第一篇：先進PID控制及MATLAB仿真第3章專家PID學習心得及疑問

先進PID控制及MATLAB仿真第3章專家PID學習心得及疑問

因為課題需要，剛開始學習專家控制器matlab仿真，用的是劉金錕 先進PID控制及MATLAB仿真。有一些問題想和大家交流，向大家請教。

1、第三章 專家PID中，第一條規(guī)則應(yīng)按最大輸出。在p96例3-1中輸出分別為0.45、0.40、0.12、0.01。如果我的輸入信號不是階躍信號，而是從0到1緩慢變化的s形曲線，如v=[1-cos(pi/50*t)]*735。輸出還可以設(shè)定為0.45、0.40、0.12、0.01嗎？

2、專家PID控制中第二條規(guī)則當誤差處在增大階段，前面講的輸出為，而例3-1中rule2輸出u(k)=u_1+1.5*kp*x(1)。這與上式為什么不同？我覺得kp*x(2)+ki*x(1)+kd*[x(2)-x2_1]等于u(k)的導數(shù)，對不對？它與kp*x(1)相等嗎？為什么在例3-1中不用 ？

3、假設(shè)某時刻誤差處在變大階段，且x（1）=0.25。程序執(zhí)行時首先執(zhí)行rule1,因為誤差大于0.2，則u(k)= 0.12。然后再判斷rule2,因為條件也滿足，誤差值在變大，也大于0.05所以u(k)又變?yōu)閡_1+1.5*kp*x(1)。這樣程序是不是存在二義性？而且在我應(yīng)用此算法仿真一五階系統(tǒng)時（詳見附件），rule5誤差值小于0.001，則輸出震蕩，而改為0.1，則輸出正常。這樣，很多時候，只要誤差小于0.1，則執(zhí)行rule1,u(k)先等于0.1，再執(zhí)行rule2，等于u_1+1.5*kp*x(1)，再執(zhí)行rule5,等于0.4*x(1)+0.475*x(3)。這樣，使得rule2、rule4根本就不起作用。我覺得各誤差段應(yīng)既無遺漏又不重疊。不知我的理解對否？

4、本來我對采樣時間的理解是采樣時間越短，仿真精度越高。但我發(fā)現(xiàn)只改變采樣時間，其它不變，則輸出大不相同，甚至震蕩。一開始我以為我的控制器沒設(shè)計好，后來我找了書上不少例子試了試，例3-

1、1-

9、1-12都有此現(xiàn)象。這怎么解釋？那這樣仿真，和其他控制方法比較時還有可信度嗎？也必須在相同采樣時間下嗎？

5、在simulink模型仿真時，怎樣設(shè)置采樣時間？在configuration parameter中，有sample time,但都不能設(shè)定具體值。在solver中，當采用固定步長時，不能設(shè)置采樣時間。當采用變步長ode45時，max step time和min step time又不能設(shè)置為相等。難道只有采用默認采樣時間？而默認的又是多少呢？

6、input delay和transport delay、iodelay到底有什么區(qū)別?。繋а舆t環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)應(yīng)該用哪個來表示，還是都可以？

7、在例3-1加入滯后，sys=tf(5.235e005,[1,87.35,1.047e004,0],'inputdelay',76000000);結(jié)果輸出和不加滯后完全一樣，不管滯后有多大。我自己的控制器也是如此。是專家PID抵抗滯后能力強，還是滯后加的不對？

8、例3-2.s.m中最后一句sys=[sys;x(3)];是什么意思？輸出為什么是加上x(3)的增廣矩陣？

這些問題困擾我好長時間了，百思不得其解，書上也找不到相關(guān)的資料。如能解惑，不勝感激。謝謝

我的專家控制器

附：我的專家控制器 %Expert PID Controller clear all;close all;ts=0.001;sys=tf(158.91e6,[0.7596 133.728 1.405e4 6.237e5 1.015e7 9.015e6]);dsys=c2d(sys,ts,'z');[num,den]=tfdata(dsys,'v');u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;u_4=0.0;u_5=0.0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;y_4=0;y_5=0;x=[0,0,0]';x2_1=0;kp=1.44;ki=1.28;kd=0.008;error_1=0;for k=1:1:5000 time(k)=k*ts;

rin(k)=1;%Tracing Jieyue Signal u(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+ki*x(3);%PID Controller %Expert control rule if abs(x(1))>0.8 %Rule1:Unclosed control firstly u(k)=0.45;elseif abs(x(1))>0.40 u(k)=0.30;elseif abs(x(1))>0.20 u(k)=0.2;elseif abs(x(1))>0.10 u(k)=0.03;

elseif abs(x(1))<=0.05 %Rule5:Integration separation PI control u(k)=0.25*x(1)+1.75*x(3);

elseif x(1)*x(2)>0|(x(2)==0)%Rule2 if abs(x(1))>=0.1 u(k)=u_1+1.5*[kp*x(2)+ki*x(1)];else u(k)=u_1+0.6*[kp*x(2)+ki*x(1)];end elseif x(1)*x(2)<0&x(2)*x2_1<0 %Rule4 if abs(x(1))>=0.1 u(k)=u_1+2*kp*error_1;else u(k)=u_1+0.4*kp*error_1;end end

if(x(1)*x(2)<0&x(2)*x2_1>0)|(x(1)==0)%Rule3 u(k)=u(k);end

%Restricting the output of controller if u(k)>=2 u(k)=2;end if u(k)<=0 u(k)=0;end %Linear model yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3-den(5)*y_4-den(6)*y_5+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3+num(5)*u_4+num(6)*u_5;error(k)=rin(k)-yout(k);

%----------Return of PID parameters------------% u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_5=y_4;y_4=y_3;y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);

x(1)=error(k);% Calculating P x2_1=x(2);x(2)=(error(k)-error_1)/ts;% Calculating D x(3)=x(3)+error(k)*ts;% Calculating I error_1=error(k);end figure(1);plot(time,rin,'b',time,yout,'r');xlabel('time(s)');ylabel('rin,yout');grid on;剛學PID的一點想法 PID

這幾天稍微看了一點點的PID，今天有了小小頭緒，于是，就想把自己的想法寫出來，歡迎拍磚。

最開始的時候，是先了解什么是PID。PID實指“比例proportional”、“積分integral”、“微分derivative”，如果我們要求被控制的對象最終趨于一個穩(wěn)定的結(jié)果，一般就可以使用PID算法。假設(shè)說，有一輛速度為1m/s的小車，我們要求他的速度改變?yōu)?m/s，要完成這樣的一件事，我們必須要有，1.小車驅(qū)動裝置（用程序控制它輸出多大的電壓，電壓決定驅(qū)動的馬力），2.被驅(qū)動器控制的部分（即小車），3.檢測當前速度的裝置（當前速度與目標速度的差稱為誤差）。本來，我們可以給小車一個驅(qū)動力讓小車加速，直到檢測到小車速度達到5m/s，撤去驅(qū)動力。然而，這樣做會帶來幾個問題。1，當小車速度達到5m/s時，從裝置檢測到這個速度，通知控制器，讓控制器改變輸出的電壓，這一個過程需要耗費一定時間，在這個時間里面，小車速度可能增加了不少。2，撤去驅(qū)動力后，外界條件如摩擦會讓小車速度進一步改變。PID算法可以在一定誤差內(nèi)解決這些問題。

使用PID算法時，大致是這樣的。每一個采樣周期，通過速度檢測裝置獲得當前速度，傳入程序，通過程序計算得到電壓控制小車得到新速度。下一個采樣周期又把新速度傳入，獲得新電壓，再傳入速度，再獲得電壓，如此反復。

PID算法的關(guān)鍵，是如何根據(jù)當前得到的速度值，輸出一個“恰當”的電壓，以致小車最終能夠趨于穩(wěn)定。

PID算法采用比例，積分，微分三種方法進行控制。三種方法都有自己對應(yīng)的一個常量(pconst，iconst，dconst)。這三個變量都需要在實驗中多次嘗試得出。

一般地，先把與算法相關(guān)的量放入一個結(jié)構(gòu)體，方便調(diào)用。

srtuct PID

{

double pconst, //比例控制常量

iconst, //積分控制常量

dconst;//微分控制常量

double ErrorSum;//誤差累計

double iMax,iMin;//積分上下限

double Vnew;

//當前速度

}；

比例：

Vnew = GetV();

//獲得當前速度

error = aim當前速度

pTerm = error*pconst;//比例項的值就是誤差乘上比例常量

Motor（pTerm）;//讓電機根據(jù)得出的值工作

有時候，我們增大比例常數(shù)可以讓小車更快的到達目標速度，但是過大的比例常數(shù)又容易產(chǎn)生過沖，即速度超過目標速度5m/s，然后再減速，再加速，在減速。這樣，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，然而，振蕩的結(jié)果不一定能趨于穩(wěn)定。

積分：

Vnew = GetV();

//獲得當前速度

ErrorSum +=（aimVlast)*dconst;//當前速度-上次速度，再乘微分常數(shù)

Vlast = Vnew;

//保留本次速度，下次當成上次速度使用

Motor（dTerm）;//讓電機根據(jù)得出的值工作

同樣，微分控制也是與比例，積分一起使用，形成PID算法，Motor(pTerm+iTerm+dTerm)。

微分控制相當強大，然而也很容易出問題。具體調(diào)控和整定我想等到實際應(yīng)用時再學習。

PID控制是工程控制中最常用的控制算法，最簡單的PID控制就是

其實質(zhì)就是一個關(guān)于比例，積分，微分控制公式

注：上式中第一個Td應(yīng)改為Ti，為筆誤.其傳遞函數(shù)為G（s）=U（s）/error(s)=Kp*[1+(1/Ti*s +Td*s)}

當反饋中有誤差存在時，（1）比例壞節(jié)第一時間對誤差進行放大送給控制器，（2）而積分環(huán)節(jié)扮演的角色就是當有誤差時誤差隨著時間的增加就會越來越大，（3）而微分環(huán)節(jié)所扮演的角色就是當誤差變化向減小方向時(即(e（t）-e（t-1）<0))，微分的作用就是負方向的，而當誤差變化向較大方向變化時（即e（t）-e（t-1）>0），微分作用就是正方向的且誤差變化（e（t）-e（t-1）的值）越快那么微分作用就越大。

從以上三條中我們可以得到一個很有效的信息那就是比例積分對誤差的作用都是正作用的，但是微分卻不同，微分與誤差沒有關(guān)系只與系統(tǒng)加速與減速有關(guān)，若系統(tǒng)在加速那么微分作用為正，若系統(tǒng)為減速那么微分作用為負向，它可以有效地對系統(tǒng)進行動態(tài)的調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)的慣性進行有效的抑制。

PID參數(shù)整定 [原創(chuàng) 2011-05-04 15:19:47] 字號：大 中 小

上一章簡單介紹了自動調(diào)節(jié)的發(fā)展歷程。搞自動的人，許多人對如何整定PID參數(shù)感到比較迷茫。課本上說：整定參數(shù)的方法有理論計算法和經(jīng)驗試湊法兩種。理論計算法需要大量的計算，對于初學者和數(shù)學底子薄弱的人會望而卻步，并且計算效果還需要進一步的修改整定，至今還有人在研究理論確認調(diào)節(jié)參數(shù)地方法。所以，在實際應(yīng)用過程中，理論計算法比較少。

經(jīng)驗試湊法最廣為人知的就是第一章提到的整定口訣了。該方法提供了一個大致整定的方向形性思路。當時整定參數(shù)，需要兩只眼睛盯著數(shù)據(jù)看，不斷地思考琢磨。上世紀90年代的時候，我就曾經(jīng)面對著I型和II型儀表，就這么琢磨。如果是調(diào)節(jié)周期長的系統(tǒng)，比如汽溫控制，需要耗費大量的時間。

科學發(fā)展到了今天，DCS應(yīng)用極其普遍，趨勢圖收集極其方便。對于單個儀表，也大都有趨勢顯示功能。所以，我們完全可以借助趨勢圖功能，進行參數(shù)整定。

我們可以依靠分析比例、積分、微分的基本性質(zhì)，判讀趨勢圖中，比例、積分、微分的基本曲線特征，從而對PID參數(shù)進行整定。這個方法雖然基本等同于經(jīng)驗試湊法，但是它又比傳統(tǒng)的經(jīng)驗試湊法更快速更直觀的，更容易整定。因而，我把這種依靠對趨勢圖的判讀，整定參數(shù)的辦法，稱之為： 趨勢讀定法。趨勢讀定法三要素：

設(shè)定值、被調(diào)量、輸出。三個曲線缺一不可。串級系統(tǒng)參照這個執(zhí)行。

這個所謂的趨勢讀定法，其實早就被廣大的自動維護人員所掌握，只是有些人的思考還不夠深入，方法還不夠純熟。這里我把它總結(jié)起來，大家一起思考。

這個東西看著新鮮，其實一點都不高深，上過初中的人，只要受過嚴格訓練，都可以成為整定參數(shù)的好手。什么？初中生理解積分微分的原理么？恩，初中生沒有學過微積分，可是一旦你給他講清楚微積分的物理意義，然后認真訓練判斷曲線的習慣和能力，完全可以掌握好PID的參數(shù)整定?？喙Ψ蜻€要花的。必須要經(jīng)過比較嚴格的訓練。怎么才算受過嚴格訓練呢？我不了解別人是怎么訓練的，我只根據(jù)我自己理解的情況，把我認為正確的理解給大家講述一下。咱既然說了，初中生都可以理解，那么咱依舊避免繁瑣的公式推導，只對其進行物理意義分析。

提前聲明：這些物理意義的分析，非常簡單，非常容易掌握，但是你必須要把下面一些推導結(jié)論的描述弄熟弄透，然后才能夠進行參數(shù)整定。很簡單的哦。在介紹PID參數(shù)整定之前，先介紹幾個基本概念： 2-1 幾個基本概念

單回路：就是只有一個PID的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

串級：一個PID不夠用怎么辦？把兩個PID串接起來，形成一個串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。又叫雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在第三章里面，咱們還會更詳細的講解串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在此先不作過多介紹。主調(diào)：串級系統(tǒng)中，要調(diào)節(jié)被調(diào)量的那個PID叫做主調(diào)。

副調(diào)：串級系統(tǒng)中，輸出直接去指揮執(zhí)行器動作的那個PID叫做副調(diào)。主調(diào)的輸出進入副調(diào)作為副調(diào)的設(shè)定值。一般來說，主調(diào)為了調(diào)節(jié)被調(diào)量，副調(diào)為了消除干擾。

正作用：比方說一個水池有一個進水口和一個出水口，進水量固定不變，依靠調(diào)節(jié)出水口的水量調(diào)節(jié)水池水位。那么水位如果高了，就需要調(diào)節(jié)出水量增大，對于PID調(diào)節(jié)器來說，輸出隨著被調(diào)量增高而增高，降低而降低的作用，叫做正作用。

負作用：還是這個水池，我們把出水量固定不變，而依靠調(diào)節(jié)進水量來調(diào)節(jié)水池水位。那么如果水池水位增高，就需要關(guān)小進水量。對于PID調(diào)節(jié)器來說，輸出隨著被調(diào)量的增高而降低的作用叫做負作用。

動態(tài)偏差：在調(diào)節(jié)過程中，被調(diào)量和設(shè)定值之間的偏差隨時改變，任意時刻兩者之間的偏差叫做動態(tài)偏差。簡稱動差。

靜態(tài)偏差：調(diào)解趨于穩(wěn)定之后，被調(diào)量和設(shè)定值之間還存在的偏差叫做靜態(tài)偏差。簡稱靜差?；卣{(diào)：調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用顯現(xiàn)，使得被調(diào)量開始由上升變?yōu)橄陆?，或者由下降變?yōu)樯仙ｋA躍：被觀察的曲線呈垂直上升或者下降，這種情況在異常情況下是存在的，比如人為修改數(shù)值，或者短路開路。

2-2 P —— 純比例作用趨勢圖的特征分析

前面說過，所謂的P，就是比例作用，就是把調(diào)節(jié)器的輸入偏差乘以一個系數(shù)，作為調(diào)節(jié)器的輸出。

溫習一下：調(diào)節(jié)器的輸入偏差就是被調(diào)量減去設(shè)定值的差值。

一般來說，設(shè)定值不會經(jīng)常改變，那就是說：當設(shè)定值不變的時候，調(diào)節(jié)器的輸出只與被調(diào)量的波動有關(guān)。那么我們可以基本上得出如下一個概念性公式： 輸出波動=被調(diào)量波動*比例增益

注意，這只是一個概念性公式，而不是真正的計算公式。咱們弄個概念性公式的目的在于：像你我這樣的聰明人，不屑于把精力用在考證那些繁瑣的公式上面，我們關(guān)注什么呢？我們關(guān)注的是公式內(nèi)部的深層含義。呵呵。我們就來努力挖掘它的深層含義。

通過概念性公式，我們可以得到如下結(jié)論，對于一個單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，單純的比例作用下： 輸出的波形與被調(diào)量的波形完全相似。

純比例作用的曲線判斷其實就這么一個標準。一句話簡述：被調(diào)量變化多少，輸出乘以比例系數(shù)的積就變化多少。或者說：被調(diào)量與輸出的波形完全相似

為了讓大家更深刻理解這個標準，咱們弄幾個輸出曲線和被調(diào)量曲線的推論：

1、對于正作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，頂點、谷底均發(fā)生在同一時刻。

2、對于負作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，被調(diào)量的頂點就是輸出的谷底，谷底就是輸出的頂點。

3、對于正作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，被調(diào)量的曲線上升，輸出曲線就上升；被調(diào)量曲線下降，輸出曲線就下降。兩者趨勢完全一樣。

4、對于負作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，被調(diào)量曲線和輸出曲線相對。

5、波動周期完全一致。

6、只要被調(diào)量變化，輸出就變化；被調(diào)量不變化，不管靜態(tài)偏差有多大，輸出也不會變化。上面6條推論很重要，請大家牢牢記住。記住不記住其實沒有關(guān)系，只要你能把它溶化在你的思想里也行。

溶化了么？那我出個思考題：

1、被調(diào)量回調(diào)的時候，輸出必然回調(diào)么？

2、被調(diào)量不動，設(shè)定值改變，輸出怎么辦？

3、存在單純的比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)么？

4、純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)會消除靜差么？ 第一條回答：是。

第二條回答：相當于被調(diào)量朝相反方向改變。你想啊，調(diào)節(jié)器的輸出等于輸入偏差乘以一個系數(shù)，設(shè)定值改變就相當于設(shè)定值不變被調(diào)量突變。對吧？

第三條回答：是。在電腦出現(xiàn)之前，還沒有DCS，也沒有集中控制系統(tǒng)。為了節(jié)省空間和金錢，對于一些最簡單的有自平衡能力的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比如水池水位，就用一個單純的比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成調(diào)節(jié)。

第四條回答：否。單純的比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以讓系統(tǒng)穩(wěn)定，可是他沒有辦法消除靜態(tài)偏差。那么怎么才能消除靜態(tài)偏差呢？依靠積分調(diào)節(jié)作用。為了便于理解，咱們把趨勢圖畫出來分析。見圖2：

圖2：比例作用下的調(diào)節(jié)曲線

假設(shè)被調(diào)量偏高時，調(diào)門應(yīng)關(guān)小，即PID為負作用。在定值有一階躍擾動時，調(diào)節(jié)器輸入偏差為－△e。此時Tout 也應(yīng)有一階躍量△e ·（1 / δ），然后被調(diào)量不變。經(jīng)過一個滯后期t2，被調(diào)量開始響應(yīng)Tout。因為被調(diào)量增加，Tout也開始降低。一直到t4時刻，被調(diào)量開始回復時，Tout才開始升高。兩曲線雖然波動相反，但是圖形如果反轉(zhuǎn)，就可以看出是相似形。

一般來說，積分作用往往被初學者過度重視。因為積分作用造成的超調(diào)往往被誤讀為比例作用的不當。

而對于一個很有經(jīng)驗的整定高手來說，在一些特殊情況況下，積分作用往往又被過度漠視。因為按照常理，有經(jīng)驗的人往往充分理解積分作用對靜態(tài)偏差的作用，可是對于積分作用特殊情況下的靈活運用，卻反而不容易變通。

以前看史書，毛澤東曾指著鄧小平對一個蘇聯(lián)人說：瞧見那個小個子了沒有？這個人很了不起，既有原則性，又有靈活性。

瞧見沒有，最高明的政治家們都注重原則性和靈活性之間的微妙的關(guān)系，咱們搞自動的，實際上也離不開原則性和靈活性啊。當然了，對于一般的初學者，還不到感悟靈活性的時候。初學者只有老老實實先把原則掌握再說。靈活性是建立在原則的基礎(chǔ)之上的。就如同現(xiàn)實生活中一樣，沒有原則的靈活是什么？老滑頭。

什么時候才可以靈活？等你能夠徹底解讀調(diào)節(jié)曲線，并能夠迅速判斷參數(shù)大小的時候，才可以稍微嘗試了解靈活性。千萬不要耍滑頭哦。

2-6 比例積分微分作用的特征曲線分析

2-7 整定參數(shù)的幾個原則

大家看過百家講壇里面王廣雄教授講自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)么？我沒有看過，很遺憾。不過我聽別人說王教授這么說自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)：她里面處處閃爍著哲學的光輝。這個光輝我也經(jīng)常感覺得到。并且我覺得，似乎它不僅僅是一門技術(shù)，而且還是一門藝術(shù)。因為對于一個復雜的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，你永遠不能確定哪個參數(shù)是最好的。只要你愿意下功夫去整定，似乎總有更適合的參數(shù)等著你。而等到一個系統(tǒng)遇到了很復雜的大干擾的時候，一般情況下，你總想修改已經(jīng)極其膨脹了的控制策略，效果雖有好轉(zhuǎn)，可總是難以適應(yīng)各種工況，參數(shù)愈來愈多，整定愈來愈復雜?？墒堑鹊侥隳骋惶焱蝗混`光一閃，想到一個新鮮思路的時候，你激動得恨不得馬上從床上爬下來要去應(yīng)用，第二天你發(fā)現(xiàn)既不需要修改控制策略，應(yīng)用效果又出奇的好的時候，你會感到一種藝術(shù)的成就感和滿足感。

這就是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的魅力。它需要你在各個問題、各個參數(shù)之間反復權(quán)衡，在靈活性和原則性之間思想游走，在全面和孤立之間合并分解。機械與權(quán)衡的變通、靈活性和原則性的關(guān)系前面已經(jīng)說過了。下面還要說說全面和孤立的關(guān)系。對于一個復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)，既要全面看待一個系統(tǒng)，又要學會孤立看待一個系統(tǒng)。原則與靈活，全面與孤立，都是個辯證的問題。

其實誰都知道要全面看待問題這個說法。要全面了解整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)，要對工藝流程、測量回路、數(shù)據(jù)處理DCS或者PLC、控制調(diào)節(jié)過程、PID各個參數(shù)、操作器、伺服放大器、執(zhí)行器、位置反饋、閥門線形等各個環(huán)節(jié)都要了解，出了問題才能夠快速準確的判斷。可是孤立分析問題這個提法，是不似有點新鮮？怎樣才算孤立看待問題？ 我們首先要把復雜的問題簡單化，簡單化有利于思路清晰。那么怎樣孤立簡化呢？

1、把串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)孤立成兩個單回路。把主、副調(diào)隔離開來，先整定一個回路，再全面考慮；

2、至于先整定內(nèi)回路還是先整定外回路，因系統(tǒng)而異。一般來說，對于調(diào)節(jié)周期長的系統(tǒng)可以先整定內(nèi)回路。我們還可以手動調(diào)整系統(tǒng)穩(wěn)定后，投入自動，先整定內(nèi)回路；

3、把相互耦合的系統(tǒng)解耦為幾個獨立的系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)下，進行參數(shù)判斷。讓各個系統(tǒng)之間互不干擾，然后再考慮耦合；

4、把P、I、D隔離開來。先去掉積分、微分作用，讓系統(tǒng)變?yōu)榧儽壤{(diào)節(jié)方式。然后再考慮積分，然后再考慮微分。

在學習觀察曲線的時候，要學會把問題簡單化，孤立看待系統(tǒng)；在分析問題的時候，要既能夠全面看待問題，也能夠孤立逐個分析。咱們下面討論如何整定參數(shù)的時候，也是先要把參數(shù)孤立起來看待的。

以前曾經(jīng)有一個化工的朋友說：自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)哪有這么復雜？無非是一個PID，對其參數(shù)進行整定一番就可以了。我對他說：很不幸，你工作在一個簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的環(huán)境下，你沒有真正接觸過復雜的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。是的，火電廠自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)要復雜些。可惜我沒有機會接觸更為復雜的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，深為遺憾！至今為止，我所接觸到最復雜的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無非是火電廠的蒸汽溫度、汽包水位、蒸汽壓力，還有一個大雜燴——協(xié)調(diào)。至于脫硫方面的，都交給運行自行調(diào)節(jié)，懶得去管。2-8 整定比例帶

有人說：很麻煩，我的調(diào)節(jié)系統(tǒng)不容易看到調(diào)節(jié)周期。哦，恭喜你，你的系統(tǒng)整定工作做得很好。

不管是被調(diào)量還是調(diào)節(jié)輸出，其曲線都不應(yīng)該有強烈的周期特征。

曾經(jīng)有個人跟我說：你看我的調(diào)節(jié)系統(tǒng)整定得多好，被調(diào)量的曲線簡直跟正弦波一樣好看。我回答說：不用問，調(diào)節(jié)輸出也跟正弦波一樣吧？他說是。那你的執(zhí)行機構(gòu)還不跟正弦波一樣不能歇著??？這樣的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定工作是不夠好的，還有優(yōu)化空間的。

自動調(diào)節(jié)的困難還在于：即使是很老練很在行的整定者，也不見得整定效果就很好。近兩年我見了一些自動調(diào)節(jié)的論文，有的論文中附有調(diào)節(jié)效果曲線。根據(jù)我的分析，有一些論文所表現(xiàn)的調(diào)節(jié)質(zhì)量并不夠好，還有很大的參數(shù)優(yōu)化空間。

有許多人看系統(tǒng)難以穩(wěn)定，就認為是控制策略的問題，就去修改控制策略。最終使得控制策略龐大臃腫。控制策略臃腫的不利后果有三個：

1、不利于檢查問題和整定參數(shù)，程序越復雜越不利；

2、容易出現(xiàn)編程錯誤甚至前后矛盾；

3、增加了系統(tǒng)負擔。DCS系統(tǒng)要求單機負荷率要低。DCS中，影響負荷率的最大因素就是模擬量運算。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模擬量運算最大。所以，臃腫的調(diào)節(jié)系統(tǒng)增加了系統(tǒng)負荷率。具體的論文就不說了。只說最近論壇上經(jīng)常對給水三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)表質(zhì)疑。我個人認為：給水三沖量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是很完善很完美的，你之所以覺得不夠好，是因為你沒有把參數(shù)整定好。如果你不認可，我給你整定，保證能讓你的系統(tǒng)在經(jīng)典的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)下，運行得很好。

所以能夠通過整定參數(shù)解決的問題，最好不通過控制策略來解決。所以，就要求我們廣大的自動調(diào)節(jié)工作者，在整定參數(shù)方面打好基本功。

我說過，我感到整定參數(shù)不僅僅是一門技術(shù)，而且像一門藝術(shù)。因為“藝無止境”。2-9 整定積分時間

前面咱們已經(jīng)說過，積分作用最容易被人誤解。一個初學者往往過分注重積分作用，一個整定好手往往又漠視積分作用。咱們先對初學者說怎么認識積分作用。

對于主調(diào)來說，主調(diào)的目的就是為了消除靜態(tài)偏差。如果能夠消除靜態(tài)偏差，積分作用就可以盡量的小。

在整定比例作用的時候，積分作用先取消。比例作用整定好的時候，就需要逐漸加強積分作用，直到消除靜差為止。

我們需要注意的是：一般情況下，如果比例參數(shù)設(shè)置不合理，那么靜差也往往難以消除。在沒有設(shè)置好比例作用的時候，初學者往往以為是積分作用不夠強，就一再加強比例作用，結(jié)果造成了積分的干擾。

那么積分作用設(shè)置多少合理？咱們還要拐回頭，看第2-5節(jié)。為了查看方便，我重新把圖5粘貼過來。

這個區(qū)域叫做積分拐點。

積分拐點這個概念很重要，輸出的拐點不能比積分拐點更靠后 為什么積分要這么弱？ 當被調(diào)量回調(diào)的時候（t5時刻），說明調(diào)節(jié)器讓執(zhí)行機構(gòu)發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用，此時調(diào)節(jié)機構(gòu)的開度足以控制被調(diào)量不會偏差更大，為了消除靜態(tài)偏差，可以保持這個開度，或者讓執(zhí)行機構(gòu)稍微繼續(xù)動作一點即可。如果此時被調(diào)量回調(diào)迅速，則說明執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)已經(jīng)過量，那么必須也要讓執(zhí)行機構(gòu)回調(diào)，執(zhí)行機構(gòu)的回調(diào)是怎樣產(chǎn)生的？是比例作用克服了積分作用而產(chǎn)生的，是比例和積分的疊加：Tout(δ)+Tout(i)。而此時Tout(δ)和Tout(i)所調(diào)節(jié)的方向是不一樣的，一個為正，一個為負。

從上面的敘述，我們還可以驗證前面的一個推理：積分作用和比例作用是相對的。當比例作用強的時候，積分也可以隨之增強；比例作用弱的時候，積分也必須隨之下調(diào)。積分作用只是輔助比例作用進行調(diào)節(jié)，它僅僅是為了消除靜態(tài)偏差。

還是那句話：搞自動的要善于靈活處理問題，一方面要把握原則，一方面要有靈活性。切不可因為剛才調(diào)好了積分作用，就把積分參數(shù)固定死再也不變了。積分作用設(shè)置的關(guān)鍵在于t6的位置，要記?。翰荒艹^積分拐點。

對于積分作用在特殊情況下的妙用，下一章會提到。咱現(xiàn)在還是牢牢掌握原則吧。2-10 整定微分作用

微分作用比較容易判斷，那就是PID輸出“毛刺”過多。

一般來說，微分作用包含兩個參數(shù)：微分增益和微分時間。實際微分環(huán)節(jié)在前面已經(jīng)說過。圖4就是實際應(yīng)用中的微分環(huán)節(jié)。

其實理想的微分環(huán)節(jié)并不是這樣的。當階躍擾動來臨的時候，理想微分環(huán)節(jié)帶來的調(diào)節(jié)輸出是無窮大的。如下圖所示：

理想微分環(huán)節(jié)

為了工程應(yīng)用方便，人們設(shè)計了實際微分環(huán)節(jié)。微分的目的許多人都知道：它具有超前調(diào)節(jié)的功能。

微分為什么具有超前調(diào)節(jié)作用？

1、波動來臨時，不管波動的幅度有多大，只要波動的速度夠大，調(diào)節(jié)器就會令輸出大幅度調(diào)整。也就是說，波動即將來臨的時候，波動的征兆就是被調(diào)量的曲線開始上升。對于比例和積分作用來說，開始上升不意味著大幅度調(diào)節(jié)；對于微分作用來說，開始上升就意味著調(diào)節(jié)進行了，因為“開始”的時候，如果速度上去了，輸出就可以有一個大幅度的調(diào)整。這是超前調(diào)節(jié)的作用之一。見圖6的T8時刻。

2、波動結(jié)束后，如果調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)合理，一般被調(diào)量經(jīng)過一個靜止期后，還會稍微回調(diào)一點。在被調(diào)量處于靜止期間，因為微分時間的作用，不等被調(diào)量回調(diào)，調(diào)節(jié)器首先回調(diào)。這是微分的超前作用之二。見圖6的T7時刻。

在微分增益增大的時候，一定要考慮到微分時間的調(diào)整。否則調(diào)節(jié)曲線上會有很多毛刺。毛刺直接影響到執(zhí)行機構(gòu)的頻繁動作，一般來說，它是有害的。

好的調(diào)節(jié)效果，往往在調(diào)節(jié)曲線上是看不到毛刺的。只可以在輸出曲線上看到一個突出的陡升或者陡降。

要合理利用微粉增益和微分時間的搭配，會取得很好的調(diào)節(jié)效果。有許多人牢牢記住了“微分的超前調(diào)節(jié)作用”，只要覺得系統(tǒng)不夠快，就會加微分。這是一種懶人的思維。系統(tǒng)快不快不能看表面現(xiàn)象，有許多系統(tǒng)往往是參數(shù)整定不好造成的震蕩。震蕩發(fā)生的時候，往往急得初學者恨不得馬上讓系統(tǒng)回調(diào)，不能馬上回調(diào)，就想到了微分。要記住：震蕩的產(chǎn)生可能與三個參數(shù)都有關(guān)。一定要認真判讀震蕩曲線的特征，分辨是那個因素造成的，然后對癥下藥才能夠抑制震蕩。

還有一些人不管三七二十一，把所有的系統(tǒng)都使用比例積分微分。比例積分可以都使用，但有些系統(tǒng)使用微分是不恰當?shù)摹Ｎ⒎值氖褂脳l件有：

1、被調(diào)量是水位、氣壓、風壓的調(diào)節(jié)系統(tǒng)不宜使用微分。它們本身的數(shù)值容易受各種因素影響，即使穩(wěn)定的系統(tǒng)，被調(diào)量也很難穩(wěn)定在一個數(shù)值。微分作用會因為被調(diào)量的小波動，使得輸出大幅度來回動作，形成干擾，而且對執(zhí)行機構(gòu)也不利；

2、被調(diào)量有微小擾動的時候，要先消除擾動再使用微分。

3、系統(tǒng)有大遲延的情況下應(yīng)使用微分。

微分作用是最容易判斷的。但是對于一個熟練整定PID參數(shù)的人來說，怎樣充分發(fā)揮微分參數(shù)的“超前調(diào)節(jié)”作用，并且不增加對系統(tǒng)有害的干擾，仍舊是一個需要長久思考的問題。有的系統(tǒng)把微分作用分出調(diào)節(jié)器以外。比如火電廠主汽溫度控制，許多廠家用了“微分導前調(diào)節(jié)”。所謂的“微分導前”，就是把微分分出調(diào)節(jié)器，專門對溫度前饋量進行微分運算，然后把運算的結(jié)果疊加到PID的輸出，去控制執(zhí)行機構(gòu)。

使用微分導前而不使用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有它特殊的地方。目前，許多人對于到底是用微分導前還是串級很迷惑，這個問題在下一章我們會講到。這里暫略不表。

2-11 比例積分微分綜合整定 一個精通參數(shù)整定的人，在具體草整定參數(shù)的時候，要熟悉系統(tǒng)工藝原理，更要熟悉系統(tǒng)操作。對待一個復雜系統(tǒng)如何操作的問題，整定參數(shù)的人甚至比專業(yè)的運行操作員更知道怎么操作，比他們更熟練的進行手工干擾。因為只有我們知道怎樣操作是正確的，才能夠知道PID發(fā)出的指令是否正確的，才能夠知道怎樣修改PID參數(shù)。另外，運行操作員往往抱著一種急切的心理，看到被調(diào)量偏差大，恨不得一下子調(diào)正常。心情可以理解，往往偏離了正常的調(diào)節(jié)方法。我們除了要整定參數(shù)外，有時候還要擔負運行操作講解員的責任。雖然在整體系統(tǒng)上我們不如他們，但是具體操作上，我們的理解有比他們強的地方?；ハ鄿贤ú拍芄餐M步，才能搞好系統(tǒng)。

同時，對于系統(tǒng)工藝操作的理解，對于實際發(fā)生的各種干擾問題，運行操作員又比我們更熟悉。所以，我們還要虛心向他們請教。系統(tǒng)發(fā)生了波動，到底是什么原因造成的？什么因素之干擾的主要因素？怎樣操作彌補？了解清楚之后，再加上我們的分析，才能得到最真實的資料。

我們要記?。簻贤ㄊ请p向的。切入正題，說說綜合整定。

假設(shè)有一個水池，上面一個進水管下面一個排水管。進水管的流量不大確定，有時候穩(wěn)定，有時候有波動。我們要調(diào)節(jié)排水閥的開度來調(diào)整水池水位。

如果水位高，我們要開排水閥放水。如果我們想要迅速平抑水位，那就要大開排水閥。大開排水閥造成水位急劇降低，這時候我們該怎么辦？水位急劇降低表明排水閥開過度了，也就是比例帶過小，水位急劇降低需要我們稍微關(guān)閉排水閥，否則水位按照目前降低的速度來看，有可能造成水位過低。那么，關(guān)閉排水閥屬于比例帶的調(diào)節(jié)作用。為什么？我們還記得么？比例作用趨勢圖的特征是：輸出曲線和被調(diào)量是相似形。我們這里調(diào)節(jié)器是正作用，那么水位急劇降低，我們的排水閥也應(yīng)該急劇關(guān)閉。

比例先生比較規(guī)矩，干事情循規(guī)蹈矩，他的行為準則是一切跟著偏差走。他總是看偏差的臉色行事，設(shè)定值不變的情況下，也就是看被調(diào)量的臉色了。被調(diào)量怎樣走，他就怎樣走，一點都不知道變通。太不浪漫了。

我們這個系統(tǒng)還有積分作用存在。積分女士比較自私，眼光也短，比例作用總說她不顧全大局。她說：我不管你什么大局小節(jié)，只要偏差存在我就要一直積下去。

問題出來了：水位急劇降低，需要稍微關(guān)閉排水閥才能抑制水位降低的速度，可是積分女士這時候因為偏差大，反而更加起勁的要開排水閥。頭疼！

作為調(diào)節(jié)器統(tǒng)攬全局的你該怎么辦？你要權(quán)衡兩者的作用。水位急劇降低，說明了比例過強，你要批評比例先生，讓他再謹慎點，讓比例帶大點。積分小姐也別得意，你也有問題。你的問題在于不顧大局，水位都恁低了你還要開，你的積分時間也要大點。

比例先生和積分小姐的意見一綜合疊加，決定：如果水位下降太慢，積分就再開點也無妨；如果下降得快，比例先生可要發(fā)揮作用；如果不算快也不算慢，兩個意見相加的結(jié)果抵消，喔，我也不知道該咋辦了，等形勢明朗了再決定，現(xiàn)在靜觀待變。

水位急劇下降，你決定讓排水閥稍微關(guān)閉，水位下降勢頭得到抑制，水位保持在低于設(shè)定值的位置不變了，遲遲看不到水位變化，怎么辦？

積分小姐，別矜持了，逐漸關(guān)閉些，一直等到水位達到目標才行。如果積分增益太小，你就需要增加積分增益了。積分小節(jié)慢吞吞的行使職責，這時候壞了！進水管突然搗蛋，進水閥門雖然沒有開，可是進水流量不知道為什么突然增加，眼看著水位蹭蹭蹭往上竄。急什么，比例，快點開，你要跟著水位的升高而升高。積分小姐也跟著使勁，因為這時候水位高于設(shè)定值了。

正當大家手忙腳亂的調(diào)整的時候，突然進水閥流量又減小了，水位又急著降低！急得比例積分滿頭大汗，那個亂??！一邊抱怨：都怪那個搗蛋鬼進水流量，他一直折騰我們！對??！我要監(jiān)視搗蛋鬼！把搗蛋鬼納入監(jiān)聽，只要他增加，排水閥別管比例積分說什么，只管開——哦不——在比例積分的面子還是要給的，在他們命令的基礎(chǔ)上再額外增加一個開度！瞧，前饋是個好辦法。

這時候我們的系統(tǒng)改變了，由一個司令部變成了兩個：串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)誕生了。還有人說不。為了精兵簡政，不要后面的司令部，后面弄個加法塊咋樣？ 前面的司令部不答應(yīng)，他不是不要權(quán)力，而是跟蹤讓他手忙腳亂。

跟蹤為了告訴司令部現(xiàn)在前方部隊——閥門開到什么位置了。在司令部休息的時候（手動狀態(tài)），司令部掌握前方部隊的位置，一旦司令部工作起來（自動狀態(tài)），司令部只要告訴前方部隊在現(xiàn)在的位置上增加或者減少多少就可以了。

可是因為司令部后面有個加法塊搗亂，司令部得到的始終是加后值。司令部由休息轉(zhuǎn)到工作的時候，就會出現(xiàn)工作失誤，一直循環(huán)疊加，會出問題的。所以還是要倆司令部的好。

那個誰，第二個司令部，就不給你配備女秘書了。你別管水位高低，不要無差調(diào)節(jié)，你要積分也沒啥用。

突然，前饋尖兵報告：等我知道消息已經(jīng)晚了，水量已經(jīng)大幅度波動了。這時候即使疊加了前饋調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)效果還是不明顯。要是能夠提前知道搗蛋鬼的動作就好了。前饋尖兵回答：進水管太孬了，前面幾十米彎彎曲曲，沒辦法設(shè)立監(jiān)聽站。怎么辦呢？

一旁有個詩人含酸帶醋的，幽幽的道：唉！漫漫長夜，悠悠我心。世無伯樂，沉吟至今?? 這個詩人叫做微分。抱歉，冷落微分很久了。

把微分放在前饋尖兵上，效果馬上好轉(zhuǎn)。因為詩人有點神經(jīng)質(zhì)，前饋沒有波動的時候他趴著不動彈，一有波動他馬上就跳起來，嚇得司令部趕緊進行調(diào)節(jié)，擾動得到了有效的遏制。調(diào)節(jié)效果好了，第一司令部有意見了。他說：給我施加點壓力吧，我要上進，后面那個司令部就取消了，好么？

可以取消了。因為我們看：微分這個詩人雖然浪漫，可是有點懶。前饋有變化的時候，他動作很積極，前饋不變的時候，他賴著不動了。

運行操作員在投自動的時候，都是系統(tǒng)穩(wěn)定的時候。這時候搗蛋鬼沒有搗蛋，微分詩人在發(fā)呆，前方司令部的跟蹤的結(jié)果就是排水閥的開度。

這時候如果取消第二司令部，用加法塊，完全可以。詩人打盹的時候，第一司令部的命令沒有被篡改。

恩，這就是微分導前調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

你一定對詩人刮目相看了吧？你想要微分發(fā)揮更大作用么？那你就給水位增加個微分試試？不行的。進水掉下來，砸到水池里，水位本來就上下波動，詩人這時候的神經(jīng)質(zhì)發(fā)作了，他讓你的司令部一刻不停的發(fā)布命令，讓排水閥忽關(guān)忽開。前敵執(zhí)行官排水閥叫林彪，他向司令部打報告：這是在走弓背路，亂指揮，我建議更換司令，讓有能力的人來干，否則我就罷工！

得！怪誰？怪你，怪你用人不當。自古哪有詩人當大任的？ 看明白了么？指揮可不簡單咧！2-12 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量指標

教科書里說的指標早就忘了，相關(guān)規(guī)定里面說的指標也沒工夫細看。根據(jù)我的經(jīng)驗，這幾個指標需要重視：

1、衰減率：大約為0.75最好。好的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用俗話說“一大一小兩個波”最好。用數(shù)學方法表示出來，就是合適的衰減率。

2、最大偏差：一個擾動來臨之后，經(jīng)過調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定后，被調(diào)量與設(shè)定值的最大偏差。一個整定好的穩(wěn)定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般第一個波動最大，因為“一大一小兩個波”，后面就趨于穩(wěn)定了。如果不能趨于穩(wěn)定，也就是說不是穩(wěn)態(tài)，那就談不上調(diào)節(jié)質(zhì)量，也就無所謂最大偏差了。

3、波動范圍：顧名思義，沒必要多說。實際運行中的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，擾動因素是不斷存在的，因而被調(diào)量是不斷波動著的，所以波動范圍基本要達到一個區(qū)間。

4、執(zhí)行機構(gòu)動作次數(shù)。動作次數(shù)決定了執(zhí)行機構(gòu)的壽命。這里說的執(zhí)行機構(gòu)不光包括執(zhí)行器，還包括調(diào)節(jié)閥門。執(zhí)行機構(gòu)頻繁動作不光損壞執(zhí)行器，還會讓閥門線性惡化。下一節(jié)會更加詳細的予以說明。

5、穩(wěn)定時間：階躍擾動后，被調(diào)量回到穩(wěn)態(tài)所需要的時間。穩(wěn)定時間決定了系統(tǒng)抑制干擾偶的速度。

1、執(zhí)行機構(gòu)動作次數(shù)： 執(zhí)行機構(gòu)動作次數(shù)不能過頻，過頻則容易燒壞電機。動作次數(shù)與比例積分微分作用都有關(guān)系。一般來說，合適的比例帶使得系統(tǒng)波動較小，調(diào)節(jié)器的輸出波動也就小，執(zhí)行器波動也少；積分的章節(jié)已經(jīng)說過：如果輸入偏差不為零，積分作用就會讓輸出一直向一個方向積下去。積分過強的話，會讓執(zhí)行器一次只動作一點，但是頻繁地一點點向一個方向動作；微分作用會讓執(zhí)行器反復波動。

一般來說，國產(chǎn)DKJ系列的執(zhí)行器的電機耐堵轉(zhuǎn)特性較好，其它性能不一。電機在剛得電動作的時候，電流大約是正常運轉(zhuǎn)電流的5-10倍。電機頻繁動作很容易升溫，從而燒壞電機。另外對執(zhí)行機構(gòu)的傳動部件也有較大磨損。

一般來說，不管對于直行程還是角行程，對于國產(chǎn)還是進口，對于智能還是簡單的執(zhí)行器，動作次數(shù)不大于10次/分鐘。對于一些進口執(zhí)行器，尤其是日本的，次數(shù)還要減少。對于執(zhí)行機構(gòu)是變頻調(diào)節(jié)的（這里是說純變頻調(diào)節(jié)，而不是指執(zhí)行機構(gòu)采用變頻電機），可以讓參數(shù)快點，因為變頻器始終處于運行狀態(tài)。需要注意的是，變頻器轉(zhuǎn)速線性不能太陡，否則變頻器輸出電流大幅度變化，影響變頻壽命。

2、PID死區(qū)問題：

為了減少執(zhí)行器動作次數(shù)，一般都對PID調(diào)節(jié)器設(shè)置個死區(qū)。在±死區(qū)內(nèi)，都認為輸入偏差為0。當超過死區(qū)后，輸入偏差才從0開始計算。死區(qū)可以有效減少執(zhí)行器的動作次數(shù)。但是死區(qū)過大的話又帶來了新的問題：調(diào)節(jié)精度降低，對于一般的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不要求調(diào)節(jié)精度過高，精度高意義也不大。

提高死區(qū)降低精度的同時，也會降低調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性。因為它造成了調(diào)節(jié)滯后。這一點不大容易被人理解。附圖8表明了死區(qū)過帶大來的調(diào)節(jié)滯后。

圖8：前半部分是死區(qū)過大帶來調(diào)節(jié)滯后，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。后半部分降低了死區(qū)，調(diào)節(jié)效果馬上有了大幅度的好轉(zhuǎn)。

對于串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主調(diào)的死區(qū)可以降低甚至取消。設(shè)置副調(diào)的死區(qū)就可以降低執(zhí)行機構(gòu)的動作次數(shù)了。

3、裕度問題：

調(diào)節(jié)系統(tǒng)要有一個合適的調(diào)節(jié)裕度。如果執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)常處于關(guān)閉或者開滿狀態(tài)，那么調(diào)節(jié)裕度就很小，調(diào)節(jié)質(zhì)量就受到影響。一般來說——都無數(shù)個“一般來說”了，誰讓現(xiàn)場情況復雜，咱們不能把話說絕了呢——閥門在80%以上，流量已經(jīng)達到最大，所以執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)常開度在80%也可以說裕度減小了。

這里所說的閥門，包括了各種調(diào)節(jié)工質(zhì)流量的機構(gòu)，包括閥門、泵的調(diào)速部分等。在第三章中，咱們專門要說一下執(zhí)行機構(gòu)的種類。

4、通流量問題： 調(diào)節(jié)閥門的孔徑都是經(jīng)過嚴格計算的。不過也存在計算失誤的時候。通流量過大，執(zhí)行機構(gòu)稍微動作一點就可能發(fā)生超調(diào)；反之執(zhí)行機構(gòu)大幅度動作還不能抑制干擾。所以這個問題也是個重要問題。如果通流量不合適，有些系統(tǒng)甚至不可能穩(wěn)定運行。

圖9表明了通流量過小，輸出波動較大，系統(tǒng)難以達到理想穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象。

5、空行程問題

在一定的開度內(nèi)，調(diào)節(jié)器輸出有變化，執(zhí)行器也動作了，可是閥門流量沒變化，這屬于空行程問題?？招谐逃惺菆?zhí)行其產(chǎn)生的，也有法門產(chǎn)生的。一般的機構(gòu)都存在這個問題?？招谐桃话愣急容^小，可以忽略?？墒侨绻^大，就不得不要重視這個問題了。

解決空行程的辦法有很多，一般都在DCS內(nèi)完成。當然，如果執(zhí)行器和閥門能夠解決的，要以硬件解決為主。

6、線性問題

一般來說閥門開度與流量的關(guān)系都成平滑的線性關(guān)系。這些線性關(guān)系包括直線型、等百分比型、拋物線型等。如果閥門使用時間長，或者閥門受到損傷，線性就會改變。線性問題可以有多種解決辦法，既有參數(shù)整定的，也有控制策略的。當然最根本的解決辦法在于對線性惡化的治理。如果是比較貴重的調(diào)速泵線性惡化，難以治理更換，那只好從調(diào)節(jié)系統(tǒng)尋找解決辦法了。

還有個在火電廠中普遍存在的問題：減溫水調(diào)節(jié)閥的線性惡化。這基本上是個頑疾。因為減溫水調(diào)節(jié)閥動作頻繁，經(jīng)常在完全關(guān)閉和打開之間反復波動，相當多的電廠減溫水閥門線性都很不好，而且還伴隨著空行程偏大。兩個問題加起來，給自動調(diào)節(jié)帶來很大的困難。在第三章中，咱們要專門談到，怎么從自動方面解決線性惡化問題。

7、耦合問題

一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)或者執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)，對另一個系統(tǒng)產(chǎn)生干擾互相干擾，或者是兩個調(diào)節(jié)系統(tǒng)間互為干擾，產(chǎn)生直接耦合。解耦的辦法是先整定主動干擾的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，再整定被動系統(tǒng)。也可以在主動干擾的輸出乘以一個系數(shù)，作為被動干擾的前饋。

還有一種間接耦合。這個現(xiàn)象在協(xié)調(diào)控制中比較明顯：負荷與汽壓的關(guān)系是互為耦合。解決問題的辦法有兩種：一種是互為修正前饋，這個解決辦法的應(yīng)用比較普遍，效果不是太好；更有效的辦法是整定參數(shù)，效果要比前者優(yōu)越得多，抗干擾能力也很大，可惜擅長此道的人太少。如果有人有這方面的意愿，可以找我聯(lián)系。

上述的七個問題，真正能夠解決的不多。除下第三、四條無法用參數(shù)解決只能用參數(shù)緩解以外，其它問題都可以通過控制策略、甚至僅僅靠整定參數(shù)就可以解決。我說句這句話真正相信的人不多，可是我就是這樣解決的。衡量一個人整定參數(shù)的水平就是看能不能解決復雜問題。舉個例子：

我公司鍋爐蒸發(fā)量430噸/小時。我們的給水執(zhí)行器平均每2分鐘動作1次。

一次發(fā)生意外，左側(cè)主汽門突然關(guān)閉，蒸汽流量瞬間下降100噸/小時，負荷由130MW下降到80mw，蒸汽壓力下降1MPa。而汽包水位自動沒有退出，波動范圍是-49mm~73mm，設(shè)定值是39mm。而我們的控制策略就是很簡單很普遍的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，沒有做任何修改。圖8是當時的調(diào)節(jié)效果截圖：

圖9：主汽流量大干擾下的汽包水位波動曲線

所以，我始終認為：國內(nèi)目前的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，參數(shù)整定的空間相當大。如果這方面有想法的，可以聯(lián)系我，歡迎交流。2-14 整定參數(shù)的幾個認識誤區(qū)

1、對微分的認識誤區(qū)

認為微分就是超前調(diào)節(jié)，如果被調(diào)量或者測量值有滯后，就要加微分。微分是有超前調(diào)節(jié)的功能，但是微分作用有些地方不能用：測量值存在不間斷的微小波動的時候。尤其是水位、氣壓測量，波動始終存在，我們一直在考慮濾波呢，再加個微分，就會造成調(diào)節(jié)干擾。不如不要微分。

2、對積分的認識誤區(qū) 有些人發(fā)現(xiàn)偏差就要調(diào)積分，偏差存在有可能是系統(tǒng)調(diào)節(jié)緩慢，比例作用也有可能影響，如果積分作用蓋過了比例作用，那么這個系統(tǒng)就很難穩(wěn)定。

咱們上面說過：初學者容易強調(diào)積分作用，熟練者容易忽略積分作用。不再贅述。

3、對耦合系統(tǒng)中，超前調(diào)節(jié)的認識誤區(qū)

對于耦合系統(tǒng)，不管初學者熟練者都容易考慮一個捷徑：增加前饋調(diào)節(jié)。這個問題甚至搞自動控制的老手都容易犯，畢竟捷徑誰都想走。比如眾所周知的協(xié)調(diào)控制，經(jīng)典控制法中，就有負荷和汽壓互為前饋的控制策略設(shè)計。這個方法也不為錯，但是更普適更好的方法是一種整定參數(shù)的思想，參數(shù)設(shè)置合理的話這個前饋畫蛇添足。要積極探討各種控制辦法。

4、反饋過強

復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，前饋信號和反饋信號過強的話，會造成系統(tǒng)震蕩，所以調(diào)解過程中不僅僅要注意PID參數(shù)，還要注意反饋參數(shù)。

尤其在汽包水位三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，蒸汽流量和給水流量的信號都要經(jīng)過系數(shù)處理。有些未經(jīng)處理的系統(tǒng)，在負荷波動的時候，就要退掉自動，否則會發(fā)生震蕩的危險。

5、死搬標準，強調(diào)個別指標

教科書里，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要關(guān)注的指標有很多。這些指標都有助于自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定。但是自動好不好，不要硬套指標。最應(yīng)關(guān)注的有兩個指標：被調(diào)量波動范圍、執(zhí)行機構(gòu)動作次數(shù)，其他都不是最必要的。

曾經(jīng)有一次，我?guī)椭粋€電廠整定自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？煲Y(jié)束的時候，對方專工說：按照國家制定的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)試標準，在多大干擾的情況下，系統(tǒng)恢復穩(wěn)定的時間要小于若干分鐘。我說按照這個標準，調(diào)節(jié)系統(tǒng)可能會發(fā)生震蕩。對方說震蕩沒關(guān)系，只要能達到國家標準就可以。我重新整定系統(tǒng)后完全可以達到這個標準，可是再強調(diào)系統(tǒng)存在震蕩的可能——大干擾情況下難以穩(wěn)定——半個月后，這個參數(shù)下，該執(zhí)行器燒壞。

6、改變設(shè)定值以抑制超調(diào)

頻繁改變設(shè)定值是干擾自動調(diào)節(jié)。尤其減溫水系統(tǒng)，沒有必要依靠改變設(shè)定值來抑制超調(diào)。那么什么情況下，需要人為干擾呢？

在系統(tǒng)輸出長時間最大或者最小的時候，說明達到了積分飽和，需要退出系統(tǒng)，然后再投即可。

頻繁改變設(shè)定值是干擾自動調(diào)節(jié)

7、主調(diào)快還是副調(diào)快？因系統(tǒng)而定，因參數(shù)而定。常規(guī)參數(shù)：主調(diào)的比例弱，積分強，以消除靜差；副調(diào)的比例強，積分弱，以消除干擾。不絕對。2-15 趨勢讀定法整定口訣

我發(fā)現(xiàn)大家都對口訣很鐘情。為了讓大家用起來熟練，我也弄個口訣： 自動調(diào)節(jié)并不難，復雜系統(tǒng)化簡單。整定要練硬功夫，圖形特征看熟練。趨勢讀定三要素：設(shè)定被調(diào)和輸出。三個曲線放一起，然后曲線能判讀。

積分微分先去掉，死區(qū)暫時也不要。比例曲線最簡單，被調(diào)、輸出一般般。頂點谷底同時刻，升降同時同拐點。波動周期都一樣，靜態(tài)偏差沒法辦。比例從弱漸調(diào)強，階躍響應(yīng)記時間。時間放大十來倍，調(diào)節(jié)周期約在內(nèi)。然后比例再加強，沒有周期才算對。

靜差消除靠積分，能消靜差就算穩(wěn)。不管被調(diào)升或降，輸出只管偏差存。輸入偏差等于零，輸出才會不積分。積分不可加太強，干擾調(diào)節(jié)成擾因。被調(diào)拐點零點間，輸出拐點仔細辨，積分拐點再靠前，既消靜差又不亂。

（積分拐點——第2-9節(jié)整定積分時間里面講過，被調(diào)量回調(diào)的拐點，與被調(diào)量回調(diào)到設(shè)定值的點，兩個點的時刻相減，乘以三分之一，這一點叫做積分拐點。）

微分分辨最容易，輸入偏差多注意。偏差不動微分死，偏差一動就積極。跳動之后自動回，微分時間管回歸。系統(tǒng)若有大延遲，微分超前最適宜。風壓水位易波動，微分作用要丟棄。比例積分和微分，曲線判讀特征真。如果不會看曲線，多看杖策行吟文 綜合比較靈活用，盛極而衰來扼殺因 2-16 其它先進自動控制方式

在PID調(diào)節(jié)誕生后，取得了很好的應(yīng)用效果。PID調(diào)節(jié)迅速普及。但是，現(xiàn)實總是復雜的。它不像牛頓三大運動定律一樣，一旦發(fā)布，就會看到手邊所有的物質(zhì)都遵循這個規(guī)律——除非你用顯微鏡才可得到的微觀世界，和用望遠鏡才能看清楚的宏觀星際。牛頓只是發(fā)現(xiàn)了他們活動的普遍規(guī)律。自動控制可不是這么簡單，工程應(yīng)用中，總會冒出各種各樣的問題。我也不敢說，在電廠什么系統(tǒng)我都能快速解決。我只可以說能夠在較短時間內(nèi)總結(jié)出規(guī)律，然后想辦法克服。

為了適應(yīng)各種復雜情況，自動調(diào)節(jié)的先驅(qū)們也在不斷的總結(jié)經(jīng)驗，不斷的探索。

1985年，1月，國際電氣與電子工程師學會（IEEE）在美國紐約召開了第一節(jié)智能控制學術(shù)會議，討論的主題是：智能控制的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一般來說，這個會議，標志著現(xiàn)代控制理論的形成。

會議至今將近25年了，某些理論還在探索發(fā)展階段，有的理論已經(jīng)應(yīng)用。

自從維納創(chuàng)立控制論以后，自動調(diào)節(jié)理論經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段——經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。而所謂的經(jīng)典和現(xiàn)代的劃分也不是完全不變的?，F(xiàn)在所普遍應(yīng)用的自動調(diào)節(jié)，已經(jīng)在你不知道的時候的地方，加入了一些現(xiàn)代控制的理念和方法。有些現(xiàn)代控制理論已經(jīng)“隨風潛入夜，潤物細無聲”了。

比如最初，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)都算是“先進控制法”咧?，F(xiàn)在應(yīng)用得很稀松了，也就取消了他的“先進”稱號。

還有前饋，這些都不說了。同志們都在前進，這都算是普通帶平常了。還有如在PID的輸入進行平方運算、smith預估算法等等，方法很多，沒用過，不敢置評。以上這些都是在PID控制法下面的改進，不算是有全新的控制思想。下面介紹全新的控制思想：

2-17 先進控制思想

科學發(fā)展現(xiàn)在這個水平，有許多方法或者產(chǎn)品，我們明明白白感受到了科技的力量。比如計算機、手機，比如自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展過程中，我們往往感受不到他發(fā)展的速度。因為我們身在其中啊。有些所謂先進的控制思想，早就應(yīng)用到我們生產(chǎn)實踐中了。比如說吧，離散控制。名字聽著似乎很時髦很先進。它的本質(zhì)就是讓調(diào)節(jié)器的輸出不是一個固定的量。偏差變化了，調(diào)節(jié)器該怎么調(diào)節(jié)？調(diào)節(jié)器的最直接的輸出不是直接發(fā)出一個開度的量，而是發(fā)出一個在上一時刻的開度下改變多少的量。

打個比方：水位測量范圍是50~150mm，比例帶為100，第一個周期檢測到水位是100mm，此時排水閥假設(shè)開度為50%。第二個檢測周期內(nèi)，調(diào)節(jié)器檢測到當水位升高到101mm，此時調(diào)節(jié)器的輸出為：

T（out）= 50+(101-100)1/δ

投自動之前，調(diào)節(jié)器輸出始終跟蹤閥門開度。自打投自動的那一刻起，那一刻的閥門開度被記錄，以后下一時刻運算的值，在被記錄的值上累加，以后每一時刻都是累加上一時刻的值。應(yīng)該說，現(xiàn)在所有的DCS都采用了這個方法。下面要認真介紹幾個先進控制思想：

一、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

這個系統(tǒng)表述起來比較麻煩。也有人叫它神經(jīng)元控制。他的成長也經(jīng)歷過波折。20世紀40年代心理學家Mcculloch和數(shù)學家Pitts提出了形式神經(jīng)元的數(shù)學模型，后來不斷補充完善。1969年他遭受了一個打擊：兩個數(shù)學家從數(shù)學上證明它有很大的局限性，甚至可以說是無解的。一下子弄得研究人員灰頭土腦的，都沒精神了。研究停頓下來。1982年有人用“能量函數(shù)”的概念拯救了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。一直到現(xiàn)在，該思想方法不斷取得進展。從上面的情況來看，有人說數(shù)學是一切學科的工具，這句話真不假。各種先進控制法從誕生到發(fā)展，都離不開數(shù)學的影子?？稍蹅兯v的經(jīng)典控制PID控制法，似乎與數(shù)學無關(guān)吧？不是的，息息相關(guān)。經(jīng)典控制法其實完全離不開數(shù)學模型，本文前面之所以沒有很多數(shù)學的影子，是因為咱們是在別人建立模型的基礎(chǔ)之上的應(yīng)用。包括下一章所要討論的電廠各個實際自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，都離不開當初數(shù)學模型的建立或者指導。還有些情況下，我們能夠給控制策略進行修改添加，能否成功，數(shù)學上都能夠找到依據(jù)。

總的來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是模擬生物感知控制。它將每個信號進行加權(quán)運算和小信號切除后，進行層運算，最終多路輸出。并行計算、分步信息儲存、容錯能力強是它突出的優(yōu)點。這東西在工程控制上的應(yīng)用，有多大好處不好說，咱沒有具體實踐過。為了克服它的缺點，后來又產(chǎn)生了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。簡言之，雜交優(yōu)勢在工程上也是比較明顯的。

二、模糊控制

在前面咱們提到過，騎自行車是模糊控制。什么叫做模糊控制呢？

PID調(diào)節(jié)是精確調(diào)節(jié)，它清楚地知道調(diào)節(jié)的目標（設(shè)定值），和下達命令的大小（執(zhí)行機構(gòu)開度）。對于有些系統(tǒng)來說是很必要的。比如火電廠主汽溫度調(diào)節(jié)，我們需要盡可能高的溫度，以提高蒸汽的做功能力，增加熱效率；同時又不讓蒸汽溫度過高，蒸汽溫度過高管道就會變軟，耐壓就會降低，專業(yè)名詞叫做產(chǎn)生“高溫蠕變”。為了兼顧經(jīng)濟性和安全性，咱們可以精確的給蒸汽溫度一個設(shè)定值，盡力讓溫度保持在這個設(shè)定值周圍。如果自動調(diào)節(jié)不好用，溫度波動大，設(shè)定值就要降低，防止溫度過高；如果自動調(diào)節(jié)效果好，設(shè)定值可以適當提高。所以，此類系統(tǒng)的設(shè)定值可以精確些。而有的系統(tǒng)不是這樣的。比如水位控制，高一點低一點都無所謂，誤差幾十毫米對系統(tǒng)影響不大。可是對于傳統(tǒng)的PID控制，必須要有一個明確的設(shè)定值，超出設(shè)定值的波動都要進行調(diào)節(jié)。這樣就產(chǎn)生了調(diào)節(jié)浪費。還有的系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)可以緩慢調(diào)節(jié)，超出一定范圍的時候需要急劇調(diào)節(jié)，這些問題，傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)有它不太擅長的地方。模糊控制就是專門針對這種情況設(shè)計的。

模糊控制誕生于1965年。創(chuàng)始人是美國的扎德教授（L.A.Zadeh）。老外把模糊控制叫做Fuzzy，最初咱們國家翻譯的時候，根據(jù)音譯也有人叫“乏晰控制”——缺乏明晰的控制。咱上高中時候?qū)W的集合論為模糊控制奠定了基礎(chǔ)。一聽集合論大家就應(yīng)該明白一些東西，模糊控制就是人為地把采集到的清晰的數(shù)據(jù)模糊集合化，把控制目標模糊集合化，最終再把模糊化的東西清晰化去實現(xiàn)控制。夠費勁吧？實際中的模糊控制策略確實夠費勁的。在上世紀90年代的時候，我自己根據(jù)模糊控制的原理編輯了一個低加水位控制程序?；痣姀S熱控的人員都知道，低加水位控制應(yīng)該算是最簡單的控制了。我把水位模糊化為安全區(qū)、調(diào)節(jié)區(qū)、危險區(qū)三個區(qū)域，又把水位波動的趨勢模糊化為緩慢、中速、急劇三個層次，再把輸出調(diào)節(jié)劃分為細調(diào)、勻調(diào)、大幅度調(diào)節(jié)三個階段，經(jīng)過復雜的調(diào)節(jié)策略，最終實現(xiàn)了模糊控制。水位不高不低的時候，不調(diào)節(jié)；水位小波動也不調(diào)節(jié)；水位快速波動的時候快速調(diào)節(jié)；急劇波動的時候急劇調(diào)節(jié)。

正當我在欣賞自己的成績的時候，突然發(fā)現(xiàn)：一個PID調(diào)節(jié)中，再簡單不過的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用模糊控制就需要至少7個參數(shù)，串級系統(tǒng)需要十幾個參數(shù)，控制策略又這么復雜，還不把人給累死?。∵@個參數(shù)是我自己整出來的，估計每個人整出來的也會不一樣。但是有一點是相同的：控制策略很復雜，調(diào)節(jié)參數(shù)又多。

因為模糊控制對精細調(diào)節(jié)的優(yōu)勢不明顯，后來又誕生了模糊+PID控制，精細的區(qū)域用PID調(diào)節(jié)，之外用模糊——繞了一個大彎，又回到了PID。當初??.如果說它對危險區(qū)域（大幅度偏離設(shè)定值）的控制有優(yōu)點的話，那么前面咱們提過的PID輸入偏差加平方運算似乎也可以達到這個目的。

恩，模糊控制有它的優(yōu)點，可是它的缺點也太明顯了。控制策略很復雜。2-18再說智能控制

可能是上面模糊控制的表述太簡單了，有些人對我的表述有異議。那么咱就進一步說一下： 很簡單常用的一個例子：假如一個人頭上一根頭發(fā)都沒有，那么，毫無疑問他是一個禿子。如果這個人頭上只有一根頭發(fā)，我們?nèi)耘f可以堅決的認為他是禿子。如果有兩根呢？三根呢？哪怕有十根也是。我們就這么不斷問下去，有100根呢？??有1000根呢？如果你沒有不耐煩的話，我相信你的底氣開始不夠充足了。

那么到底有多少根頭發(fā)才不算禿子？低于多少根不是禿子？沒有人知道。我們的數(shù)學很難告訴我們這個問題。

模糊數(shù)學建立起來后，這個問題開始被重視了。

假如說我們的頭發(fā)大約有五十萬根吧，那么至少30萬根的時候，他還不是禿子。我們可以設(shè)定一個界限：30萬根不是禿子。他有三十萬根頭發(fā)的時候，是禿子的可能性為0。如果他有299999根頭發(fā)的時候，是禿子的可能性為1/30萬。這時候不管從現(xiàn)實中還是從數(shù)學上，他仍舊不是禿子。當這個可能性增加到10%左右的時候，我們會有點模糊的描述：那個人，頭發(fā)有點稀；當這個可能性增加到20%左右的時候，我們會說他頭發(fā)微微有點禿；隨著可能性的增加，說他禿的人也在增加，模糊的表述也越來越少。當這個可能性增加到90%左右的時候，我們就可以說他禿了，雖然還有頭發(fā)，不多。

模糊數(shù)學就是這樣，他把一個系統(tǒng)集合化。制定一個規(guī)則，然后判斷符合這個規(guī)則的相似度。我們騎自行車，目標值是一條路，而不是一條直線。只要在安全范圍，我們的控制就不需要大腦干預調(diào)節(jié)，而只需要穩(wěn)定平衡。我們的目標只是一個模糊的范圍。模糊控制要把被調(diào)量模糊化，但不需要過細地判斷相似度。拿一個水池水位來說，我們可以制定一個規(guī)則，把水位分為超高、高、較高、中、較低、低、超低幾個區(qū)段；再把水位波動的趨勢分為甚快、快、較快、慢、停幾個區(qū)段，并區(qū)分趨勢的正負；把輸出分為超大幅度、大幅度、較大幅度、微小幾個區(qū)段。當水位處于中值、趨勢處于停頓的時候，不調(diào)節(jié)；當水位處于中值、趨勢緩慢變化的時候，也可以暫不調(diào)節(jié)；當水位處于較高、趨勢緩慢變化的時候，輸出一個微小調(diào)節(jié)兩就夠了；當水位處于中值、趨勢較快變化的時候，輸出進行叫大幅度調(diào)節(jié)??

如上所述，我們需要制定一個控制規(guī)則表，然后制定參數(shù)判斷水位區(qū)段的界值、波動趨勢的界值、輸出幅度的界值。

通過上面的描述我們可以看出，模糊控制的優(yōu)點在于：

1、不需要精確的數(shù)學模型，只要合理的制定規(guī)則就可以了；

2、如果規(guī)則和參數(shù)制定合理，那么系統(tǒng)具有小偏差和靜差根據(jù)情況靈活調(diào)節(jié)、大偏差快速調(diào)節(jié)的效果。比單純的PID調(diào)節(jié)反應(yīng)靈活且快速；

3、執(zhí)行機構(gòu)要么不動，要么一下子調(diào)節(jié)到位。模糊控制的復雜在于：

1、規(guī)則的制定要占用較大的精力；

2、參數(shù)（界值）過多，整定起來較為復雜；

3、雖然不需要精確的數(shù)學模型，但是我們在制定規(guī)則的時候，還要對系統(tǒng)相當?shù)氖煜ぃ朗裁辞闆r下怎么調(diào)節(jié)。

上面僅僅是一個簡單的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如果讓我們來制定減溫水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的規(guī)則，那么系統(tǒng)規(guī)則會變得更復雜，參數(shù)也會更多；制定一個三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)就更龐大。如果再加上與PID控制的結(jié)合，系統(tǒng)就顯得臃腫了。2-19 自動調(diào)節(jié)漫談

科學和工程研究是無極限的。我上面的敘述僅僅是二十世紀九十年代的控制發(fā)展，后來的控制不光綜合了PID，還有自學習功能的研究?，F(xiàn)在自學習功能的調(diào)節(jié)器發(fā)展很快。今年我參加一個自動化會議的時候，就有公司推廣他們的外掛PID參數(shù)整定和自學習系統(tǒng)了。

自動調(diào)節(jié)的發(fā)展歷程，不光是數(shù)學、生物、電子、工程、測量等科學和技術(shù)的發(fā)展，還是一個仿生技術(shù)的發(fā)展。尤其是二十世紀末期，仿生學日益被重視。人們在研究自動控制的時候，也不斷的研究參考仿生原理，取得了不可忽視的成果。前面所說的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制就是仿生學成就之一。

我們的自動調(diào)節(jié)取得了巨大成就，可以說，在工程控制領(lǐng)域，幾乎“無所不控”。但是我們的自動調(diào)節(jié)還有很長的路需要走。舉個簡單的例子：騎自行車就是一個很復雜很高超的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它不僅僅包含了模糊控制和PID控制原理，還包含了自學習、變參數(shù)的方法。并且在一些復雜場所，甚至新環(huán)境下，還包含了改變控制策略、改變控制方法、自動檢查控制策略和參數(shù)的功能。

比如我們騎自行車。雖然說目標值是一個模糊的范圍，屬于模糊控制?？墒俏覀冞€要做到讓自行車不倒，就需要我們時刻調(diào)節(jié)雙手的平衡。目標值的修改用大腦，雙手調(diào)節(jié)平衡屬于條件反射，用脊髓神經(jīng)。

當我們騎車調(diào)節(jié)平衡的時候，大腦不去干涉。當雙手調(diào)節(jié)平衡出現(xiàn)問題，或者路況突然改變，我們的大腦就要接管條件反射，進行干預調(diào)節(jié)。在干預調(diào)節(jié)的同時，我們的條件反射并不完全解除控制，而是大腦一邊思考控制策略是否需要修改，一邊考慮已經(jīng)固化到脊髓神經(jīng)的PID參數(shù)是否需要整定，一邊還依賴條件反射進行微調(diào)。當這個復雜路況反復走過，大腦制定了新的控制策略、熟悉了新的PID參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)新的東西能夠適應(yīng)這個路況后，反復走幾次這個路，這個新的控制方式就被固化到脊髓神經(jīng)，從而也變成了條件反射，再走這條路，基本不用大腦干預了。

從上面對騎自行車的控制的敘述我們可以發(fā)現(xiàn)：對于仿生學來說，我們的工程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)還顯得太簡單。至少對一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，我們的研究還不能做到自動確認到底多大的參數(shù)能夠穩(wěn)定運行。上海一個教授叫張衛(wèi)東，他曾經(jīng)發(fā)表一篇論文，闡述了對于一個系統(tǒng)采用多大范圍的參數(shù)可以讓系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

以前看一個文章，說我國某研究機構(gòu)研究多自由度的平衡問題。比如手指上直立一根筷子，移動手指讓筷子不倒，這也是一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)。那個研究機構(gòu)可以做到在二維空間內(nèi)（即左右方向上）再疊加一個筷子，讓筷子不倒。這就是一個更高級的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。前些日子南方一個大學生就跟我探討過倒立擺的控制問題，估計就是那項研究的簡單應(yīng)用。

通過看電視新聞，我很贊嘆日本的自動調(diào)節(jié)水平。他們的機器人可以直立行走做復雜的動作，我認為這里面同樣也反映了日本自動調(diào)節(jié)的發(fā)展水平。

2000年的時候，美國的Nature一期雜志上，報道了美國麻省理工學院和杜克大學的科學家，利用猴腦遙控指揮1000多公里以外的機器人運行的研究成果。下圖就是這項試驗的示意圖： 他們研究了猴子的大腦活動規(guī)律，對猴子的大腦幾個區(qū)域進行重點研究。它們把電極分別植入兩個猴子的大腦里，其中在一只猴子腦部的6個區(qū)域植入了96個電極，在另一只猴子大腦的2個區(qū)域植入了32個電極。電極通過導線傳輸信號，經(jīng)過處理后，控制兩個機器人運動。

電腦研究了大腦是如何控制肢體動作的，識別出腦部神經(jīng)指揮肢體動作的模式，然后把這些模式轉(zhuǎn)換為指令。實驗結(jié)果表明：機器人的手臂活動基本與猴子的肢體活動一致。只是植入電極多的猴子，“指揮”機器人的手臂動作要更好一點。

通過此項研究，我們可以看到人類掌握動物大腦活動規(guī)律的研究深度。

對于將來的系統(tǒng)調(diào)節(jié)，我還設(shè)想：把最簡單的成熟的調(diào)節(jié)系統(tǒng)固化起來，我們只考慮復雜和意外情況下怎樣修改策略，怎樣整定參數(shù)。就好像一個社會，復雜情況下領(lǐng)導只考慮制定策略，越往基層，做的事情越繁雜；正常情況下，領(lǐng)導只做選擇題。

我相信：在若干年后的將來，像我們這些專門維護調(diào)節(jié)系統(tǒng)整定參數(shù)的人將會失業(yè)，或著干別的事情。因為將來的自動調(diào)節(jié)已經(jīng)發(fā)展到相當完備，一切電腦都可以幫我們解決了。這一天終將到來，否則機器人的高級智慧只能是空想。終將有一天，我們?nèi)四X能夠做到的事情，電腦必將也能夠做到。我們?nèi)四X所做的都是選擇題：面對新的情況我們選擇哪種策略。這一切，很可惜，與我們無緣。無論是研究還是應(yīng)用。要實現(xiàn)這一切，跟自動發(fā)展的歷程一樣，需要無數(shù)科學家的心血。

回到現(xiàn)實。

05年的時候，我見到了自動專家張鼎燕老師。向他請教當前眼花繚亂的先進控制的優(yōu)缺點。他說先進控制，尤其是模糊控制，日本研究比較好，應(yīng)用的也多。他曾經(jīng)跟一個日本控制專家討論：模糊控制和傳統(tǒng)控制比起來，優(yōu)越性是PID不可替代的么？日本專家回答：最終還是離不開傳統(tǒng)的PID控制的。2-20 電腦作詩機

人們在進行科學研究的時候，總是不斷返躬自身。一直以來，仿生學和人工智能的發(fā)展始終被科學家們占領(lǐng)著指引著，普通的人們很難對科學有什么特殊的貢獻。終于，這個傳統(tǒng)被打破了。

我認為，電腦作詩機可以算是平民對仿生學和人工智能的一大挑戰(zhàn)?？茖W家們對仿生學和人工智能的貢獻一直是在科學領(lǐng)域的，而電腦作詩機則把仿生學和人工智能推向了美學領(lǐng)域。當網(wǎng)絡(luò)在中國突然興起的時候，一大群詩詞愛好者突然發(fā)現(xiàn)了一個極其理想的交流陣地：QQ聊天室。通過QQ聊天室，廣大的詩詞愛好者們互相交流，互相促進，可以說：騰訊聊天室對中國的古典文學平民化普及工作作出了卓越的貢獻。

其中，有個善于鉆研程序的詩詞愛好者，用電腦做出了詩詞。這個人的網(wǎng)名叫做：稻香老農(nóng)。稻香老農(nóng)把詩詞的格律全部按照一定的程式程序化，并且還把韻譜、唐宋詩詞經(jīng)常出現(xiàn)的字詞一起程序化，然后把所有收集的詞句分感情類化為程序。當你要作詩的時候，先選擇體裁，你是要做七言絕句呢，還是要做五言律詩，或者是要做那個詞牌的詞。然后再選擇韻腳、句式，然后再選擇主題。最終電腦根據(jù)你選擇的題材主題，做出詩來。

這個程序是嚴格按照格律和韻府作詩，所以做出的詩念起來很有韻味。只是你只要稍作推敲，就會發(fā)現(xiàn)其意向、邏輯很有問題的。

但是不管怎樣，我們從中看到了古典詩詞的美?，F(xiàn)在把我用電腦作詩機做的幾首詩奉獻給大家：

《君莫思歸》

莫學香來兩鬢霜，孤梅又向門前望。縈回鄉(xiāng)思煙霞麗，迢遞歲陰印綬光。丹詔西林明劍戟，清風南陌見牛羊。朝來十日年光盡，再鼓清琴春調(diào)長。

水調(diào)歌頭·歸航

秋氣頻回首，空翠五十年。風涼欲夢更少，水寒壽如山。

柳岸又疊葦霧，漫道休說絕色，清夜照嬋娟。江闊誦奇句，日暖獻公前?？醇t葉，想白馬，叩長安。滿屋蒙塵，歌詠不比桅燈前。

幾度鶯聲欲破，檀板閑敲一段，不是渚邊煙。仿佛坐來久，珠淚彤云邊。

《自動化》

法日蒲輪去似流，垂陰蜀地長悠悠。影分踴塔誰為掃，聲合穿廊自看修。采掇吟看新落葉，馨香醉聽最高樓。閑居水澹光風轉(zhuǎn)，萬世尋常秉燭游。

《自動化》

杳靄宮商伴老身，回丹盡室動人神。多君使我殷勤醉，競歷秋齋與廟鄰。《自動》

退避芳容鎖澹愁，施朱暗淡一簾秋。久為散漫遮三徑，自到輕明謝九州。秋色嚴城先訪戴，寒潮華屋暫依劉。香羅個字赍秦本，醉眼敧斜灞水流。

《調(diào)節(jié)》

準擬巡檐雨意長，山田出沒繞通塘。離憂報道交回燭，處士舟還及歲芳。

為了試試作詩機的能力，我還輸入了控制、反饋等詞作為主題。結(jié)果是：“存在20%的詞匯無法生成正確的關(guān)聯(lián)。您可以返回再試幾次。”

電腦作詩機目前僅僅被詩詞愛好者作為一個新奇的玩意兒?？墒俏艺J為：這是仿生學和人工智能，在美學領(lǐng)域的一個有趣有意義的嘗試。也許有一天，我們會重新審視它的作用的。下面我給出稻香老農(nóng)的電腦作詩機鏈接，有興趣的可以去看看： http://004km.cn

PID調(diào)節(jié)方法表述這么的簡單，應(yīng)用范圍這么的廣，調(diào)節(jié)效果又非常的好，她幾乎深入到了工程控制的犄角旮旯，目前沒有任何一種方法可以完全替代它。她又是那么的迷人，她的臉龐誰都能看到，似乎觸手可及，真要觸摸一下卻需要你費盡心機；她的思想一目了然，真要深刻領(lǐng)會卻需要你去仔細研究探討。她深邃的眼神在看著你，你想擁有她么？你想了解她思想么？只要得到了她，在工程控制領(lǐng)域你幾乎可以所向披靡。她是小姑娘，她的心思需要你耐心的琢磨；她是女神，她有著深刻的魅力；她是電腦游戲，可以吸引著你離不開她；她是通向成功控制的加權(quán)值，加權(quán)值等于??你想要多少？ 自動控制算法的學習筆記（PID控制）

2011-05-19 08:10 1.PID調(diào)試步驟

沒有一種控制算法比PID調(diào)節(jié)規(guī)律更有效、更方便的了?，F(xiàn)在一些時髦點的調(diào)節(jié)器基本源自PID。甚至可以這樣說：PID調(diào)節(jié)器是其它控制調(diào)節(jié)算法的基礎(chǔ)。

為什么PID應(yīng)用如此廣泛、又長久不衰？

因為PID解決了自動控制理論所要解決的最基本問題，既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，可實現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時，在PID調(diào)節(jié)器中引入積分項，系統(tǒng)增加了一個零積點，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。

由于自動控制系統(tǒng)被控對象的千差萬別，PID的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求。這就給使用者帶來相當?shù)穆闊?，特別是對初學者。下面簡單介紹一下調(diào)試PID參數(shù)的一般步驟：

1．負反饋

自動控制理論也被稱為負反饋控制理論。首先檢查系統(tǒng)接線，確定系統(tǒng)的反饋為負反饋。例如電機調(diào)速系統(tǒng)，輸入信號為正，要求電機正轉(zhuǎn)時，反饋信號也為正（PID算法時，誤差=輸入-反饋），同時電機轉(zhuǎn)速越高，反饋信號越大。其余系統(tǒng)同此方法。

2．PID調(diào)試一般原則

a.在輸出不振蕩時，增大比例增益P。

b.在輸出不振蕩時，減小積分時間常數(shù)Ti。

c.在輸出不振蕩時，增大微分時間常數(shù)Td。

3．一般步驟

a.確定比例增益P

確定比例增益P 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數(shù)設(shè)定說明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。

b.確定積分時間常數(shù)Ti

比例增益P確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設(shè)定PID的積分時間常數(shù)Ti為當前值的150%~180%。積分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。

c.確定積分時間常數(shù)Td

積分時間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。

d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對PID參數(shù)進行微調(diào)，直至滿足要求。

2.PID控制簡介

目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構(gòu)﹑輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機構(gòu)﹐加到被控系統(tǒng)上﹔控制系統(tǒng)的被控量﹐經(jīng)過傳感器﹐變送器﹐通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)﹐其傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠程控制功能。

1、開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。

2、閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋(Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3、階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的﹔準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差﹔快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時間來定量描述。

4、PID控制的原理和特點

在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。因為有誤差,積分調(diào)節(jié)就進行,直至無差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti,Ti越小,積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率,具有預見性,能預見偏差變化的趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用,因此過強的加微分調(diào)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分反應(yīng)的是變化率,而當輸入沒有變化時,微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合,組成PD或PID控制器。

5、PID控制器的參數(shù)整定

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作﹔(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期﹔(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

3.PID控制器參數(shù)的工程整定,各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中PID參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)以下可參照：

溫度T: P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s 壓力P: P=30~70%,T=24~180s, 液位L: P=20~80%,T=60~300s, 流量L: P=40~100%,T=6~60s。

4.PID常用口訣：

參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 先是比例后積分，最后再把微分加 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 曲線偏離回復慢，積分時間往下降 曲線波動周期長，積分時間再加長 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來 動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長 理想曲線兩個波，前高后低4比1 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低

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很多兄弟姐妹來問關(guān)于PID控制器的情況，偶就結(jié)合自己的理解，盡可能淺顯的講述一下PID控制的概念和如何設(shè)計一個簡單的PID控制器的設(shè)計。其目的就是有興趣朋友們可以跟這個設(shè)計一個簡單的PID控制器

所謂的控制首先分有反饋控制和無反饋控制，我們當然討論的PID當然是有反饋控制了。所謂的有反饋控制無非是要根據(jù)被控量的情況參與運算來決定操縱量的大小或者方向，那么到底如何根據(jù)被控兩來決定操縱量的大小呢，唉，這就有很多分類了，所謂的高級的控制方式也就是“高級”在這個節(jié)骨眼上，有什么“自適應(yīng)控制、模糊控制、預測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家智能控制”等等（至于到底這些控制方式有什么優(yōu)點，唉，我只用過PID，別的也說不清楚，去抄書的話也沒有說服力，關(guān)鍵是也懶的去抄。那位老弟如果要作論文，可以在這里發(fā)揮一下，資料到處都是）。但是就目前而言，在工業(yè)控制領(lǐng)域尤其是控制系統(tǒng)的底層，PID控制算法仍然獨霸鰲頭，占領(lǐng)著80％左右的市場份額，當然，這里所說的PID控制算法不是俠義上的固定PID，現(xiàn)在不是講究多學科融合嗎？人們在PID控制規(guī)律中吸取了其他“高級”的控制規(guī)律的優(yōu)點，出現(xiàn)了諸多的新穎的控制器如自校正PID、專家自適應(yīng)PID、預估PID、模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、非線性 PID等新型PID控制器。至于所謂的變種的PID算法如什么“遇限削弱微分”微分先行，積分分離“bangbang+PID”等等，已經(jīng)不算是什么高級的控制方式了作控制器的廠商大多都會或多等等或少的采取一些，至于是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID,模糊PID，自適應(yīng)PID是如何實現(xiàn)的，我所知道的就是利用對應(yīng)的控制算法，適時的調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。還是舉個例子吧。傳統(tǒng)PID的算法公式是：

⊿U(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+Kie(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)] U(n)=⊿U(n)+U(n-1)e(n),e(n-1), e(n-2)就是歷史上的三個設(shè)定值跟過程值之間的偏差了。

這是一個增量式的PID算式（如果有誰不明白什么式增量是算式，呵呵，可能以后會提到，偶的寫作水平有限，不會組織內(nèi)容，再說我是想到哪，寫道哪,呵呵，見涼）。所謂的新型PID控制器，就是根據(jù)e(n)的不同，利用那些先進的控制規(guī)律來適當?shù)恼{(diào)整Kp,Ki,Ke。至于怎么調(diào)整，呵呵，這就太羅嗦了，也不是這篇內(nèi)容所該介紹的，（關(guān)鍵是我也不太清楚，呵呵，見笑），需要這些功能的大俠應(yīng)該是我的前輩，還請指教喲。好了，現(xiàn)在正式介紹一下所謂的PID各個參數(shù)吧。

所謂的PID大家在大學期間都應(yīng)該學過，就是比例（P）、積分（I）、微分（D）。

比例控制：就是對偏差進行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。但單純的比例控制存在靜差不能消除的缺點。這里就需要積分控制。

積分控制：實質(zhì)上就是對偏差累積進行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。簡單來說就是把偏差積累起來，一起算總帳。

微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢,可在誤差信號出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用,有利于提高輸出響應(yīng)的快速性,減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲,降低系統(tǒng)的信噪比,從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)慎用微分控制，尤其是當你開始作實驗時，不防將微分控制項去掉，看看行不行，呵呵，不行?。窟€是看看別的地方吧，肯定行的。

行了，這三個參數(shù)說明白了，再來說說怎么確定這幾個參數(shù)的數(shù)值吧。這幾個參數(shù)的確定比較先進的方式是自整定，但是如果是開始涉及這部分還是先不要講了，按照經(jīng)驗值吧。估計大家用來控制溫度比較多。大家按照這個規(guī)律來選吧。Kp=100/P Ki= kp*T/I Kd= kp*D/T 分別介紹一下各個參數(shù)的意義：

T：計算周期，就是各多少時間計算一次

⊿U(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+Kie(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)],單位是秒。一般1秒或者0.5秒甚至5秒都行。P:比例帶 I：積分時間 D：微分時間

P、I、D跟kp,ki,kd有什么關(guān)系呢？ Kp=100/P, Ki=kp*T/I Kd=kp*D/T 然后就可以計算

⊿U(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+Kie(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)] 算出來⊿U(n)之后再怎么辦呢？怎么把這一個數(shù)據(jù)跟控制輸出聯(lián)系在一起呢?說道這里我們先說說PID控制方式大體都有那些？

其一為線形連續(xù)PID輸出，也就是說，PID運算的結(jié)果以模擬電壓，電流或者可控硅導通角的形式按比例輸出。

其二為時間－比例PID輸出，也就是說，事先定一個時間長度，T1，然后PID運算的結(jié)果就在控制周期內(nèi)以O(shè)N－OFF的形式輸出出來，比如你控制一個爐子的溫度，用電熱絲來加熱，就可以控制電熱絲的一個控制周期內(nèi)通電占整個控制周期的比例來實現(xiàn)，電路上可以用繼電器或者過零觸發(fā)的方式來切斷或者接通電熱絲供電。

起三為位置比例PID，PID運算的結(jié)果主要是對應(yīng)于調(diào)節(jié)閥的閥門開度。

再回到前面，我們以第二種控制方式為例，計算出⊿U(n)后，一般首先將其歸一化，也就是說除以你所要控制的溫度的量程。⊿U(n)0_1＝⊿U(n)/(hh-ll)而時間比例PID輸出對應(yīng)的是“位置式PID運算”的結(jié)果 所以呢，我們要講結(jié)果累積起來，U(n)0_1＋＝⊿U(n)0_1

然后將次結(jié)果換算成對應(yīng)于控制周期的占空比。來輸出

PID控制的原理和特點

PID參數(shù)整定

2010-01-27 12:26:06| 分類： PLC控制部分 | 標簽： |字號大中小 訂閱

PID全稱比例（proportion）-積分（integral）-微分（derivative）控制器，是自動控制系統(tǒng)設(shè)計中最經(jīng)典應(yīng)用最廣泛的一種控制器，實際上是一種算法。

任何閉環(huán)的控制系統(tǒng)都有它固有的特性，可以有很多種數(shù)學形式來描述它，如微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間方程等。但這樣的系統(tǒng)如果不做任何的系統(tǒng)改造很難達到最佳的控制效果，比如快速性穩(wěn)定性準確性等。為了達到最佳的控制效果，我們在閉環(huán)系統(tǒng)的中間加入PID控制器，改造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，并且調(diào)整PID參數(shù)來實現(xiàn)（雖然算法有很多種，但最經(jīng)典的還是PID）。

PID算法本身就有很多種結(jié)構(gòu)，但歸根到底離不了P、I、D三個參數(shù)。我們在這里不討論具體的算法怎么實現(xiàn)、怎么編寫，我們只想以最通俗的說法讓大家知道按照什么樣的原則去調(diào)整這三個參數(shù)達到最佳控制效果。

任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要任務(wù)是要穩(wěn)（穩(wěn)定）、快（快速）、準（準確）的響應(yīng)命令。PID調(diào)整的主要工作就是如何實現(xiàn)這一任務(wù)。以下是個人對PID調(diào)整的一點經(jīng)驗和想法。

增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現(xiàn)，過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它能對穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進行誤差修整，減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設(shè)置得當?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動態(tài)誤差減小。綜上所述，P---比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，快速作用于輸出，好比“現(xiàn)在”（現(xiàn)在就起作用，快），I---積分控制系統(tǒng)的準確性，消除過去的累積誤差，好比“過去”（清除過去積怨，回到準確軌道），D---微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前控制作用，好比“未來”（放眼未來，未雨綢繆，穩(wěn)定才能發(fā)展）。當然這個結(jié)論也不可一概而論，只是想讓初學者更加快速的理解PID的作用。

在調(diào)整的時候，你所要做的任務(wù)就是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許的情況下，在這三個參數(shù)之間權(quán)衡調(diào)整，達到最佳控制效果，實現(xiàn)穩(wěn)快準的控制特點。

PID參數(shù)的整定：

第二篇：PID控制小結(jié)

PID控制小結(jié)

在PID參數(shù)進行整定時如果能夠有理論的方法確定PID參數(shù)當然是最理想的方法，但是在實際的應(yīng)用中，更多的是通過湊試法來確定PID的參數(shù)。

增大比例系數(shù)P一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時間I有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。

增大微分時間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。在湊試時，可參考以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)調(diào)整實行先比例、后積分，再微分的整定步驟。

PID控制原理：

1、比例（P）控制 ：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

2、積分（I）控制 ：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

3、微分（D）控制 ：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。PID控制器參數(shù)整定的一般方法：

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：

一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改； 二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。

現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

PID參數(shù)的設(shè)定：是靠經(jīng)驗及工藝的熟悉，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線，從而調(diào)整P、I、D的大小。書上的常用口訣：

參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查； 先是比例后積分，最后再把微分加； 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大； 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳； 曲線偏離回復慢，積分時間往下降； 曲線波動周期長，積分時間再加長； 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來； 動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長； 理想曲線兩個波，前高后低4比1； 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。

個人認為PID參數(shù)的設(shè)置的大小，一方面是要根據(jù)控制對象的具體情況而定；另一方面是經(jīng)驗。P是解決幅值震蕩，P大了會出現(xiàn)幅值震蕩的幅度大，但震蕩頻率小，系統(tǒng)達到穩(wěn)定時間長；I是解決動作響應(yīng)的速度快慢的，I大了響應(yīng)速度慢，反之則快；D是消除靜態(tài)誤差的，一般D設(shè)置都比較小，而且對系統(tǒng)影響比較小。PID參數(shù)怎樣調(diào)整最佳（1）整定比例控制

將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)

若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。

先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)

若經(jīng)過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。

第三篇：PID控制學習筆記整理

一、PID控制原理

1．綜述：

PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(t)與實際輸出值yout(t)構(gòu)成控制方案：

e(t)?rin(t)?yout(t)

重點關(guān)注相關(guān)算法是如何對偏差進行處理的。

?1tde(t)?u(t)?kp?e(t)??e(t)dt?TD?0Tdt?1???U(s)1?G(s)??kp?1??TDs??E(s)T1s?? PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

比例環(huán)節(jié)： 成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。

積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)T,T越大，積分作用越弱，反之則越強。

微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。2．PID控制算法分類 2.1、位置式PID控制算法

按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即：

??t?kT(k?0,1,2,3??)?kk?t??0e(t)dt?T?e(j)?T?e(j)j?0j?0??de(t)e(kT)?e((k?1)T)e(k)?e(k?1)???TT?dt

可得離散表達式：

Tu(k)?kp(e(k)?T1kTDe(j)?(e(k)?e(k?1)))?Tj?0ke(k)?e(k?1)?kpe(k)?ki?e(j)T?kdTj?0式中，Ki=Kp/Ti, Kd=KpTd, T為采樣周期，K為采樣序號，k=1, 2, ……, e(k-1)和e(k)分別為第(k-1)和第k時刻所得的偏差信號。位置式PID控制系統(tǒng)

算法流程：

本方法可實現(xiàn)D/A及A/D的功能，符合數(shù)字實時控制的真實情況，計算機及DSP的實時PID控制都屬于這種情況。

2.2、增量式PID控制算法

當執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動步進電機）時，應(yīng)采用增量式PID控制。根據(jù)遞推原理可得：

u(k?1)?kp(e(k?1)?ki?e(j)?kd(e(k?1)?e(k?2)))j?0k?1

增量式PID的算法：

?u(k)?u(k)?u(k?1)

?u(k)?kp(e(k)?e(k?1))?kie(k)?kd(e(k)?2e(k?1)?e(k?2))2.3、積分分離PID控制算法

在普通PID控制中，引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差，提高控制精度。但在過程的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差,會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過執(zhí)行機構(gòu)可能允許的最大動作范圍對應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)中是絕對不允許的。

積分分離控制基本思路是，當被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當被控量接近給定量時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度

具體實現(xiàn)的步驟是：

1、根據(jù)實際情況，人為設(shè)定閾值ε＞0；

2、當∣e(k)∣＞ε時，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；

3、當∣e(k)∣≤ε時，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。

<體現(xiàn)的思想就是分段控制> 積分分離控制算法可表示為：

u(k)?kpe(k)??ki?e(j)T?kd(e(k)?e(k?1))/Tj?0k

式中，T為采樣時間，β項為積分項的開關(guān)系數(shù)

?1??0其算法流程：

e(k)??e(k)??

2.4、抗積分飽和PID控制算法

積分飽和現(xiàn)象

所謂積分飽和現(xiàn)象是指若系統(tǒng)存在一個方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大，從而導致u(k)達到極限位置。此后若控制器輸出繼續(xù)增大，u(k)也不會再增大，即系統(tǒng)輸出超出正常運行范圍而進入了飽和區(qū)。一旦出現(xiàn)反向偏差，u(k)逐漸從飽和區(qū)退出。

進入飽和區(qū)愈深則退飽和時間愈長。此段時間內(nèi)，系統(tǒng)就像失去控制。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象。

執(zhí)行機構(gòu)飽和特性

抗積分飽和算法

在計算u(k)時，首先判斷上一時刻的控制量u(k-1)是否己超出限制范圍。若超出，則只累加負偏差；若未超出，則按普通PID算法進行調(diào)節(jié)。

這種算法可以避免控制量長時間停留在飽和區(qū)。2.5、梯形積分PID控制算法

在PID控制律中積分項的作用是消除余差，為了減小余差，應(yīng)提高積分項的運算精度，為此，可將矩形積分改為梯形積分。

梯形積分的計算公式為：

dt?e(t)0t??i?0ke(i)?e(i?1)2T

2.6、變速積分PID控制算法

變速積分的基本思想是，設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應(yīng)：偏差越大，積分越慢；反之則越快，有利于提高系統(tǒng)品質(zhì)。

設(shè)置系數(shù)f(e(k))，它是e(k)的函數(shù)。當∣e(k)∣增大時，f減小，反之增大。變速積分的PID積分項表達式為：

?k?1?ui(k)?ki??e(i)?f?e(k)?e(k)?T?i?0?

系數(shù)f與偏差當前值∣e(k)∣的關(guān)系可以是線性的或是非線性的，例如，可設(shè)為：

?1??A?e(k)?Bf?e(k)??A??0?變速積分PID算法為：

e(k)?BB?e(k)?A?B

e(k)?A?B

?k?1?u(k)?kpe(k)?ki??e(i)?f?e(k)?e(k)??T?kd?e(k)?e(k?1)??i?0?

這種算法對A、B兩參數(shù)的要求不精確，參數(shù)整定較容易

2.7、不完全微分PID控制算法

在PID控制中，微分信號的引入可改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但也易引進高頻干擾，在誤差擾動突變時尤其顯出微分項的不足。若在控制算法中加入低通濾波器，則可使系統(tǒng)性能得到改善

不完全微分PID的結(jié)構(gòu)如下圖。左圖將低通濾波器直接加在微分環(huán)節(jié)上，右圖是將低通濾波器加在整個PID控制器之后

不完全微分算法：

uD(k)?KD(1?a)(e(k)?e(k?1))??uD(k?1)

KD?kp?TD/Ts??TfTs?TfTs為采樣時間，Ti和Td為積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)，Tf為濾波器系數(shù)

2.8、微分先行PID控制算法

微分先行PID控制的特點是只對輸出量yout(k)進行微分，而對給定值rin(k)不進行微分。這樣，在改變給定值時，輸出不會改變，而被控量的變化通常是比較緩和的。這種輸出量先行微分控制適用于給定值rin(k)頻繁升降的場合，可以避免給定值升降時引起系統(tǒng)振蕩，從而明顯地改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性

結(jié)構(gòu)圖如下：

2.9、帶死區(qū)的PID控制算法

在計算機控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制作用過于頻繁，消除由于頻繁動作所引起的振蕩，可采用帶死區(qū)的PID控制算法，控制算式為：

0

0

式中，e(k)為位置跟蹤偏差，e0是一個可調(diào)參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)實際控制對象由實驗確定。若e0值太小，會使控制動作過于頻繁，達不到穩(wěn)定被控對象的目的；若e0太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后

控制算法流程：

?0e(k)???e(k)e(k)?ee(k)?e

注：<我們電子設(shè)計競賽里，在簡易倒立擺控制裝置中就采用了帶死區(qū)的PID控制算法，當時并不知道這個名稱，這也就是在現(xiàn)場測試的時候為什么老師會問我們擺能夠保持倒立靜止不動，而不是靠左右抖動來控制平衡，就是因為我在里面設(shè)置了死區(qū)：好像是5度的角度> 仿真測試例程和圖像見參考文檔《先進PID控制及其MATLAB仿真》

3．PID控制體會（2013·12·17）

具體接觸到實際中的應(yīng)用有過兩次的體會：

一是利用數(shù)字PID控制算法調(diào)節(jié)直流電機的速度，方案是采用光電開關(guān)來獲得電機的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈沖信號，單片機（MSP430G2553）通過測量脈沖信號的頻率來計算電機的轉(zhuǎn)速（具體測量頻率的算法是采用直接測量法，定時1s測量脈沖有多少個，本身的測量誤差可以有0.5轉(zhuǎn)加減），測量的轉(zhuǎn)速同給定的轉(zhuǎn)速進行比較產(chǎn)生誤差信號，來產(chǎn)生控制信號，控制信號是通過PWM調(diào)整占空比也就是調(diào)整輸出模擬電壓來控制的（相當于1位的DA，如果用10位的DA來進行模擬調(diào)整呢？效果會不會好很多？），這個實驗控制能力有一定的范圍，只能在30轉(zhuǎn)/秒和150轉(zhuǎn)/秒之間進行控制，當給定值（程序中給定的速度）高于150時，實際速度只能保持在150轉(zhuǎn)，這也就是此系統(tǒng)的最大控制能力，當給定值低于30轉(zhuǎn)時，直流電機轉(zhuǎn)軸實際是不轉(zhuǎn)動的，但由于誤差值過大，轉(zhuǎn)速會迅速變高，然后又會停止轉(zhuǎn)動，就這樣循環(huán)往復，不能達到控制效果。根據(jù)實測，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度在正負3轉(zhuǎn)以內(nèi)，控制時間為4到5秒。實驗只進行到這種程度，思考和分析也只停留在這種深度。

二是利用數(shù)字PID控制算法調(diào)節(jié)直流減速電機的位置，方案是采用與電機同軸轉(zhuǎn)動的精密電位器來測量電機轉(zhuǎn)動的位置和角度，通過測量得到的角度和位置與給定的位置進行比較產(chǎn)生誤差信號，然后位置誤差信號通過一定關(guān)系（此關(guān)系純屬根據(jù)想象和實驗現(xiàn)象來擬定和改善的）轉(zhuǎn)換成PWM信號，作為控制信號的PWM信號是先產(chǎn)生對直流減速電機的模擬電壓U，U來控制直流減速電機的力矩（不太清楚），力矩產(chǎn)生加速度，加速度產(chǎn)生速度，速度改變位置，輸出量是位置信號，所以之間應(yīng)該對直流減速電機進行系統(tǒng)建模分析，仿真出直流減速電機的近似系統(tǒng)傳遞函數(shù)，然后根據(jù)此函數(shù)便可以對PID的參數(shù)進行整定了。

兩次體會都不是特別清楚PID參數(shù)是如何整定的，沒有特別清晰的理論指導和實驗步驟，對結(jié)果的整理和分析也不夠及時，導致實驗深度和程度都不能達到理想效果。

以后的學習要保持咬定青山不放松的勁頭，不把一件事情弄透徹絕不放手！PID控制的學習可以繼續(xù)進行，看看如何通過仿真來更加深入的理解其過程。然后趁著于立佳學長正在進行這項工作，我可以等待他把調(diào)節(jié)更加深入之后來求教。

**********************************************2013年12月17日星期二

第四篇：關(guān)于西門子S7-200 PID編程學習心得

關(guān)于西門子S7-200 PID編程學習心得

1.注意區(qū)分輸入端接的是電壓信號還是電流信號；輸出端是電流信號還是電壓信號。在模擬模塊上不同信號下的接線方式。

2.了解信號輸入元件相關(guān)資料：

如使用溫度變送器，要了解溫度變送器測量范圍，如0～100℃；輸出電流范圍4～20mA；分度號是什么，如PT100；接線原理圖等。相關(guān)輸入元件；輸出元件在模擬模塊上的接線方式。其他如工程要求的精度是多少等。

3.關(guān)于PID設(shè)定值(VD204)確認：

假定我們將控制溫度定位23.5℃；以單極性為例，首先應(yīng)確定輸入信號是0～10V電壓信號還是4～20mA電流信號？，這在PID設(shè)定值中非常重要。如是0～10V電壓輸入信號對應(yīng)0～32000，溫度范圍0～100℃，設(shè)定值為可直接算出: VD204=23.5/（100-0）=0.235；

若是電流4～20mA，其對應(yīng)數(shù)值應(yīng)為6400～32000，溫度范圍0～100℃，則設(shè)定值應(yīng)為0.388。

原因：模擬模塊中0～32000對應(yīng)0～20mA；其中6400～32000對應(yīng)4～20mA對應(yīng)0～100℃；這就必須進行相關(guān)的計算，23.5℃電流計算方式：

（20-4）：（100-0）=（X-4）:23.5;解方程：X=7.76(mA)。設(shè)定值：VD204=7.76/20=0.388.4.關(guān)于PID輸出值(VD208)確認：

以單極性為例，應(yīng)確定輸出信號是0～10V電壓信號還是4～20mA電流信號對應(yīng)著0～32000？

若是輸出信號AQW0對應(yīng)電壓信號，比如0～10V，則 AQW0=（實數(shù)VD208*32000在轉(zhuǎn)化成整數(shù)）即可； 若是輸出信號AQW0對應(yīng)電流信號，比如4～20 mA，則 AQW0=（實數(shù)VD208*32000在轉(zhuǎn)化成整數(shù)+6400）。5.關(guān)于PID恒溫控制實際： 通過上機實驗可知：PID恒溫控制是圍繞著設(shè)定值進行調(diào)節(jié)的。若設(shè)定溫度為23.5℃；當溫度低于設(shè)定值時，加溫蒸汽調(diào)節(jié)閥始終處于全部打開狀態(tài)，；當溫度達到23.5℃，加溫用的蒸汽調(diào)節(jié)閥開始逐漸關(guān)閉，在關(guān)閉過程中，溫度有可能仍在漸漸上升，溫度偏離越大，關(guān)閉速度越快；知道全部關(guān)閉為止；當溫度再次低于設(shè)定值時，加溫蒸汽調(diào)節(jié)閥則會逐漸打開，打開速度取決于溫度偏離值的大小，偏離越大，打開速度越快；直到溫度再次達到設(shè)定值。若溫度長時間未達到設(shè)定值，調(diào)節(jié)功能會將調(diào)節(jié)閥全部打開，這就是我所觀察到的PID恒溫控制情況。所以，我們可以根據(jù)實控情況進行必要的編程，有效的利用低于設(shè)定值時PID控制時段；切斷高于設(shè)定值部分的PID控制，在溫度高于設(shè)定值后，即可根據(jù)生產(chǎn)要求干脆部分或全部關(guān)閉加溫閥。以防溫度上升過高。來求得優(yōu)越的溫控效果。

西門子SIEMENS S7-200CPU PID控

制圖解之二

點擊數(shù)：103 發(fā)布時間：2009年9月27日 來源：

常問問題

1做完 PID 向?qū)Ш?，如何知道向?qū)е性O(shè)定值，過程值及 PID 等參數(shù)所用的地址？

?做完 PID 向?qū)Ш罂稍?Symbol Table（符號表）中，查看 PID 向?qū)傻姆柋?上例中為 PID0_SYM)，可看到各參數(shù)所用的詳細地址，及數(shù)值范圍。

?在 Data Block（數(shù)據(jù)塊）中，查看 PID 指令回路表的相關(guān)參數(shù)。如圖所示：

圖 12.PID 數(shù)據(jù)塊

2、做完 PID 向?qū)Ш?，如何在調(diào)試中修改 PID 參數(shù)？

可以在 Status Chart（狀態(tài)表）中，輸入相應(yīng)的參數(shù)地址，然后在線寫入用戶需要的 PID 參數(shù)數(shù)值，這樣用戶就可根據(jù)工藝需要隨時對 PID 參數(shù)、設(shè)定值等進行調(diào)整。

3、PID 已經(jīng)調(diào)整合適，如何正式確定參數(shù)？

可以在 Data Block（數(shù)據(jù)塊）中直接寫入?yún)?shù)。

4、做完 PID 向?qū)Ш螅芊癫榭?PID 生成的子程序，中斷程序？

PID 向?qū)傻淖映绦?，中斷程序用戶是無法看到的，也不能對其進行修改。沒有密碼能夠打開這些子程序，一般的應(yīng)用也沒有必要打開查看。

5、PID 參數(shù)有經(jīng)驗值嗎？

每一個項目的 PID 參數(shù)都不一樣，沒有經(jīng)驗參數(shù)，只能現(xiàn)場調(diào)試獲得。

6、我的 PID 向?qū)傻某绦驗楹尾粓?zhí)行？

?必須保證用 SM0.0 無條件調(diào)用 PID0_INIT 程序

?在程序的其它部分不要再使用 SMB34 定時中斷，也不要對 SMB34 賦值

7、如何實現(xiàn) PID 反作用調(diào)節(jié)？

在有些控制中需要 PID 反作用調(diào)節(jié)。例如：在夏天控制空調(diào)制冷時，若反饋溫度（過

程值）低于設(shè)定溫度，需要關(guān)閥，減小輸出控制（減少冷水流量等），這就是 PID 反

作用調(diào)節(jié)（在 PID 正作用中若過程值小于設(shè)定值，則需要增大輸出控制）。

若想實現(xiàn) PID 反作用調(diào)節(jié)，需要把 PID 回路的增益設(shè)為負數(shù)。對于增益為 0 的積分或

微分控制來說，如果指定積分時間、微分時間為負值，則是反作用回路。

8、如何根據(jù)工藝要求有選擇地投入 PID 功能？

可使用“手動/自動”切換的功能。PID 向?qū)傻?PID 功能塊只能使用 SM0.0 的條件 調(diào)用。

PID Wizard 中的給定－反饋設(shè)置

完成 PID Wizard 組態(tài)后，會為每個 PID 回路生成一個子程序 PIDx_INIT（x = 01.0 之間的實

數(shù)，而可以是實際的反饋地址，或是其他變量。例如，PV_I 可以是模擬量輸入地址

AIW0，也可以是存儲器地址 VW100 等；Setpoint 則往往來自 V 變量存儲區(qū)，這樣可以

從人機操作界面（HMI）設(shè)備輸入給定值。注意：對于 PID 控制系統(tǒng)來說，必須保證給定與過程反饋的一致性： ?給定與反饋的物理意義一致

這取決于被控制的對象，如果是壓力，則給定也必須對應(yīng)于壓力值；如果是溫度，則 給定也必須對應(yīng)于溫度。?給定與反饋的數(shù)值范圍對應(yīng)

如果給定直接是攝氏溫度值，則反饋必須是對應(yīng)的攝氏溫度值；如果反饋直接使用模

擬量輸入的對應(yīng)數(shù)值，則給定也必須向反饋的數(shù)值范圍換算。如果給定與反饋的換算有特定的比例關(guān)系也可以。如給定也可以表示為以反饋的數(shù)值 范圍的百分比數(shù)值。

給定與反饋的數(shù)值具體是什么數(shù)值，其取值范圍究竟如何，完全取決于我們在使用

“PID 向?qū)А本幊虝r指定的給定與反饋的數(shù)值范圍。其中，反饋量的數(shù)值范圍不能隨

便自己定義，而要取決于具體應(yīng)用的模擬量輸入模塊。圖 2.在圖中 a.處設(shè)置給定范圍 圖 3.在圖中 b.處設(shè)置反饋范圍

假定一個 PID 控制系統(tǒng)的控制對象是壓力，反饋元件的測量范圍為 020mA（或 41200.0 °C。則

可按如下設(shè)置給定的范圍。

表 2.在上面的例子中，反饋和給定可以按照如下方法設(shè)置

圖 4.反饋范圍設(shè)置

圖 5 給定范圍設(shè)置

PID 自整定

新的 S7-200 CPU 支持 PID 自整定功能，在 STEP 7-Micro/WIN V4.0 中也添加了 PID 調(diào) 節(jié)控制面板。

用戶可以使用用戶程序或 PID 調(diào)節(jié)控制面板來啟動自整定功能。在同一時間最多可以有 8 個 PID 回路同時進行自整定。PID 調(diào)節(jié)控制面板也可以用來手動調(diào)試老版本的（不支持 PID 自整定）CPU 的 PID 控制回路。用戶可以根據(jù)工藝要求為調(diào)節(jié)回路選擇快速響應(yīng)、中速響應(yīng)、慢速響應(yīng)或極慢速響應(yīng)。PID 自整定會根據(jù)響應(yīng)類型而計算出最優(yōu)化的比例、積分、微分值，并可應(yīng)用到控制中。PID 調(diào)節(jié)控制面板

STEP 7-Micro/WIN V4.0 中提供了一個 PID 調(diào)節(jié)控制面板，可以用圖形方式監(jiān)視 PID 回路的運行，另外從面板中還可以啟動、停止自整定功能。

圖 1.PID 調(diào)節(jié)控制面板 在圖 1 中： a.過程值指示 顯示過程變量的值及其棒圖 b.當前的輸出值指示

顯示當前使用的設(shè)定值、采樣時間、PID 參數(shù)值及顯示當前的輸出值和棒圖

c.可顯示過程值、設(shè)定值及輸出值的 PID 趨勢圖 A.過程變量和設(shè)定值的取值范圍及刻度

B.PID 輸出的取值范圍及刻度 C.實際 PC 時間

D.以不同顏色表示的設(shè)定值、過程變量及輸出的趨勢圖

d.調(diào)節(jié)參數(shù) 這里你可以：

o 選擇 PID 參數(shù)的顯示：當前參數(shù)（Current）、推薦參數(shù)（Suggested）、手動輸入（Manual)

o 在Manual 模式下，可改變 PID 參數(shù)，并按 Update PLC 按鈕來更新 PLC 中的參數(shù) o 啟動 PID 自整定功能

o 選擇 Advanced（高級）按鈕進入高級參數(shù)設(shè)定 e.當前的 PID 回路號

這里你可以選擇需要監(jiān)視或自整定的 PID 回路

f.時間選項設(shè)定

這里你可以設(shè)定趨勢圖的時基，時基以分為單位

g.圖例顏色

這里你可以看到趨勢圖中不同的顏色代表不同的值的趨勢 h.幫助按鈕

i.PID 信息顯示窗口

j.關(guān)閉 PID 調(diào)節(jié)面板

要使用 PID 調(diào)節(jié)控制面板，PID 編程必須使用 PID 向?qū)瓿伞?/p>

PID 自整定步驟

第一步：在 PID Wizard(向?qū)В┲型瓿?PID 功能組態(tài)

要想使用 PID 自整定功能，PID 編程必須用 PID 向?qū)硗瓿傻诙剑捍蜷_ PID 調(diào)節(jié)控制面板，設(shè)置 PID 回路調(diào)節(jié)參數(shù) 在 Micro/WIN V4.0 在線的情況下，從主菜單 Tools > PID Tune Control Panel 或點擊進入 PID 調(diào)節(jié)控制面板中，如果面板沒有被激活（所有地方都是灰色），可點擊 Configure（配置）按鈕運行 CPU。在 PID 調(diào)節(jié)面板的 e.區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的 PID 回路號，在 d.區(qū)選擇 Manual（手動），調(diào)節(jié) PID 參數(shù)并點擊

Update（更新），使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變 PID 參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

為了使 PID 自整定順利進行，應(yīng)當做到：

?使 PID 調(diào)節(jié)器基本穩(wěn)定，輸出、反饋變化平緩，并且使反饋比較接近給定

?設(shè)置合適的給定值，使 PID 調(diào)節(jié)器的輸出遠離趨勢圖的上、下坐標軸，以免 PID 自整定開始后輸出值的變化 范圍受限制

參見：手動調(diào)整 PID 回路參數(shù)

圖 3.設(shè)置 PID 自整定高級選項 在此允許你設(shè)定下列參數(shù)：

a.你可以選中復選框，讓自整定來自動計算死區(qū)值和偏移值對于一般的 PID 系統(tǒng)，建議使用自動選擇。b.Hysteresis（滯回死區(qū)）：

死區(qū)值規(guī)定了允許過程值偏離設(shè)定值的最大（正負）范圍，過程反饋在這個范圍內(nèi)的變化不會引起 PID 自整定調(diào)節(jié)器改變輸出，或者使 PID 自整定調(diào)節(jié)器“認為”這個范圍內(nèi)的變化是由于自己改變輸出進行自整定調(diào)節(jié)而引起的。PID 自整定開始后，只有過程反饋值超出了該區(qū)域，PID 自整定調(diào)節(jié)器才會認為它對輸出的改變發(fā)生了效果。這個值用來減少過程變量的噪聲對自整定的干擾，從而更精確地計算出過程系統(tǒng)的自然振動頻率。如果選用自動計算，則缺省值為 2％。如果過程變量反饋干擾信號較強（噪聲大）自然變化范圍就大，可能需要人為設(shè)置一個較大的值。但這個值的改變要與下面的偏差值保持 1:4 的關(guān)系。c.Deviation（偏差）：

偏差值決定了允許過程變量偏離設(shè)定值的峰峰值。如果選擇自動計算該值，它將是死區(qū)的 4 倍，即 8％。有些非常敏感的系統(tǒng)不允許過程量偏離給定值很多，也可以人工設(shè)置為比較小的值，但是要和上述“死區(qū)”設(shè)置保持比例關(guān)系。這就是說，一個精度要求高的系統(tǒng)，其反饋信號必須足夠穩(wěn)定。

d.Initial Output Step（初始步長值）：PID 調(diào)節(jié)的初始輸出值 PID 自整定開始后，PID 自整定調(diào)節(jié)器將主動改變 PID 的輸出值，以觀察整個系統(tǒng)的反應(yīng)。初始步長值就是輸出的變動第一步變化值，以占實際輸出量程的百分比表示。

e.Watchdog Time（看門狗時間）：過程變量必須在此時間（時基為秒）內(nèi)達到或穿越給定值，否則會產(chǎn)生看門狗超時錯誤。PID 自整定調(diào)節(jié)器在改變輸出后，如果超過此時間還未觀察到過程反饋（從下至上或從上至下）穿越給定曲線，則超時。如果能夠事先確定實際系統(tǒng)響應(yīng)非常慢，可以加長這個時間。

f.動態(tài)響應(yīng)選項：根據(jù)回路過程（工藝）的要求可選擇不同的響應(yīng)類型：快速、中速、慢速、極慢速 o 快速：可能產(chǎn)生超調(diào)，屬于欠阻尼響應(yīng) o 中速：在產(chǎn)生超調(diào)的邊緣，屬于臨界阻尼響應(yīng)

o 慢速：不會產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于過阻尼響應(yīng)

o 極慢速：不會產(chǎn)生任何超調(diào)，屬于嚴重過阻尼響應(yīng)用戶在這里指定需要達到的系統(tǒng)控制效果，而不是對系統(tǒng)本身響應(yīng)快慢的判斷。g.設(shè)定完參數(shù)點擊 OK 鍵回到 PID 調(diào)節(jié)控制面板的主畫面

第四步：在手動將 PID 調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即過程值與設(shè)定值接近，且輸出沒有不規(guī)

律的變化，并最好處于控制范圍中心附近。此時可點擊 d.區(qū)內(nèi)的 Start Auto Tune 按

鈕啟動 PID 自整定功能，這時按鈕變?yōu)?Stop Auto Tune。這時只需耐心等待，系統(tǒng)完

成自整定后會自動將計算出的 PID 參數(shù)顯示在 d.區(qū)。當按鈕再次變?yōu)?Start Auto Tune 時，表示系統(tǒng)已經(jīng)完成了 PID 自整定。

要使用自整定功能，必須保證 PID 回路處于自動模式。開始自整定后，給定值不能再改變。

第五步：如果用戶想將 PID 自整定的參數(shù)應(yīng)用到當前 PLC 中，則只需點擊 Update PLC。

完成 PID 調(diào)整后，最好下載一次整個項目（包括數(shù)據(jù)塊），使新參數(shù)保存到 CPU 的 EEPROM 中。

PID 自整定失敗的原因

1.PID 輸出在最大值與最小值之間振蕩（曲線接觸到坐標軸）

解決方法：降低 PID 初始輸出步長值（initial output step）

2.經(jīng)過一段時間后，PID 自整定面板顯示如下信息：“ The Auto Tune algorithm was aborted due to a zero-crossing watchdog timeout.” 即自整定計算因為等待

反饋穿越給定值的看門狗超時而失敗。

解決方法： 確定在啟動 PID 自整定前，過程變量和輸出值已經(jīng)穩(wěn)定。并檢查

Watchdog Time 的值，將其適當增大。

對于其它錯誤，可參考手冊中表 15－3 中的錯誤代碼的描述。如何獲得一個穩(wěn)定的 PID 回路 在開始 PID 自整定調(diào)整前，整個 PID 控制回路必須工作在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

穩(wěn)定的 PID 是指過程變量接近設(shè)定值，輸出不會不規(guī)則的變化，且回路的輸出值在控制范圍中心附近變化。問題與解決方法：

1.PID 輸出總是輸出很大的值，并在這一區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)變化

產(chǎn)生原因：

o 增益（Gain）值太高

o PID 掃描時間（sample time）太長（對于快速響應(yīng) PID 的回路）解決方法：降低增益（Gain）值并且/或選擇短一些的掃描時間 2.過程變量超過設(shè)定值很多（超調(diào)很大）

產(chǎn)生原因：積分時間（Integral time)可能太高 解決方法：降低積分時間 3.得到一個非常不穩(wěn)定的 PID

產(chǎn)生原因： o如果用了微分，可能是微分參數(shù)有問題 o沒有微分，可能是增益（Gain）值太高 解決方法：

o調(diào)整微分參數(shù)到 0－1 的范圍內(nèi)

o根據(jù)回路調(diào)節(jié)特性將增益值降低，最低可從 0.x 開始逐漸增大往上調(diào)，直到獲得穩(wěn)定的 PID。

S7-200 PLC在PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中，常需要用閉環(huán)控制方式來控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量，無論是使用模擬量控制器的模擬控制系統(tǒng)還是使用計算機(包括PLC)的數(shù)字控制系統(tǒng)，PID控制都得到了廣泛應(yīng)用。PID控制器是比例-積分-微分控制(Proportional-Integral-De-rivative)的簡稱，其優(yōu)點是不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學模型，有較強的靈活性和適應(yīng)性，而且PID控制器的結(jié)構(gòu)典型、程序設(shè)計簡單、工程上易于實現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便。本文以西門子公司S7-200 PLC為例介紹PLC在PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。PLC實現(xiàn)PID控制的方式

用PLC對模擬量進行PID控制大致有如下幾種方法：

(1)使用PID過程控制模塊：這種模塊的PID控制程序是PLC廠家設(shè)計的，并放在模塊中，用戶使用時只需要設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便。

(2)使用PID功能指令：它是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入／輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制的效果，但價格便宜得多。如S7-200的PID指令。

(3)用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制：在沒有PID過程控制模塊和功能指令的情況下，仍希望采用某種改進的PID控制算法，此時用戶需要自己編制PID控制程序。

本文以西門子S7-200 PLC為例，說明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的實現(xiàn)。PLC PID控制器的實現(xiàn)

3.1 PID控制器的數(shù)字化

PLC的PID控制器的設(shè)計是以連續(xù)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫成離散形式的PID方程，再根據(jù)離散方程進行控制程序的設(shè)計。

在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示。圖1中sp(t)是給定值；pv(t)為反饋量；c(t)為系統(tǒng)的輸出量，PID控制器的輸入／輸出關(guān)系如式(1)所示：

式中：M(t)為控制器輸出；Mo為輸出的初始值；e(t)=sp(t)-pv(t)為誤差信號；Kc為比例系數(shù)；T1為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。等號右邊前三項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差的積分和微分成正比。如果取其中的1項或2項，可以組成P，PD或PI控制器。

假設(shè)采樣周期為TS，系統(tǒng)開始運行的時刻為t=0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將式1離散化，第n次采樣時控制器的輸出如式(2)所示：

式中：en-1為第n-1次采樣時的誤差值；K1為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)。

基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示，圖中虛線部分在PLC內(nèi)，spn，pvn，en，Mn分別為模擬量sp(t)，pv(t)，e(t)，M(t)在第n次采樣的數(shù)字量。在許多控制系統(tǒng)中，可能只需要P，I，D中的1種或者2種控制類型。例如，可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過設(shè)置參數(shù)可對回路控制類型進行選擇。

3.2 輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換

PID控制有輸入量2個：給定值sp和過程變量pv。給定值通常是固定值，過程變量通常是經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換和計算后得到的被控量的實測值。給定值和過程變量都是和被控對象有關(guān)的值，對于不同的系統(tǒng)，它們的大小、范圍與工程單位有很大的不同。應(yīng)用PLC的PID指令對這些量進行運算之前，必須將其轉(zhuǎn)換成標準化的浮點數(shù)(實數(shù))。同樣，對于PID指令的輸出，在將其送給D／A轉(zhuǎn)換器之前，也需要進行轉(zhuǎn)換。

3.2.1 回路輸入的轉(zhuǎn)換

首先，將給定值或A／D轉(zhuǎn)換后得到的整數(shù)值由16位整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，可以用下面的程序?qū)崿F(xiàn)這種轉(zhuǎn)換：

然后，將實數(shù)進一步轉(zhuǎn)換成0.0～1.0之間的標準數(shù)，可用式3對給定值及過程變量進行標準化：

式中：RNorm為標準化實數(shù)值；RRaw為標準化前的值；offset為偏移量，對單極性變量為0.0，對雙極性變量為0.5；Span為取值范圍，等于變量的最大值減去最小值，單極性變量的典型值為32 000，雙極性變量的典型值為64 000。

下面的程序?qū)⑸鲜鲛D(zhuǎn)換后得到的AC0中的雙極性數(shù)(其中span=64 000)轉(zhuǎn)換為0.0～1.0之間的實數(shù)的轉(zhuǎn)換程序為：

3.2.2 回路輸出的轉(zhuǎn)換

回路輸出即PID控制器的輸出，它是標準化的0.0～1.0之間的實數(shù)。將回路輸出送給D／A轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成16位二進制數(shù)，這一過程是將pv與sp轉(zhuǎn)換成標準化數(shù)值的逆過程。

用下面的式(4)將回路輸出轉(zhuǎn)換為實數(shù)：

式中，RScal是回路輸出對應(yīng)的實數(shù)值；Mn是回路輸出標準化的實數(shù)值。

將回路輸出轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的實數(shù)的程序為：

將代表回路輸出的實數(shù)轉(zhuǎn)化為16位整數(shù)的指令為： PID指令及其回路表

S7-200的PID指令如圖3所示。

指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路編號。編譯時如果指令指定的回路表起始地址或回路號超出范圍，CPU將生成編譯錯誤(范圍錯誤)，引起編譯失敗。PID指令對回路表中的某些輸入值不進行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量、給定值等不超限?；芈繁砣绫?所示：

過程變量與給定值是PID運算的輸入值，在回路表中他們只能被PID指令讀取而不能改寫。每次完成PID運算后，都要更新回路表內(nèi)的輸入值Mn，它被限制在0.0～1.0之間。

如果PID指令中的算術(shù)運算發(fā)生錯誤，特殊存儲器位SM 1.1(溢出或非法數(shù)值)被置為1，并將中止PID指令的執(zhí)行，想要消除這種錯誤，在下一次執(zhí)行PID運算之前，應(yīng)改變引起運算錯誤的輸入值，而不是更新輸出值。PID指令編程舉例

溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中很重要的一種控制。溫度控制系統(tǒng)一般具有大慣性、大延時的特點。在工業(yè)控制中，難以建立溫度系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，而應(yīng)用模擬或數(shù)字式PID閉環(huán)控制往往能獲得較好的控制精度。

本例采用PID控制器，溫度給定值經(jīng)標準化處理后為0.8，選取控制器參數(shù)初值為：Kc=0.2，Ts=0.05 s，TI=20 min，TD=10 min?？刂瞥绦蛉缦拢?/p>

結(jié) 語

本文針對西門子S7-200 PLC在PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹PID數(shù)字控制器的原理、實現(xiàn)方法和編程實例。需要指出的是，PID控制算法具有很強的靈活性，根據(jù)被控對象特點的不同，可以使用PI控制、PD控制、PID控制等多種形式，從而達到更好的控制效果。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法的結(jié)合，可以實現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。

第五篇：三菱PLC實現(xiàn)智能PID控制及其應(yīng)用

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三菱ＰＬＣ實現(xiàn)智能ＰＩＤ控制及其應(yīng)用 作者：徐華軍

來源：《沿海企業(yè)與科技》2005年第05期

[摘 要]以三菱PLC為核心的溫度控制系統(tǒng)，采用了專家智能PID控制方法，利用專家系統(tǒng)知識庫輸出修正PID參數(shù)以及改變PID控制方式。實踐表明該方法簡單易行、適應(yīng)性好、魯棒性強。

[關(guān)鍵詞]PLC；智能PID；專家系統(tǒng)；溫度控制

[中圖分類號]TP315

[文獻標識碼]A