硬件型号:海胜VB7000

 

系统版本:调节阀系统

 

PID算法的执行流程是非常简单的,即利用反馈来检测偏差信号,并通过偏差信号来控制被控量。而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。其功能框图如下:

考虑在某个特定的时刻t,此时输入量为rin(t),输出量为rout(t),于是偏差就可计算为err(t)=rin(t)-rout(t)。于是PID的基本控制规律就可以表示为如下公式:

其中Kp为比例带,TI为积分时间,TD为微分时间。PID控制的基本原理就是如此。

 

1、比例

成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差一旦产生,立即产生控制作用以减小偏差。比例控制器的输出u(t)与输入偏差e(t)成正比,能迅速反映偏差,从而减小偏差,但不能消除静差。静差是指系统控制过程趋于稳定时,给定值与输出量的实测值之差。偏差存在,才能使控制器维持一定的控制量输出,因此比例控制器必然存在着静差。由偏差理论知,增大疋虽然可以减小偏差,但不能彻底消除偏差。比例控制作用的大小除与偏差e(t)有关之外,还取决于比例系数Kp的大小。比例系数Kp越小,控制作用越小,系统响应越慢;反之,比例系数Kp越大,控制作用也越强,则系统响应越快。但是,Kp过大会使系统产生较大的超调和振荡,导致系统的稳定性能变差。因此,不能将Kp选取过大,应根据被控对象的特性来折中选取Kp,使系统的静差控制在允许的范围内,同时又具有较快的响应速度。

2、积分

积分环节的作用,主要用于消除静差提高系统的无差度。积分作用的强弱,取决于积分时间常数Ti,Ti越大积分作用越弱,反之则越强。积分控制作用的存在与偏差e(t)的存在时间有关,只要系统存在着偏差,积分环节就会不断起作用,对输入偏差进行积分,使控制器的输出及执行器的开度不断变化,产生控制作用以减小偏差。在积分时间足够的情况下,可以完全消除静差,这时积分控制作用将维持不变。Ti越小,积分速度越快,积分作用越强。积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡。

3、微分

微分环节的作用能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号的值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。积分控制作用的引入虽然可以消除静差,但是降低了系统的响应速度,特别是对于具有较大惯性的被控对象,用PI控制器很难得到很好的动态调节品质,系统会产生较大的超调和振荡,这时可以引入微分作用。在偏差刚出现或变化的瞬间,不仅根据偏差量作出及时反应(即比例控制作用),还可以根据偏差量的变化趋势(速度)提前给出较大的控制作用(即微分控制作用),将偏差消灭在萌芽状态,这样可以大大减小系统的动态偏差和调节时间,使系统的动态调节品质得以改善。微分环节有助于系统减小超调,克服振荡,加快系统的响应速度,减小调节时间,从而改善了系统的动态性能,但微分时间常数过大,会使系统出现不稳定。微分控制作用一个很大的缺陷是容易引入高频噪声,所以在干扰信号比较严重的流量控制系统中不宜引入微分控制作用。 

微分控制作用的阶跃响应特性对于一个恒定的偏差量,不管其数值有多大,微分控制作用均为零。因此,微分作用不能消除静差,单独使用意义不大,一般需要与比例、积分控制作用配合使用,构成PD或PID控制。

对于PID控制,在控制偏差输入为阶跃信号时,立即产生比例和微分控制中作用。由于在偏差输入的瞬时,变化率非常大,微分控制作用很强,此后微分控制作用迅速衰减,但积分作用越来越大,直至最终消除静差。PID控制综合了比例、积分、微分3种作用,既能加快系统响应速度、减小振荡、克服超调,亦能有效消除静差,系统的静态和动态品质得到很大改善,因而PID控制器在工业控制中得到了最为广泛的应用。