恒压供水PID调节概念及基本原理 2006-12-04来源：中国自动化网浏览：82
摘要：目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平一个重要标志。同时，控制理论发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
关键词：PID控制 控制器 智能PID控制器
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平一个重要标志。同时，控制理论发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器﹑传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器输出输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统被控量，传感器，变送器，输入接口送到控制器。
不同控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已工程实际中到了广泛应用，有各种各样PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能智能调节器
（intelligent regulator），其中PID控制器参数自动调整是智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制PC系统等等。
可编程控制器（PLC） 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如RockwellPLC-5等。还有可以实现PID控制功能控制器，如Rockwell Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
1、开环控制系统
开环控制系统（open-loop control system）是指被控对象输出（被控制量）对控制器（controller）输出没有影响。这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2、闭环控制系统
闭环控制系统（closed-loop control system）特点是系统被控对象输出（被控制量）会反送回来影响控制器输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（ Negative Feedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统例子很多。比如人就是一个具有负反馈闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能不断修正最后作出各种正确动作。没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。
3、阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统输出。稳态误差是指系统响应进入稳态后﹐系统期望输出与实际输出之差。控制系统性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统稳定性（stability），一个系统要能正常工作，首先必须是稳定，从阶跃响应上看应该是收敛﹔准是指控制系统准确性、控制精度，通常用稳态误差来（Steady-state error）描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应快速性，通常用上升时间来定量描述。
4、PID控制原理和特点
工程实际中，应用最为广泛调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采
用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
（1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单控制方式。其控制器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稳态误差（Steady-state error）。
（2）积分（I）控制
积分控制中，控制器输出与输入误差信号积分成正比关系。对一个自动控制系统，进入稳态后存稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差或简称有差系统（System with Steady-state Error）。消除稳态误差，控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间积分，时间增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会时间增加而加大，它推动控制器输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。，比例+积分（PI）控制器，可以使系统进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
微分控制中，控制器输出与输入误差信号微分（即误差变化率）成正比关系。 自动控制系统克服误差调节过程中可能会出现振荡失稳。其原因是存有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差作用，其变化总是落后于误差变化。解决办法是使抑制误差作用变化“超前”，即误差接近零时，抑制误差作用就应该是零。这就是说，控制器中仅引入“比例”项往往是不够，比例项作用仅是放大误差幅值，而目前需要增加是“微分项”，它能预测误差变化趋势，这样，具有比例+微分控制器，就能够提前使抑制误差控制作用等于零，为负值，避免了被控量严重超调。对有较大惯性或滞后被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统调节过程中动态特性。
5、PID控制器参数整定
PID控制器参数整定是控制系统设计核心内容。它是被控过程特性确定PID控制器比例系数、积分时间和微分时间大小。PID控制器参数整定方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主依据系统数学模型，理论计算确定控制器参数。这种方法所到计算数据未必可以直接用，还必须工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接控制系统试验中进行，且方法简单、易于掌握，工程实际中被广泛采用。PID控制器参数工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是试验，然后工程经验公式对控制器参数进行整定。但采用哪一种方法所到控制器参数，都需要实际运行中进行最后调整与完善。现一般采用是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入阶跃响应出现临界振荡，记下这时比例放大系数和临界振荡周期；
（3）一定控制度下公式计算到PID控制器参数。
自本世纪30年代以来，自动化技术获了惊人成就，已工业生产和国民经济各行业起着关键作用。自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平一个重要标志。同时，控制理论发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
古典控制最早和最典型实例是蒸汽机离心式飞锤调速器控制﹔现代控制典型实例是火炮控制﹐阿波罗登月实现﹔智能控制实例有模糊全自动洗衣机等等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一、控制系统结构
一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口，见图1。控制器输出输出接口、执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统被控量﹐传感器﹐变送器﹐输入接口送到控制器。不同控制系
统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样。比如一个电加热炉控制系统﹐被控制量是温度﹐传感器是温度传感器。压力控制系统要采用压力传感器。
图1
二、开环控制系统
开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象输出(被控制量)对控制器(controller)输出没有影响，如图2所示。这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何死循环回路。开环控制系统例子很多，比如：汽车引擎空转速率控制系统﹔一般洗衣机，它洗衣时间完全由人为操作来判断与估计。
图2
图中扰动量是指系统干扰(disturbance)，给定量是指系统参考输入(reference input)，被控制量是指被控对象输出，控制信号是指控制器输出。
二、闭环控制系统
闭环控制系统(closed-loop control system)特点是系统被控对象输出(被控制量)会反送回来影响控制器输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。图1给出一个闭环控制系统(负反馈)结构图。
闭环控制系统例子很多。比如人就是一个具有负反馈闭环控制系统，当他去拿东西时候，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能不断修正最后拿到所要取东西。当然，这个人是一个瞎子，他没有眼睛，不能看见所要拿物品，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另一个例子是上面我们所说洗衣机，当一台真正全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗清及洗清之后能自动切断电源装置时候，它就是一个死循环控制系统。
三、阶跃响应
图3表示是一个系统阶跃响应(step response) 。
阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时系统输出﹐图中红线所示。稳态误差是指系统响应进入稳态后﹐系统期望输出与实际输出之差。 控制系统性能指针可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定，从阶跃响应上看应该是收敛﹔准是指控制系统准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它表示系统输出
稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应快速性，通常用上升时间来定量描述。
