PID控制系统的分析设计与技术的翻译.docx

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PID控制系统的分析设计与技术的翻译

摘要：

设计和调整一个（PID）控制器，虽然出现的概念很直观，但如果要在现实中实现多个（往往相互冲突的）目标，如短路瞬态和高稳定性等，往往很难。

通常情况下，通过各种手段获得的初步设计，需要通过计算机模拟进行调整，直到闭环系统执行，或根据需要选择折中方案。

这便刺激了“智能化”工具的发展，这种智能化工具可以协助工程师对PID工作的整体包络的控制达到最佳。

这种发展进一步纳入到PID硬件模块的一些先进的调谐算法。

为应对这些事态发展，本文提出了一种现代的专利，文中叙述了该专利中软件包和商业硬件模块的功能和调整方法。

我们可以发现为了改善瞬时稳态，对PID进行了许多的变式和开发，但PID控制需要的标准化，模块化却依然面临着挑战。

将系统识别和基于PID系统软件的“智能”技术相结合，在自动化整体设计和优化过程中起到很大程度的作用。

这也可以帮助未来发展的“即插即用”PID控制器的广泛运用,可以让设施更容易建立、运作更加优化,产能增加，质量提高,维护要求降低。

关键词：

比例-积分-微分（PID）控制；PID硬件；PID软件；PID调节

一、介绍

三段保护功能包括处理瞬态及稳态响应PID控制提供了最简单的然而最有效的解决许多实际控制问题的方法。

自从在1910年发明的PID控制（主要是用于船舶自动驾驶仪）,并使用Ziegler-Nichols”（Z-N）在1942年提出的直接调整方法之后，PID控制就获得了突飞猛进的发展。

随着数字技术的进步，对自动控制技术的科学性控制方案有了更为广泛的的选择。

然而,因为没有提供其他构造简单、功能清晰、适用范围广,并且使用方便的PID控制器相匹配，工业中超过90%的控制器仍然是在基于最低水平的PID算法上运行,它的广泛应用和持续的发展已经激起各种PID调整技术、先进的软件和硬件模块的发展。

在最近的国际设计师联合会的研讨会上，致力于PID的研究的论文超过90篇，提出了PID控制器的功能和寿命，在新的领域进行开发，在目前的研究和发展趋势下将可用的方法集成在软件中的形式，得到更好的PID控制。

许多基于高科技技术的软件也已实现硬件模块来执行“按需调整”，而搜索仍然继续寻找下一个PID调节的关键技术。

本文综述了致力于提供现代PID技术，包括PID软件、商业PID的硬件模块及专利PID调整规则。

第一和第二部分PID基本原理和关键问题突出。

第三部分，移动剖面把重点放在专利的PID整定规则上。

第四部分是可用的PID软件包的调查。

第五节PID硬件和调整过程中使用的方法控制进行了讨论。

最后，第六节得出结论，学术研究和工业实践之间存在的一些突出分歧。

二、三阶段控制功能的设计和优化

A、三阶段控制的功能和并行结构

PID控制器可以被看作是一个阶段的超前-滞后补偿与无穷的起源和其他的一极的极端形式。

同样，PI、PD控制器，也可以分别被视为极端形式相位滞后和阶段导致补偿，。

一个标准的PID控制器也称为“三段式”的控制器，其传递函数在书面中一般是以“平行形式”

（1）或“理想形式”

（2）给出的

其中

是比例增益，

是积分增益，

是微分增益，

是积分时间常数，

是微分时间常数。

“三段式”的功能突出表现在以下方面。

1、比例项，通过全通增益系数的误差信号成比例，来提供一个整体的控制动作。

2、积分项，通过一个积分的低频补偿，减少稳态误差。

3、微分项，通过微分进行高频补偿，改善瞬态响应。

在表一，注意总结闭环性能这三个方面的个别影响，通过对

、

、

的调整是形成一个协调的开环系统。

通常,从学术界到工业界一致认同的是，增加微分增益

，将会提高稳定性。

然而，更为专业的研究发现，在一定范围之后对衍生选项的各项调整，特别是在调整

的时候，已经明显感到滞后，因此，一些学者甚至排除“衍生”这个术语。

这个问题已经达到了需要澄清的地步，我们将在第II-E中讨论。

B、串联结构

PID控制器也可以实现“系列形式”，如果两个零是真实的，也就是说，如果

。

在这种情况下，可以以一系列的PD和PI控制器串联的的形式出现。

此处

C、积分项对稳定性的影响

由

（2）、（3）和

及

可知，积分项加入到一个单调增长的函数中，将会影响最终结果，由

（2）或（3）和0可以看出，积分项加入的加入会使稳定性增益裕量和相位裕度减少，即闭环系统将变得更加振荡或不稳定。

（5）

（5）（

（）

D、集成上链及补救措施

如果有一个有效的执行机构，可以限制控制动作的范围，那么积分饱和及对此项的校正将被忽略，直到饱和度偏移。

这会导致低频振荡，并可能导致系统不稳定。

通常采取“综合性抗饱和控制”来抵消这种效果几乎所有的软件和硬件模块实现某种形式的积分综述抗饱和控制保护。

作为最现代化的PID控制器，它有三个功能，实现数字处理，容纳更多的数学下层和更为规则的修改标准，一个简单的和最广泛采用的的反饱和的计划是通过修改软件或固件，实现并集成控制行动。

其中

代表饱和控制行动，

是一个修正系数。

容易发现，它的范围是[0.1,1.0]，该式非常好的表现出了当PID系数合理调整时

的变化情况。

另据报道，“串联形式，”的一部分PI,无需一个独立的反饱和动作来补偿执行器饱和，如图所示。

当有没有饱和，前馈路径转移是整体转移与（3）中的最后一个因素是相同的。

E、微分项对稳定性的影响

一般而言，微分调节是有有功调节的，因为它提供了有用的超前相位，以抵消一体化造成的相位滞后。

还特别有助于缩短循环时间，从而加速系统从干扰中恢复过来。

然而，微分项是经常被误解和误用。

例如，它已被社会广泛认为，加入了微分项将提高系统稳定性。

仅此一项趋于增加PM。

然而，增益将增加一个因子，可改善整体稳定性。

为了证明，添加一个微分实际上可能动摇闭环系统，考虑不损失一般都有的共性问题-：

一阶滞后，加上延迟植入，可描述为：

其中

过程增益，

是一个进程时间常数;L是过程中的死区时间或运输延迟。

假设它是与收益的比例控制器控制，现在微分的不断增加。

这样的结果结合PD控制器，可表示为：

整体开环增益通过前馈路径传递函数变为

此处的之所以是不等于号，是因为

是关于

单调递增的，这意味着，如果

，

或

，则增益不小于0分贝。

在这种情况下，当增益为0db时，有以下

根据Bode和Nyquist定律，存在着不稳定性页边距的闭环系统将会不稳定。

这种现象可能设计有一个完整的PID控制器的，但是存在的困难是，80％PID控制器在使用时衍生的一部分功能，被省略或关闭了。

这意味着，没有充分利用PID控制器的功能和优势。

尽管如此，它表明，衍生长期使用可以增加STA-稳定性的鲁棒性，可以帮助积分增益最大化，实现最佳的性能。

但是，必须注意，因为它是很难调整到正常的的微分器。

下面的图2和图3就是一个例子。

在图后面，如果进一步增加为0.1s，通用保护装置和瞬态响应将恶化。

如果微分增益提高到20％的比例增益，闭环系统，甚至会出现崩溃。

因此，应调整微分项，确保正确使用。

图2。

增加微分增益可以减少稳定的概率，增加闭环系统的稳定性。

F、衍生异常的补偿措施

一个明显的区别是看它是否“随便”。

它不会限制高频增益，如（9）式所示，并在图2展示。

因此，它将在理论上，对控制信号进行干扰，或影响最终变化的结果。

为了解决这个问题，许多PID软件和硬件模块对高低频进行某种形式的微分过滤。

1）平均通过线性低通滤波器：

常见的补救方法是层叠使用多个低通滤波器，即修改

大多数工业PID硬件提供了一个从1到33的设置，多数介于8个和16个。

为进一步衰减高频率的收益，巴特沃斯建议采用二阶滤波器。

2）修改结构问题：

改善了瞬态稳定性，提高了性能，负反馈结构最近成为了被关注问题的一个关键。

已在研发的PID控制提出的这样一个关键问题。

在级联控制应用中，内循环的变化往往需要比外循环设定点的不敏感。

内环，可通过一个标准的PID结构的变体，它使用微分项，即过程变量（PV），而不是错误的信号。

其中，

是光伏，

是参考信号，

是设定点。

还建议，为了进一步降低设定点灵敏度的变化，比例也要随之变化，而不是错误的信号，即光伏。

结构（17）有时也被称为“B型”，结构（18）也被称为“C型”（或I-PD）控制的控制和结构，而结构

（1）至（3）“是一个类型的“PID控制。

注意，B型和C在改变传统的反馈控制的基础上，使PID更加难以分析，然而，从一个替代使用的角度来看，B或C也许是一个设定点的过滤器，有一个至关重要的阻尼动态，从而实现软启动和平稳控制。

然而，理想的并联、串联和修改PID的结构形式，在目前的套装软件和硬件模块中都可以被发现。

读者可以参考Techmation的应用手册的一个列表中记录在的在一些工业PID控制器所采用的结构。

3）通过一个非线性中值滤波器去除异常动作：

另一种方法是使用中值过滤器，它是非线性的，广泛应用于图像处理。

例如，围绕当前几个比较邻近的数据点，并选择了“正常”的行动中位数。

这样，从一个步骤的命令或干扰造成的不寻常的或不必要的尖峰，将过滤掉完全。

一个3点的中值滤波的伪代码如图4[23所示。

虽然它不是很适合使用在阻尼过程，但是这种方法的主要好处是，，没有必要的额外参数。

图4。

消除异常动作的三点位数过滤器

G、调整目标和现有的方法

预选控制器结构，对PID控制的应用构成了挑战。

作为供应商往往推荐自己设计的控制器结构，一个特定的控制器结构，调整规则与其他结构不一定相同。

读者可以参考[16]和[22]的各种PID结构进行讨论。

控制器参数调整的闭环控制系统是稳定的，并应满足以下各项动作条件：

•稳定的鲁棒性

•工作点的跟踪和瞬态的跟踪性能,包括上升时间、超调量、调整时间

•在稳态调节性能,包括负荷扰动的排斥反应

•消减噪音对鲁棒性和环境不确定性的影响。

对于给定的目标，调整PID控制器的方法，可以根据其性质和使用情况进行分组，如下[4]，

•分析方法——PID计算参数之间与物理模型（内模控制（IMC）或波长调谐等）的分析或代数关系。

这些可以使用一个易于使用的公式，可以适合使用在线调整，但客观上需要在分析的形式和模式的同时兼顾准确。

•启发式方法——包括一些手动调谐的实践经验（如ZN整定规则）和人工智能的发展（包括专家系统，模糊逻辑和神经网络）。

•频率响应方法——通过控制频率特性的过程来调整PID控制器（如环路整形）。

这些通常是远程和学术方法，设计时的主要关注的是稳定性的鲁棒性。

•优化的方法——这些都可以作为特殊类型的最优控制，PID参数脱机的数值优化，方法为使用综合目标或使用计算机，进行多个进化算法。

•自适应调整的方法——在实时识别的基础上，自动进行上行调整的方法。

以前，人工的分类没有设置边界，因此在实践中应用的一些方法可能同时属于多个类别。

PID整定方法是对分类的一个很好的总结，到目前为止，没有一种调整方法可以代替简单的Z-N方法，该方法被人所熟悉，并且易于使用。

可以广泛且快速应用到消费类电子产品，家用电器，机电一体化系统和微机电系统（MEMS）中。

在过去的半个世纪中，进一步发展PID调节和硬件模块化技术，是实现未来飞速发展的关键技术。

H、简易PID算法——一种基于软件的方法

在过去的十年中，格拉斯哥大学的研究小组一直试图解决一个问题，即利用现代智能计算技术设计出智能的PID系统。

现在，设计解决方案已获被制作成软件的形式——建议PID算法[23]。

用此法设计的PID系统具有简单和可靠的特点，并且依然保留有控制器的结构“标准形式”，同时可以简单而有效的区分过滤和增强集成抗饱和性，使各项功能达到最佳。

通过设置一小部分的控制器参数，可以优化和提高性能，特别是提高瞬态响应的响应速度。

PIDeasy技术是一种面向对象更广泛的应用，目前比Zn技术和其他技术应用更广泛，提供以下内容供参考：

•最优的PID设计来自脱机或联机植物的设备响应。

•PIDeasy可以广泛的通用在任何一阶（高阶）滞后设备中。

•“关闭电脑”数字控制器的代码是以C++和Java语言表现出来的。

•不需要任何后续改良。

•“即插即用”的一体化过程集成了数据

•采集、系统识别、设计、数字代码-和在线测试。

PIDeasy的时域性能似乎比所有的现有方法更好，在第二节G中列出了的所有的五个标准。

举一个简单的例子，如图2和3，要验证的系统的稳定性，使PIDeasy的比例从0.001到1000.0测试。

如图5的趋势，这证实，这种调整方法对系统稳定稳定是很有效果的，这一结果也受到了大多数学者的一致认同。

而在同时，该软件也做到了时域性强，响应速度快，无超调，无稳态误等功能，为了进一步验证这种基于软件的调整方法我们提供一个参数集的查找表，其中包括许多典型的设备的各项参数。

说明：

代表支持，

代表不支持，？

代表不确定。