PID控制中存在的问题及PID控制器的控制实现

一、PID控制器参数整定  

PID控制器，由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。  

PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。  

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过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，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，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，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

二、PID控制中存在的问题  

有文献指出，实际工业中有60%的控制器存在性能方面的问题。而在工业过程中，导致控制回路性能不佳的原因可以归结为以下一种或者多种情形：  

1) 控制器整定不佳且缺少维护。产生这种情况的原因包括：控制器从未被整定或者是基于失配模型的整定，也可能是使用了不当类型的控制器。工业过程自动控制系统中，90%以上的控制器是PID类型的控制器，即使某些情况下使用其它控制器也许能得到更好的性能。实际上，最常见的导致控制回路性能不佳的原因是控制器缺少维护。经过多年的运行，执行器和被控对象的动态特性可能由于磨损等原因而发生变化。而只有少数工程师维护控制回路，且操作工与工程师常常对于控制回路性能不佳的原因缺乏认识。  

2) 设备故障或结构设计不合理。控制回路性能不佳可能是由于传感器或执行器的故障(如过度的摩擦)引起的。如果工业装置或者装置的组件设计不合理，则问题可能更严重。这些问题无法通过重新整定控制器而得到有效的解决。  

3) 缺少或前馈补偿不足。若处理不得当，外部扰动会使回路的性能恶化。因此，当扰动可测时，建议使用前馈控制(Feedforvvard Control，FFC)对扰动进行补偿。  

4) 控制结构设计不合理。不合适的输入/输出配对，忽略系统变量间的相互耦合，竞赛控制器(Competing Controllers)，自由度不足，强非线性的存在，缺乏对大时延的补偿等都可能导致控制结构问题。

三、PID控制器的控制实现  

1、PID的反馈逻辑  

各种变频器的反馈逻辑称谓各不相同，甚至有类似的称谓而含义相反的情形。系统设计时应以所选用变频器的说明书介绍为准。所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性。例如中央空调系统中，用回水温度控制调节变频器的输出频率和水泵电机的转速。冬天制热时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度低，要求提高变频器输出频率和电机转速，加大热水的流量;而夏天制冷时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度过低，可以降低变频器的输出频率和电机转速.减少冷水的流量。由上可见，同样是温度偏低，反馈信号减小，但要求变频器的频率变化方向却是相反的。这就是引入反馈逻辑的原由。  

2、目标信号与反馈信号  

欲使变频系统中的某一个物理量稳定在预期的目标值上，变频器的 PID 功能电路将反馈信号与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整输出频率和电动机的转速。所以，变频器的 PID 控制至少需要两种控制信号：目标信号和反馈信号。这里所说的目标信号是某物理量预期稳定值所对应的电信号，亦称目标值或给定值;而该物理量通过传感器测量到的实际值对应的电信号称为反馈信号，亦称反馈量或当前值。

PID 控制的功能示意图见图 2 。图中有一个 PID 开关。可通过变频器的功能参数设置使 PID 功能有效或无效。 PID 功能有效时，由 PID 电路决定运行频率; PID 功能无效时，由频率设定信号决定运行频率。 PID 开关、动作选择开关和反馈信号切换开关均由功能参数的设置决定其工作状态。

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