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一、PID控制器參數(shù)整定  

PID控制器，由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成。通過(guò)Kp， Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。  

PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定。可以通過(guò)數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過(guò)程反復(fù)的情況下，一個(gè)PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。  

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)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(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)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(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)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(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)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(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。

二、PID控制中存在的問(wèn)題  

有文獻(xiàn)指出，實(shí)際工業(yè)中有60%的控制器存在性能方面的問(wèn)題。而在工業(yè)過(guò)程中，導(dǎo)致控制回路性能不佳的原因可以歸結(jié)為以下一種或者多種情形：  

1) 控制器整定不佳且缺少維護(hù)。產(chǎn)生這種情況的原因包括：控制器從未被整定或者是基于失配模型的整定，也可能是使用了不當(dāng)類型的控制器。工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)中，90%以上的控制器是PID類型的控制器，即使某些情況下使用其它控制器也許能得到更好的性能。實(shí)際上，最常見(jiàn)的導(dǎo)致控制回路性能不佳的原因是控制器缺少維護(hù)。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，執(zhí)行器和被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可能由于磨損等原因而發(fā)生變化。而只有少數(shù)工程師維護(hù)控制回路，且操作工與工程師常常對(duì)于控制回路性能不佳的原因缺乏認(rèn)識(shí)。  

2) 設(shè)備故障或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。控制回路性能不佳可能是由于傳感器或執(zhí)行器的故障(如過(guò)度的摩擦)引起的。如果工業(yè)裝置或者裝置的組件設(shè)計(jì)不合理，則問(wèn)題可能更嚴(yán)重。這些問(wèn)題無(wú)法通過(guò)重新整定控制器而得到有效的解決。  

3) 缺少或前饋補(bǔ)償不足。若處理不得當(dāng)，外部擾動(dòng)會(huì)使回路的性能惡化。因此，當(dāng)擾動(dòng)可測(cè)時(shí)，建議使用前饋控制(Feedforvvard Control，FFC)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。  

4) 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。不合適的輸入/輸出配對(duì)，忽略系統(tǒng)變量間的相互耦合，競(jìng)賽控制器(Competing Controllers)，自由度不足，強(qiáng)非線性的存在，缺乏對(duì)大時(shí)延的補(bǔ)償?shù)榷伎赡軐?dǎo)致控制結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

三、PID控制器的控制實(shí)現(xiàn)  

1、PID的反饋邏輯  

各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同，甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以所選用變頻器的說(shuō)明書(shū)介紹為準(zhǔn)。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測(cè)到的反饋信號(hào)對(duì)變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中，用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。冬天制熱時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號(hào)減小，說(shuō)明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量;而夏天制冷時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號(hào)減小，說(shuō)明房間溫度過(guò)低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速.減少冷水的流量。由上可見(jiàn)，同樣是溫度偏低，反饋信號(hào)減小，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。  

2、目標(biāo)信號(hào)與反饋信號(hào)  

欲使變頻系統(tǒng)中的某一個(gè)物理量穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上，變頻器的 PID 功能電路將反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出頻率和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以，變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號(hào)：目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)。這里所說(shuō)的目標(biāo)信號(hào)是某物理量預(yù)期穩(wěn)定值所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，亦稱目標(biāo)值或給定值;而該物理量通過(guò)傳感器測(cè)量到的實(shí)際值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)稱為反饋信號(hào)，亦稱反饋量或當(dāng)前值。

PID 控制的功能示意圖見(jiàn)圖 2 。圖中有一個(gè) PID 開(kāi)關(guān)。可通過(guò)變頻器的功能參數(shù)設(shè)置使 PID 功能有效或無(wú)效。 PID 功能有效時(shí)，由 PID 電路決定運(yùn)行頻率; PID 功能無(wú)效時(shí)，由頻率設(shè)定信號(hào)決定運(yùn)行頻率。 PID 開(kāi)關(guān)、動(dòng)作選擇開(kāi)關(guān)和反饋信號(hào)切換開(kāi)關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)置決定其工作狀態(tài)。

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