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PID控制资料
基于PAC的自整定PID控制器的软件设计
景倩
【学位级别】：
硕士
【学位授予年份】：
2009
【分类号】：
TP273
【DOI】：
CNKI:
CDMD:
2.2010.021703
参数模糊自整定PID控制器的研制
宁海峰
【学位授予单位】：
华侨大学
【学位级别】：
硕士
【学位授予年份】：
2006
【分类号】：
TP273
【DOI】：
CNKI:
CDMD:
2.2006.138497
滞后与微分作用
:
“为什么压力、流量的自动调节中一般不用微分规律？
而温度调节，成份调节多采用微分规律？
”。
在自动控制中选择什么调节规律，是与被控对象的放大系数K（又称为静态特性）、时间常数T、滞后时间τ（又称为动态特性）特性有关。
就是说要看被控对象是不是容易控制?
控制起来是否迟钝?
即根据这些特性来选择控制方案。
而且对测量元件及变送、执行机构的特性亦可用上述的三个特性参数来表示。
对于压力对象，其大多是单容的，其时间常数不算太大、反应比较快，控制起来较容易，一般不用微分作用；相反当因压力对象太灵敏而产生振荡时，则可用反微分作用来将参数控制得平稳些。
对于流量对象，其大多是一段管道，容量很小、反应迅速；在生产中有的被控对象是流量，但实际被控参数是压力，如泵和空压机等。
对于液位对象，实质是由于物料流入与流出量不相等，即物料不平衡，通过控制来解决物料平衡问题。
其变化较快、滞后较小，而时间常数与液位面积有关。
对于温度对象，其时间常数大，滞后现象严重（滞后与热量传递的过程有关）。
对于成分分析，其取样、转换过程反应较慢，反应滞后。
以上五种控制系统中，各对象的特性大致如下:
压力对象 τ不大，T也不大；
流量对象 τ与T都较小，约数秒至数十秒；
液位对象 τ很小，T稍大；
温度对象 τ与T都较大，约为数分至数十分钟；
成分对象 τ与T都较大。
微分作用主要是用来克服被控对象的滞后。
常用于容量滞后较大，纯滞后不太大但又不允许有余差的对象，如温度控制系统等场合。
对于滞后大的系统，除采用微分作用外，在设计控制系统时还要注意到测量和传送的滞后问题，如温度测量元件的选择和安装位置；气动调节阀门的气动管线内径和长度；成分分析的转换和采样滞后等。
为了认识微分作用，我们先来看看手动操作过程，假设有一工艺参数在变化，操作工发现这个参数上升较快，估计很快就会有比较大的偏差，这时，操作工就会过分的打开阀门来克服这个预期的偏差，这种估计及提前开大阀门的超前行为，就是微分动作。
微分作用就是模仿了操作工的这一操作，因此有人又称微分作用为“超前调节”。
自控中所指的微分与数学上的微分在概念上是有区别的，自控所指的微分实际上就是变化率。
即:
微分作用的输出变化与微分时间和偏差变化的速度成比例，而与偏差的大小无关，偏差变化的速度越大，微分时间越长，则微分作用的输出变化越大。
但要看到，微分控制主要是用来克服被控对象的惯性滞后和容量滞后，但不能克服纯滞后。
如想深入了解微分作用的原理，建议去找本相关的自控书看看。
单纯的微分器具有比例和微分两个作用，且比例度恒定不变，这是无法用于生产实际的，因为比例作用的大小对控制质量的影响很大，要求比例度是可改变的，因此微分作用通常都是与比例、积分作用合用，组成比例积分微分三作用调节器（PID）。
PID控制系统的质量指标问题
“pid参数整定口诀中，‘理想曲线两个波，前高后低4比1’是怎样一个曲线？
”。
这个问题的实质,是关于PID控制系统的质量指标问题。
本文讨论只针对简单、定值控制系统。
PID控制系统最早称为PID自动调节系统。
图1是大家所熟悉的PID控制系统方块图，图1中每个方块代表控制系统的一个组成部分，从图1可看出系统中各组成部分的相互关系和影响。
即PID控制系统是具有被调参数负反馈的闭环系统。
当被控量y受到干扰的影响而升高时，反馈信号z将高于给定值x，经过比较而到放大调节元件去的偏差信号e将为负值，调节元件将发出信号而使执行元件动作，其作用方向为负，使被控量下降，这就达到了自动控制的目的。
图1 PID控制系统方块图
当一个PID控制系统的给定和干扰恒定不变时，整个系统处于一种相对的平衡状态，即测量元件、放大调节元件、执行元件都暂不动作，系统的输出信号也处于相对静止状态，即被控量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态。
但由于干扰的作用而破坏了这种平衡状态，被控量就会改变，自控装置就会改变调节参数以克服干扰的影响，并力图使系统恢复平衡状态。
从干扰的发生到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和参数都处于变动状态之中，所以这种状态叫做动态。
PID控制系统在动态时，被控量是不断变化的。
它随时间而变化的过程称为PID控制系统的过渡过程。
也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程；也就是不断克服干扰影响的过程。
PID控制系统在设计、整定和运行中，衡量系统质量的依据就是系统的过渡过程。
当系统的输入为阶跃变化时，系统的过渡过程大多表现形式为振荡过程，如:
发散振荡、等幅振荡、衰减振荡、单调过程等等形式。
但在大多数情况下，都希望得到衰减振荡这种过渡过程，因为它是用来衡量系统质量的依据。
图2是过渡过程质量指标示意图，也是干扰作用影响下的过渡过程。
用过渡过程衡量系统质量时，常用的指标有:
衰减比 也就是前后两个峰值的比。
如图2中的B:
B'习惯上表示为n:
1。
余差 就是过渡过程终了时的残余偏差，如图2中的C。
最大偏差 即第一个波的峰值，如图2中的A，有时也用超调量来表示被调参数的偏离程度。
过渡时间 从干扰发生起至被调参数又建立新的平衡状态止这一段时间。
振荡周期 过渡过程从第一个波峰到二个波峰之间的时间。
振荡次数 过渡时间内被调参数振荡的次数。
图2 过渡过程质量指标示意图
衡量一个PID控制系统质量的好坏，主要是看在外界干扰产生后，被控量偏离给定值的情况，假如偏离了以后能很快的平稳的回复到给定值，就认为是好的。
通常认为图2所示的过渡过程是最好的，并以此作为衡量PID控制系统的质量指标。
选用这个曲线作为指标的理由是:
因为它第一次回复到给定值较快，以后虽然又偏离了，但是偏离不大，并经过几次振荡就稳定下来了，定量的看:
第一个波峰B的高度是第二个波峰B'高度的四倍，所以这种曲线又叫做4:
1衰减曲线。
在调节器的工程参数整定时，以能得到4:
1的衰减过渡过程为最好，这时的PID控制参数可叫最佳参数。
“理想曲线两个波,前高后低4比1”就是指图2这样的曲线，也就是过渡过程振荡两次就能稳定下来，并且振荡两次后有约近于4:
1的衰减比，它被认为是最好的过渡过程。
PID控制器自整定技术的发展
PID控制器自整定技术的发展
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。
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。
实际上目前所有最新的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应的简单特性的确定。
工业实践表明控制器的自整定是一种非常需要和有用的功能。
具有自整定功能的PID控制器商业化产品在八十年代初期才出现。
这里有几方面的原因，一方面近年来的微电子技术的发展使得加入自整定所需要代码的成本趋于合理；大专院校在自整定方面的研究兴趣也才刚刚开始，大多数学者以前把主要精力都投入到相关的、但却比较困难的自适应控制上。
目前自整定PID控制器可以分为两大类：
基于模型的方法和基于规则的方法。
国际上已经出现许多商业产品,如FoxboroEXACT（760/761），它采用阶跃响应分析和模式识别技术再加上启发式规则进行参数调整；AlfaLavalAutomationECA400控制器，它采用继电反馈和基于模型的整定方法；HoneywellUDC6000控制器，它采用阶跃响应分析和一个规则库来调整参数；YokogawaSLPC-181/281，它采用阶跃响应分析和基于模型的整定方法。
还有一些自整定软件包,如IntelligentTuner，它是Fisher-Rosemount公司用在分散控制系统中的一个软件包；Looptune，它是Honeywell公司DCS系统TDC3000中的整定软件包；DCSTuner，它是ABBMaster系统中整定控制器的一个软件包。
目前基于频域辨识的PID自整定的研究文献很多，总的看来，已经取得了一些较好的结果，但仍然有一些关键性的问题没有得到很好的解决，其理论和设计方法还远未成熟，有待于充分的研究和进一步的发展。
现在已有一些基于幅值和相位裕度的PID整定方法，但这些整定方法或者不能同时获得期望的幅值和相位裕度，或者对过程对象的结构进行简化处理，如假设过程对象为一阶加纯滞后结构。
对于高阶的过程对象，用户给定幅值和相位裕度而且假设对象为一阶加纯滞后模型，这样实际的过程对象往往不能获到期望的幅值裕度和相位裕度，导致了不同的过程对象具有不同的控制性能。
Astrom和Hagglund提出的方法是把Nyquist图上的临界点移到幅值0.5且相位的点上来确定PID参数，这样可以同时满足相位裕度和幅值裕度的要求，控制效果优于经典的Ziegler-Nichols规则。
然而Astrom-Hagglund法也存在一些问题，首先设计方法不适用于PI控制器，而PI控制器在实际过程控制中是被广泛采用的。
另外某些被控对象如二阶系统在继电控制下并不产生临界振荡，这样也就不能采用此整定方法。
在工业生产过程中常会遇到具有大纯滞后的过程，例如造纸生产过程，化学反应器和精馏塔中都存在大纯滞后问题。
这类过程被公认为是较难控制的过程。
如果采用PID控制，则参数整定通常采用Ziegler-Nichols整定规则。
这种方法的优点是只需要很少的过程对象的先验知识，但它的缺点是控制效果很差，尤其是对于大滞后的过程，系统很难工作在令人满意的状态。
另外通用的一些整定方法，如Ziegler-Nichols规则、改进的Ziegler-Nichols规则、Cohen-Coon法、内模控制（IMC）和误差积分最优法（ISE、IAE和ITAE），都不适用于大纯滞后对象，给出了较差的甚至不稳定的性能
在工业过程控制中，PI控制器是最为常用的控制算法。
尽管PI控制器被广泛应用，但却没有一个公认的设计方法。
PI参数的整定一般采用经验的整定方法，如Ziegler-Nichols整定规则。
这种方法的优点是只需要很少的过程对象的先验知识，但它的缺点是控制效果欠佳。
由于PI控制器的广泛应用以及自整定设备的出现，非常需要一种通用的PI控制器设计方法，它不仅要适用于广泛的过程对象，而且要具有良好的鲁棒性能和控制性能。
在分析和设计控制系统时，灵敏度的考虑常常是一个重要的方面。
基于灵敏度的控制器设计方法已有许多学者提出，最有代表性的是最近Astrom等提出的方法，它适用于任何被控对象，控制效果可以达到预期目的。
但它的缺点是需要过程对象精确的数学模型，而实际中精确模型的获得往往是很困难的，因而阻碍了它在实际中的应用，特别是在自整定控制器中的应用。
如何获得最佳PID参数？
1、开环控制系统
开环控制系统（open-loopcontrolsystem）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输出没有影响。
在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2、闭环控制系统
闭环控制系统（closed-loopcontrolsystem）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（NegativeFeedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子很多。
比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。
如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。
另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。
3、阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入（stepfunction）加到系统上时，系统的输出。
稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出之差。
控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性（stability），一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来（Steady-stateerror）描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。
4、PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可*、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依*经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
5、比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
6、PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，
在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
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