pid控制方面英文资料

### PID控制原理与自整定方法 #### 一、引言 PID控制是工业自动化领域中最常见也是最重要的控制策略之一。它通过比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）三个参数来调整控制器的输出，从而达到稳定系统的目的。本文将详细介绍PID控制的工作原理、调校方法以及在实际应用中的使用技巧。 #### 二、控制回路与PID算法的作用 ##### 1.1 控制回路 控制回路由传感器、控制器和执行机构组成。传感器负责检测被控变量的实际值，控制器根据设定值与实际值之间的偏差计算出控制信号，最后通过执行机构对被控对象进行调节。 ##### 1.2 控制算法的角色 在控制回路中，PID算法扮演着核心角色。它的主要任务是根据输入的偏差信号计算出最佳的控制输出，使得系统的输出尽可能接近设定值，并保持稳定。 ##### 1.3 手动/自动模式 在手动模式下，操作人员直接控制执行机构；而在自动模式下，则是由PID控制器根据预设规则自动调整输出。两者之间可以相互切换，以适应不同的控制需求。 #### 三、PID算法详解 ##### 2.1 关键概念 PID算法包含三个关键部分：比例、积分和微分。它们分别对应于偏差的比例关系、时间积分以及偏差的变化率。 ##### 2.2 动作方式 - **比例（P）**：基于偏差的大小，比例部分直接影响控制器的输出。 - **积分（I）**：积分项用于消除稳态误差，随着时间的累积，逐渐减少偏差。 - **微分（D）**：微分项则通过预测偏差的变化趋势来提前做出反应，有助于提高系统的响应速度和稳定性。 ##### 2.3 PID响应 - **比例响应**：仅考虑偏差的大小，输出与偏差成正比。 - **积分响应**：关注偏差的持续时间，有助于消除稳态误差。 - **微分响应**：考虑偏差的变化率，可以抑制过冲和振荡。 ##### 2.4 比例 比例控制是最基本的控制方式，输出量直接与偏差成比例。这种控制方式简单有效，但可能会导致系统存在一定的稳态误差。 ##### 2.5 比例—输出与测量值的关系 在比例控制中，控制器的输出与测量值之间的偏差成正比。这意味着当偏差增大时，控制器的输出也会相应增加，反之亦然。 ##### 2.6 比例—偏移 尽管比例控制能够快速响应偏差，但由于其输出仅取决于当前的偏差值，因此很难完全消除偏差，即存在稳态误差或偏移。 ##### 2.7 比例—通过手动重置消除偏移 为了消除偏移，可以通过手动调整控制器的输出来实现。例如，在某些情况下，操作员可能需要手动调整控制器的设定值以消除偏移。 ##### 2.8 添加自动重置 自动重置功能通常指的是积分作用，它可以自动地调整控制器的输出，以消除稳态误差。 ##### 2.9 积分模式（重置） 积分项的作用在于积累偏差，随着时间的推移，逐渐减小偏差直至消失。积分作用对于消除长期偏差非常有效。 ##### 2.10 重复时间的计算 重复时间是指积分作用在单位时间内积累偏差的时间间隔。合理的重复时间设置对于确保积分作用的有效性至关重要。 ##### 2.11 微分 微分项考虑的是偏差的变化率，它有助于预测偏差的变化趋势并提前做出反应。这有助于改善系统的动态性能，如减少过冲和振荡。 ##### 2.12 完整的PID响应 结合比例、积分和微分三项，PID控制器可以更全面地应对各种动态变化，有效地调节系统输出。 ##### 2.13 响应组合 根据不同应用场景的需求，可以灵活调整PID参数，实现不同的响应特性。例如，可以通过增强比例作用来加快响应速度，或者增加积分作用来消除稳态误差。 #### 四、PID算法的实施细节 ##### 3.1 串联和并联积分与微分 PID算法可以采用串联形式，也可以采用并联形式。串联形式中，比例、积分和微分项依次作用；而并联形式则是将这三个项同时作用于偏差上。 ##### 3.2 增益应用于过程而非误差 在某些情况下，增益可以直接应用于过程变量而非误差信号，这有助于简化计算并提高控制精度。 ##### 3.3 微分应用于过程而非误差 类似于增益的应用，微分作用也可以直接作用于过程变量上，这样可以更好地反映过程变量的变化趋势。 ##### 3.4 微分滤波器 为了避免高频噪声对微分作用的影响，通常会在PID算法中加入微分滤波器，以平滑信号并提高控制质量。 ##### 3.5 计算机代码实现PID算法 实现PID算法的计算机代码需要精确计算每个控制周期内的偏差、积分和微分项，并据此更新控制器的输出。 #### 五、高级特征 ##### 4.1 重置漂移 在某些情况下，积分作用可能导致控制器输出超出正常范围，这种现象称为重置漂移。为了避免这种情况，需要采取相应的预防措施。 ##### 4.2 外部反馈 外部反馈是指将外部信号引入到控制回路中，以改善系统的性能。这种做法在处理复杂系统时尤为有用。 ##### 4.3 设定点跟踪 设定点跟踪是指控制器能够快速且准确地跟随设定值的变化。这对于提高控制系统的灵活性和响应速度非常重要。 #### 六、过程响应 ##### 5.1 稳态响应 稳态响应是指控制系统在达到平衡状态后的响应特性。一个良好的PID控制应该能够在达到稳态后保持稳定的输出。 ##### 5.2 过程动力学 过程动力学研究的是过程变量随时间变化的行为。理解过程的动力学特性对于设计有效的PID控制器至关重要。 ##### 5.3 测量过程动力学 通过对过程进行实验测试，可以获取过程的动力学参数，这些参数对于优化PID控制器的性能非常有帮助。 ##### 5.4 负载和扰动 负载和扰动是影响过程输出的重要因素。PID控制器的设计应当考虑到这些因素的影响，以提高系统的鲁棒性。 #### 七、回路调校 ##### 6.1 调校标准 调校标准用于评价PID控制器的性能，包括响应速度、稳定性等方面。常见的调校标准有最小化指标、Ziegler-Nichols方法等。 ##### 6.2 数学准则—最小化指数 数学准则通过量化的方式评估PID控制器的性能，常用的方法包括最小化指数法等。 ##### 6.3 Ziegler-Nichols调校方法 Ziegler-Nichols方法是一种广泛使用的PID控制器调校方法，它基于系统的开环频率响应特性来确定PID参数。 ##### 6.4 Cohen-Coon方法 Cohen-Coon方法是另一种常用的PID控制器调校方法，它基于过程的时间常数和延迟时间来确定PID参数。 ##### 6.5 Lopez IAE-ISE方法 Lopez IAE-ISE方法通过综合考虑积分绝对误差和积分平方误差来调校PID控制器。 ##### 6.6 过程可控性 过程可控性反映了PID控制器对过程的控制能力。提高过程可控性可以帮助优化PID参数，改善控制效果。 ##### 6.7 流动回路 流动回路是指流体控制系统，这类系统具有特殊的要求，需要专门的PID调校策略。 #### 八、多变量策略 ##### 7.1 多变量策略 多变量策略涉及多个输入和输出变量，适用于复杂系统。这种策略能够更全面地考虑各个变量之间的相互作用，提高控制效果。 #### 九、级联控制 ##### 8.1 基础 级联控制是一种将多个控制回路串联起来的技术，每个回路负责调节不同的变量。这种方式可以提高系统的整体性能，特别是在处理复杂的多变量系统时更为有效。 PID控制是一种非常重要的控制策略，广泛应用于各种工业控制系统中。通过合理设置PID参数并采用适当的调校方法，可以显著提高控制系统的性能。此外，随着技术的发展，更多高级特征和技术也被不断引入到PID控制中，为解决复杂控制问题提供了更多可能性。