1、 1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 PID 控制算法综述 摘要： 随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，在冶金，化工，机械等各类工业控制过程中，PID 控制算法得到了广泛的使用。在很多情况下，只需采用商品化的常规调节器进行 PID 控制就可以实现其控制任务。目前大多数工业控制都是 PID 控制器或其改进型。尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现，但 PID 控制器还是以其结构简单，易实现等优点，处于主导地位。本文讨论 PID控制算法。 关键字： PID 控制算法 控制器 1.引言 PID 控制室最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动
2、控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。然而实际工业生产过程往往具有非线性，时变不确定性，难以建立精确的数学模型的确定性系统，应用常规 PID 控制器不能达到理想的控制效果，而且在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规 PID控制器参数 1往往整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性很差。 计算机技术和智能控制理论的发展为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径。采用智能控制技术，可设 计智能 PID 和进行 PID 的智能整定 2。 2. PID 控制算法 控制算法 3是微机化控制软件系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多
3、种。根据偏差的比例（ P），积分（ I），微分（ D）进行控制，称为 PID 控制 3。实际运行经验和理论分析都表明 PID 控制能满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最广的控制算法。 PID 控制原理 4： 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。 积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入
4、“积分项 ”。积分项对误差取决于2 时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 +积分 (PI)控制器，可以使系 统在进入稳态后无稳态误差。 微分（ D）控制 在微分控制中， 控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “超前 ”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该
5、是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例 ”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是 “微分项 ”，它能预测误差变化 的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象 5，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制，称为过程控制。在模拟控制系统中，以微型计算机来代替模拟调节器，就构成了微机过程控制系统。在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是 PID 控制。常规 PID 控制系统
6、由模拟 PID 调节器，执行机构及控制对象组成。常规 PID 控制器 ，其控制规律 6为 t D dt tdeTdtteTteKptu011 式中： u(t)为 PID 控制器输出，被控对象输入； e(t)为 PID 控制器输入，误差信号， Kp 为比例系数，T1 为积分时间常数， TD 为微分时间常数。各校正环节的作用是： （ 1） 比例环节 即时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)；偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。 （ 2） 积分环节 主要用于消除静差，提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于积分时差常数 T1。T1 越大，积分作用越弱，反之则越强。 （ 3） 微分环节
7、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，减少调节时间。 常用的 PID 控制系统有单回路 PID 控制系统，串级 PID 控制，纯滞后系统的大林控制 7等 等。单回路 PID 控制系统只有一个 PID 控制器。而串级 PID 控制系统偶 2个 PID控制器。其主要优点： （ 1）将干扰加到副回路中，由副回路控制对其进行抑制； （ 2）副回路中参数的变化，由副回路给予控制，对被控量的影响大为减弱； （ 3）副回路的惯性由副回路给予调节，因而提高了整个系 统的响应速度。 3 由于计算机具有很强的信息处理及逻
8、辑判断的能力，因此可以在 PID 基本算法的基础上做许多改进，对生产过程实现更有效和质量更高的控制。下面来讲述关于数字 8PID 控制算法改进 9。不完全微分的 PID 控制算法，不完全微分，即用实际 PD 环节来代替理想 PD 环节。这样，在偏差变化较快时，微分作用不致太强烈，且其作用可保持一段时间。引入不完全微分项后，系统的响应得到了改善。抗积分饱和算法，控制系统在开工，停工或大幅度改变给定值时，系统输出会出现较大的偏差，不可能在短时间内消除，经过 PID 算法中积 分项的积累后，可能会使控制作用 u(k)很大，甚至超过执行机构由机械或物理性能所确定的极限，即控制量达到了饱和。当误差最终被
9、减小下来时，积分可能会变得相当大，以至于要花相当长的时间，积分才能回到正常值。这种现象使控制量不能根据被控量的误差按控制算法进行调节，从而影响结果。其中最明显的结果是，系统超调增大响应延迟。为了克服积分饱和，我们可以选择使用积分分离法，遇限削弱积分法，饱和停止积分法，反馈抑制积分饱和法 10。 PID 调节器的参数整定方法较多，但可归为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数字模型，这在工业工程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法的最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定，简单易行。当然，这是一种近
10、似的方法，有时可能略显粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。简易工程整定法有扩充临界比例度法，扩充响应曲线法，归一参数整定法 11，试凑法。 关于智能 PID 控制等新型 PID 控制理论及其工程应用 12，近年来已有大量的论文发表。为了促进 PID 控制和自动化技术的进步，反映 PID 控制设计 与应用中的最新研究成果，我推荐大家先进PID 控制 MATLAB 仿真一书。我在自动控制原理课程中学习了使用 MATLAB 语言进行 PID 控制器的设计。 MATLAB 对于 PID 控制器的设计给予了软件上的强大支持，使很多繁琐的计算和画图都能省略。由于 MATLAB 功能强大，命令简单适合大众
11、人群使用以及研究 PID 控制设计。 参考文献： 1 黄颖，杜润生 . 基于智能数字 PID 算法的温度控制系统 .控制系统 J 2004， 24(2):33 36. 2 梁新荣，吴智铭 . 电加热炉温度单片机控制系统的研制 .电气传动 J 2000， (3)： 22 21. 3 张开生 , 郭国法 . 单片机温度控制系统的设计 .微计算机信息 J.2005， 21(7): 35 36. 4 李林静基于单片机的炉温系统 .通用机械 J 2004， (1)： 14 16. 5 李光飞单片机课程设计实例指导 M北京：北京航空航天大学出版社 2004 6 胡寿松 . 自动控制原理 M. 北京：科学出
12、版社 .2008. 7 刘金琨 . 先进 PID 控制 MATLAB 仿真 M. 北京：电子工业出版社 .2004.9. 4 8 高金源，夏洁 .计算机控制系统 M.北京：清华大学出版社 .2007.1. 9 孙传友，孙晓斌 .测控系统原理与设计 M北京：北京航空航天大学出版社 .2007. 10霍罡，曹辉 .可编程序控制器模拟量及 PID 算法应用案例 M北京：高等教育出版社 .2008.3. 11Katsuhiko Ogata 著 . 卢伯英译 .现代控制工程 M.2003. 12 Huailin Shu,Youguo Pi. Decoupled Temperature Control System Based on PID Neual Network.2005.12.
