PID算法

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简 单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶 滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活 （PI、PD、…）。
　　下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。
　　控制点目前包含三种比较简单的ＰＩＤ控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 这三种ＰＩＤ算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。
　　1) PID增量式算法
　　离散化公式：
　　注：各符号含义如下
　　u(t);;;;; 控制器的输出值。
　　e(t);;;;; 控制器输入与设定值之间的误差。
　　Kp;;;;;;; 比例系数。
　　Ti;;;;;;; 积分时间常数。
　　Td;;;;;;; 微分时间常数。
　　T;;;;;;;; 调节周期。
　　对于增量式算法，可以选择的功能有：
　　(1) 滤波的选择
　　可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。
　　(2) 系统的动态过程加速
　　在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。
　　由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。
　　为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e(t)|< β时，即被控量接近给定值时，就按正常规律调节，而当|e(t)|>= β时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可 以加快控制的动态过程。
　　(3) PID增量算法的饱和作用及其抑制
　　在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由 算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部 分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。
　　纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。
　　2) PID位置算法
　　离散公式：
　　;=
　　对于位置式算法，可以选择的功能有：
　　a、滤波：同上为一阶惯性滤波
　　b、饱和作用抑制：
　　(1) 遇限削弱积分法
　　一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。
　　(2) 积分分离法
　　在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时， 由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一 现象将更严重。为此可以采用积分分离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。
　　另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。若阈值太大，达不到积分分离的目的，若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。
　　离散化公式：
　　Δu(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2)
　　当|e(t)|≤β时
　　q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T)
　　q1 = -Kp(1+2Td/T)
　　q2 = Kp Td /T
　　当|e(t)|＞β时
　　q0 = Kp(1+Td/T)
　　q1 = -Kp(1+2Td/T)
　　q2 = Kp Td /T
　　u(t) = u(t-1) + Δu(t)
　　注：各符号含义如下
　　u(t);;;;; 控制器的输出值。
　　e(t);;;;; 控制器输入与设定值之间的误差。
　　Kp;;;;;;; 比例系数。
　　Ti;;;;;;; 积分时间常数。
　　Td;;;;;;; 微分时间常数。
　　T;;;;;;;; 调节周期。
　　β;;;;;;; 积分分离阈值
　　(3) 有效偏差法
　　当根据PID位置算法算出的控制量超出限制范围时，控制量实际上只能取边际值U=Umax,或U=Umin,有效偏差法是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际的偏差计入积分累计。因为按实际偏差计算出的控制量并没有执行。
　　如果实际实现的控制量为U=U（上限值或下限值），则有效偏差可以逆推出，即：
　　=
　　然后，由该值计算积分项
　　3) 微分先行PID算法
　　当控制系统的给定值发生阶跃时，微分作用将导致输出值大幅度变化，这样不利于生产的稳定操作。因此在微分项中不考虑给定值，只对被控量（控制器输入值）进行微分。微分先行PID算法又叫测量值微分PID算法。公式如下：
　　离散化公式：
　　参数说明同上
　　对于纯滞后对象的补偿
　　控制点采用了Smith预测器，使控制对象与补偿环节一起构成一个简单的惯性环节。
　　PID参数整定
　　(1) 比例系数Ｋｃ对系统性能的影响：
　　比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Ｋｃ偏大，振荡次数加多，调节时间 加长。Ｋｃ太大时，系统会趋于不稳定。Ｋｃ太小，又会使系统的动作缓慢。Ｋｃ可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Ｋｃ的 符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况Ｋｃ的符号就一定要取反。
　　(2) 积分控制Ｔｉ对系统性能的影响：
　　积分作用使系统的稳定性下降，Ｔｉ小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
　　(3) 微分控制Ｔｄ对系统性能的影响：
　　微分作用可以改善动态特性，Ｔｄ偏大时，超调量较大，调节时间较短。Ｔｄ偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Ｔｄ合适，才能使超调量较小，减短调节时间。