PID调节的适用性

河南机电高等专科学校学报

JournalofHenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege　　Vol.10№.2

Jun.2002

PID调节的适用性

孟昕元,陈　震

Ξ

(河南机电高等专科学校电气工程系,河南新乡453002)

摘要:PID调节器是一种理想的过程调节器.根据现代控制论的观点,PID控制有诸多优点,即

本质的鲁棒性和智能化.分散PID控制模型可以广泛应用于滑模控制系统、自适应控制系统和内模控制系统.

关键词:PID调节器;鲁棒稳定性;智能化中图分类号:TP13　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:100822093(2002)0220058202

概述

PID控制器在工业生产过程控制中的应用已有几十年的‖W(ω)ε(ω)‖∞<1,Πω

时系统具有鲁棒稳定性.根据过程控制系统的特点:

(2)

(1)ε(s)随着ω的增加而增加,即频率越高,不确定性影

历史.长期以来,自动化仪表行业都在试图突破这种传统的控制模式,以期获得控制的高质量及自动化仪表自身的发展.但是,时至今日PID调节仍是工业过程最基本的控制方式.在集散系统中,尽管类别众多,其硬件结构、软件平台以及通讯方式各有差别,但以PID调节模块为基础,实现串级、前馈、解耦、分程、预估等先进控制的灵活组态方式却是共同的.在一些内模控制系统或具有软测量技术的系统、上位优化系统

(SPC)以及整体优化系统,PID调节仍然是基础.

80年代的专家系统,90年代的鲁棒控制,在这些最具时

响越显著,W(ω)是一个特性良好的低通滤波器;

(2)为保证系统在低频段上有

e(t)dtϖmin

∫

s

t

2

0

(3)

　　式中e(t)—控制偏差,ts—调节周期

在低频段上H(ω)=D(ω)G(ω)应较大,即H(ω)>>

1.不难得出H(ω)的幅频特性应具有图1所示的形状.图中,

ω<ω)|>>1;ω>ω)|<<1;ω1时,|H(ω3时,|H(ω2<ω<ω)|略小于1,使工作频率处具有一定的幅值3时,|H(ω裕度γ.

由于大多数过程对象均可以采用模型G(s)=

Ke描Ts+1

-τs

代特征的控制方式中,都可以用这些理论来解释PID控制的适用性.但在某些情况下,采用PID控制效果并不好,说明其作为基础级的一种控制方式,其适用性是有一定范围的.控制理论研究表明,如果PID分散成P、I与D的模块,并引入某些逻辑切换模块与函数功能模块,则其组态控制器可以很好地适应目前各类控制系统的要求.

s

述,而且e-τ不影响H(ω)的幅值,所以当D(s)选择PID模型

时,H(s)=

KD(s)Ts+1

D(s)=Kp(1+

1　PID调节与现代控制

从现代控制理论的观点分析PID调节,可以看出其惊人的一致性.

1.1　本质的鲁棒性

1Tis

)

Tds+1Tds/β+1

(4)

被控对象实际模型G(s)与测试模型之间G(s)存在一定的误差ε(s),即

)G(ω)-G(ω・G(ω)

G(ω)

<ε(ω),Πω

(1)

这是不可避免的事实,导致模型G(s)的不确定性,这种不确定性集中体现于ε(s).其存在会使系统的设计偏离目标,甚至导致系统的不稳定.鲁棒条件指出,当闭环系统W(s)=

D(s)G(s)/[1+D(s)G(S)]满足

Ξ收稿日期:2001210207

图1　理想|H(w)|曲线

　作者简介:孟昕元(19742),男,河南新乡人,在读硕士,研究方向:自动控制.

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孟昕元:PID调节的适用性

若取Ti=Td(此为最优整定的原则),以及Ti|H(ω)|曲线与图1所示的理想曲线是非常相似的,从而证明

于T时,或τ>T时,则可以采用内模控制.尤其是采用DCS装置时,基础级的功能除了抑制本系统的干扰外,还应及时跟踪上位系统的给定信号,基础级系统的本质是多自由度的,分散可组态PID更加适用于DCS.

2)滑模控制　在运行工况下,某些对象特性变化异常,为

了PID的鲁棒性本质.

1.2　智能化的专家系统特色

今天,智能控制已经成为十分流行并富有现代化特色的一种控制技术,对控制系统而言无非是指:①有熟练操作人员操纵执行机构的经验;②有自动化系统专家整定控制器参数的优化决策.PID模型由P、I与D(即比例、积分与微分的调节功能)能很好地模拟操作过程的粗调、细调与提前量调节,而且后期发展的不完全微分型PID调节器(如4式)使提前量调节变得更平滑稳固,因此PID调节具有人工智能控制的显著特征.

PID的最优参数整定,是过程控制专家经验的总结,这些

达到控制及时与系统调节的平稳,采用了滑模控制.如间歇反应器温度控制系统采用PI-P(或P-PI)滑模控制,而“on-off”模型实际上是比例增益较大的P模型.从滑模系统的构成

分析,分散可组态PID功能更有利于系统设计.

3)自整定PID控制　PID调节系统具有鲁棒性很高的优

τ、点,但是对象模型特性参数(K0、T)变化范围太大,会使系统的鲁棒性条件得不到满足,这类对象可采用自整定PID方法来解决.分散可组态PID比整体PID更适合于自整定的实现.因为式(4)的PID调节模型的调整参数之间存在较为严重的交互影响,其交互系数F为:F=1+a

Td,而无论采用P、Ti

经验均载入手册,得到学术界和工程界的公认.尤其是人们发现(4)式的PID调节模型在最优整定条件下,Ti=Td,并将完全与不完全微分型PID调节器的整定统一起来.因此说,PID调节器是一种智能化控制器.

PI与PD并联、串联或混联的PID构成方式均可以消除这种交

互影响,但从整体误差分析,并联方式更好.

2　PID的功能分散与组合此处所谈的PID功能分散不同于DCS(集散型控制系统)的分散,DCS中的PID分散是作为基础级的单元存在的,这里的分散是指将PID分散成P=KP、I=KP/Tis、D=

Tds+1I与D可按需合并,且每种模块有多次调用与重,P、

Tds/β+1

3　结束语

PID调节是一种古老的系统调节方式,由于它具有本质的

优化结构与鲁棒性高的优点,至今仍有广阔的应用前景,在基础级的众多系统中,目前还找不出一种可以替代它的调节方式.为适应过程控制不同对象的特点,分散可组态PID控制更加理想.参考文献:

[1]郑大钟.线性控制系统[M].北京:清华大学出版社,2001.[2]韩曾进.自适应控制[M].北京:清华大学出版社,2000.

[3]沈福民.自适应信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[4]郭尚来.随机控制[M].北京:清华大学出版社,2000.

复参与组态的能力,这种安排是控制结构的变革,能适应某些过程或某些控制品质的要求,举例如下.

1)内模控制系统　内模控制器不一定是PID算法,根据

(责任编校　尚林鹏)

对象特性与干扰特性可能是PI或PD,或者是PDPD算法.

Smith预估控制器是内模控制系统的一个特例,当对象的纯迟

后时间τ与对象的时间常数之比τ/T大于0.6时,仿真实验表明PID控制的品质不如采用P控制的品质好.而当τ接近

TheapplicabilityofPIDcontrol

MENGXin2yuan,etal

(DepartmentofElectricalEngineeringHenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege,Xinxiang453002,China)

Abstract:PIDcontrollerisonekindoftheidealprocesscontrollers.Accordingtotheviewpointofmoderncontroltheory,manyadvantagesareprovidedinPIDcontrol,i.e.,theinherentrobustnessandintellection.ThedistributedPIDfunctionmodelcanbewidelyusedinsliding-modecontrolsystem,self-adaptingcontrolsystemandinternal-modecontrolsystem.

Keywords:PIDcontroller;Robuststability;Intellection

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