規(guī)律又稱無差控制規(guī)律。積分時(shí)間的大小表征了積分控制作用的強(qiáng)弱。積分時(shí)間越小，控制作用越強(qiáng);反之，控制作用越弱。積分控制雖然能消除余差，但它存在著控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。因?yàn)榉e分輸出的累積是漸進(jìn)的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時(shí)有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來。所以，實(shí)用中一般不單獨(dú)使用積分控制，而是和比例控制作用結(jié)合起來，構(gòu)成比例積分控制。這樣取二者之長，互相彌補(bǔ)，既有比例控制作用的迅速及時(shí)，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)較為理想的過程控制。比例積分控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種控制器，多用于工業(yè)生產(chǎn)中液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。由于引入積分作用能消除余差，彌補(bǔ)了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質(zhì)量。但是積分作用的引入，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對(duì)于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)，要盡量避免使用。比例微分(PD)控制比例積分控制對(duì)于時(shí)間滯后的被控對(duì)象使用不夠理想。

所謂“時(shí)間滯后”指的是：當(dāng)被控對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，被控變量沒有立即發(fā)生變化，而是有一個(gè)時(shí)間上的延遲，比如容量滯后，此時(shí)比例積分控制顯得遲鈍、不及時(shí)。為此，人們?cè)O(shè)想：能否根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)來做出相應(yīng)的控制動(dòng)作呢?猶如有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，即可根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度(比例作用)，又可根據(jù)偏差變化的速度大小來預(yù)計(jì)將要出現(xiàn)的情況，提前進(jìn)行過量控制，“防患于未然”。這就是具有“超前”控制作用的微分控制規(guī)律。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。微分輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無關(guān)。如果偏差為一固定值，不管多大，只要不變化，則輸出的變化一定為零，控制器沒有任何控制作用。微分時(shí)間越大，微分輸出維持的時(shí)間就越長，因此微分作用越強(qiáng);反之則越弱。當(dāng)微分時(shí)間為0時(shí)，就沒有微分控制作用了。同理，微分時(shí)間的選取，也是需要根據(jù)實(shí)際情況來確定的。微分控制作用的特點(diǎn)是：動(dòng)作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功能，可有效改善被控對(duì)象有較大時(shí)間滯后的控制品質(zhì);但是它不能消除余差，尤其是對(duì)于恒定偏差輸入時(shí)，根本就沒有控制作用。

因此，不能單獨(dú)使用微分控制規(guī)律。比例和微分作用結(jié)合，比單純的比例作用更快。尤其是對(duì)容量滯后大的對(duì)象，可以減小動(dòng)偏差的幅度，節(jié)省控制時(shí)間，顯著改善控制質(zhì)量。PID控制最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變;比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定;而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。