更換登入信箱  | 未收到確認信  | 忘記密碼  | 註冊  | 登入
|
|
登入‧會員服務
新聞 論壇
教學 下載
專欄 影音
LabVIEW轉檔
分享
搜尋
產品評測
技術文章
資源中心
線上購物
資料代管
手機簡訊
LabSMS
LabEmail
外包 專案人才
外包 360團隊
聯絡我們
技術文章:PID
PID
發佈時間:2009/3/13 下午 11:38:39
分享PID控制的一系列文章,這些文章接轉載自:Control Engineering China(控制工程中文版),在這裡先謝謝他們。

 

 

文章一:PID: 控制領域的常青樹

作者:Vance J.VanDoren, CONTROL ENGINEERING編輯顧問 

 

  比例-積分-微分控制器在引入控制界60多年以後,仍保留了它們在工業程序控制中的主導地位。

  

  自18世紀以來,負反饋一直被用於連續程序控制。James Watt 曾用飛球調速器來控制其著名的蒸汽機的運轉速度,當蒸汽機速度降得太低時利用飛球調速器來自動增加蒸汽,而當速度升得太高時則用 飛球調速器來減少蒸汽。

 

  這種簡單的平衡動作保留了當今程序控制的一些基本功能即:測量過程變數、從設置點上減去變數以獲得誤差、以及在誤差為正時運 用控制量來驅動過程變數增加或在誤差為負時驅動過程變數減少,這種過程重複進行直至誤差消除。

 

  控制器設計中的精妙之處在於計算出每種情況下控制器需向過程施加多少校正量。比例控制器只是簡單地將誤差乘以一個常數來計算 它的下一步輸出,而Watt設計的飛球調速器,則是根據由設備幾何尺寸及可調固定螺絲位置所確定的常數,並以機械方式來完成這種控制。

 

  但不幸的是,當比例控制器驅動過程變數足夠接近設置點時它往往退出工作,並停留在一個使誤差很小但卻為非零值的固定輸出上。 有關此種穩態誤差現象的更詳細解釋,請參見CONTROL ENGINEERING 20006月刊“瞭解PID控制”一文。

 

  積分作用

  20世紀30 年代的控制工程師們發現,誤差可通過自動將設置點重設為一個人為高值而得以完全消除。這一概念是讓比例控制器具有一個人工設置點 ,從而使實際誤差在控制器停止工作時為零,這實際上是在實際誤差不為零時,通過緩慢提升(或降低)該人工設置點來使誤差為零。

 

  當發生時,這種自動重設操作對於對誤差積分、或將其全部增加到控制器比例項輸出中而言,在數學上具有同樣的效果,其結果即為 一種可繼續保持誤差增加輸出、直至誤差完全消除的“比例積分”(PI)控制器。

 

 

 

  1:傳統的PID公式通過對誤差信號進行微分來計算微分項:e(t) = SP(t) - PV(t),其中PV(t)t時刻的過程變數,SP(t)是設置值,CO(t)為控制器的全部輸出,PTITD 則分別為定義比例、積分及微分項的“整定常數”。

 

  但不幸的是,積分作用並不能保證實現完美的回饋控制。如果積分作用過強,則PI控制器可能引起閉環不穩定”(參見CONTROL ENGINEERING 20005月刊 控制器必須以閉環穩定性來平衡性能”一文)。控制器也可能對誤差進行“過校正”,從而引起新的、甚至更大的反向誤差。當發生這種 情況時,控制器最終將在“完全開”及“完全關”之間來回驅動其輸出,即開始出現所謂的“振盪”現象。

 

 

 

  2:在此例中,如果設置點僅以步進的方式改變,則微分無論怎樣都幾乎總是為零,因此可通過對過程變數負增長求導來計算微分作用。

 

  微分作用

  振盪有時可通過向混合信號增加微分作用來予以矯正。全“比例-積分-微分”(PID )控制器中的微分項,只有在誤差改變時才起作用。如果設置點為常數,則只有在過程變數開始移向(或離開)設置點時誤差才開始改變 ,而這在前面的控制量使過程變數接近設置點太快時尤其有用。因此,微分作用所提供的減速作用可減少產生超調及振盪的可能性。

 

 

  3:只要設置點突變,從誤差信號來計算微分項均將在微分作用中造成尖峰。

 

  不幸的是,如果微分作用過強,則可能由於減速太快而由其自身引起振盪。這種現象在一些對控制反應非常靈敏的程序控制中(比如 電機或機器人等)尤為明顯。

 

  當新設置點使誤差發生突變時,微分作用也趨向於使控制器輸出中產生明顯的“尖峰”或“突跳”,而這迫使控制器無需等待積分或 比例作用生效即開始立刻採取校正行動。與只有兩項的PI控制器相比,全PID控制器甚至能預測將過程變數保持在新設置點上所需控制量的大小。事實上,當Tayor公司著名的Fulscope控制器首次以全三項推出時,還只將微分項標為“預-作用”。

 

 

 

  4 :利用修正後的微分項,可消除設置點改變時微分作用中所出現的尖峰。但如果設置點在步進改變之間波動,則修改後的微分項將產生錯 誤的結果。

 

  微分的缺陷

  另一方面,控制量的劇烈擺動,在一些要求控制器輸出進行緩慢而穩定變化的應用(例如室溫控制等)中變得非常煩人。自動調溫器 每次調整後所產生的熱風,不僅使房屋居住者很不舒服,而且也會縮短採暖爐(或空調)的使用壽命。

 

  對於此類應用,最好是事先完成所有微分作用,或者從負過程變數(而不是直接從誤差)中來計算微分項。如果設置點為常數,則兩 種計算結果相同;如果設置點僅以步進方式來改變,則除每一步進開始時刻外,兩種計算結果仍將一致。過程變數負導數(負微分)將不 會在誤差微分中造成尖峰,關於此點,請參見“更平滑的微分作用”一圖。目前大多數現代控制器都能為經不起“突跳”的應用提供此類 選項。

 

  微分作用對於一些對雜訊抑制有較高要求的應用來說也是一個問題。當過程變數每次準備改變時,微分項都會對控制器的輸出產生影 響。即使實際的過程變數已經達到設置點,控制器也可能還會有校正輸出。因此,實際上所有現代控制器都具有濾波選項,以為微分項提 供更為平滑的輸入。

 

  總之,微分作用被眾多控制工程師認為是缺陷多於優點。即便如此,到50年代中期,完整的“比例- 積分-微分”(PID)控制器已成為一種先進的技術,直至今日它仍保留其在程序控制領域中主導地位。對於大多數程序控制應用來說,PID已經足夠使用(採用或不採用微分作用),且相對較容易實現,其基本工作原理也容易被人理解。

 

  PID工作舉例

  現在讓我們再回到室溫控制例子。如果房間很大而採暖爐又很小,則過程將傾向於對控制器的控制進行緩慢回應;如果由於有人開窗 或在冷天時調高設置點而使過程變數突然偏離設置點,則PID 控制器的即刻反應主要由微分作用項而產生,而這又將使控制器對突然偏離零的誤差變化啟動一次緊急校正,同時設置點與過程變數之間 的誤差亦將啟動自動調溫器中的比例作用項。

 

  不久,隨著誤差隨時間的積累,積分項也開始對控制器的輸出產生作用。事實上,由於在這種反應遲鈍的過程中誤差增加非常緩慢, 故積分作用項將最終在輸出信號中占支配地位。基於積分器中所累積的誤差量,控制器即使在誤差消除後,仍將會繼續產生輸出,此時過 程變數有可能超過設置點而產生反向誤差。

 

  如果積分作用不是太強烈,則後來產生的誤差將小於最初的誤差。而且隨著正誤差積累中負誤差量的增加,積分作用將開始逐漸變小 。此過程將重複數次直至誤差及累積誤差消除。同時,根據振盪誤差信號的微分(導數),微分項將繼續增加其在控制器輸出中的份額, 而比例項也將隨誤差信號的振盪而上下波動。

 

  現在假設過程是一個由大型採暖爐供熱的小房間,則該過程將傾向於對控制器的控制進行快速回應。此時,由於誤差存在時間很短, 故積分作用將不再在控制器輸出中起主要作用。另一方面,當過程為高度靈敏時,由於誤差快速改變,故微分作用將在控制器輸出中起主 要作用。

 

  很明顯,PID控制器可能施加的控制量將隨控制過程的不同而相應變化。因此,儘管PID控制器能夠完成消除誤差的任務,但只有在其與每一應用匹配良好時才可能做得更好。

 

 

 

  PID控制器大事記(年表) 

 

  • 1788年:James Watt為其蒸汽機配備飛球調速器,第一種具有比例控制能力的機械回饋裝置。
  • 1933年:Tayor公司(現已併入ABB公司)推出56R Fulscope型控制器,第一種具有全可調比例控制能力的氣動式調節器。
  • 1934-1935年:Foxboro 公司推出40型氣動式調節器,第一種比例積分式控制器。
  • 1940年:Tayor公司推出Fulscope 100,第一種擁有裝在一個單元中的全PID控制能力的氣動式控制器。
  • 1942年:Tayor 公司的 John G. Ziegler Nathaniel B. Nichols 公佈著名的Ziegler-Nichols 整定準則。
  • 第二次世界大戰期間,氣動式 PID 控制器用於穩定火控伺服系統,以及用於合成橡膠、高辛烷航空燃料及第一顆原子彈所使用的U-235 等材料的生產控制。
  • 1951年:Swartwout公司(現已併入Prime Measurement Products公司)推出其Autronic產品系列,第一種基於真空管技術的電子控制器。
  • 1959年:Bailey  Meter公司(現已併入ABB公司)推出首個全固態電子控制器。
  • 1964年:Tayor公司展示第一個單回路數位式控制器,但未進行大批量銷售。
  • 1969年:Honeywell公司推出Vutronik程序控制器產品系列,這種產品具有從負過程變數而不是直接從誤差上來計算的微分作用。
  • 1975年:Process Systems公司(現已併入MICON Systems公司)推出P-200型控制器,第一種基於微處理器的PID控制器。
  • 1976年:Rochester Instrument systems公司(現已併入AMETEK Power Instruments)推出Media控制器,第一種封裝型數位式PIPID控制器產品。
  • 1980 年至今年:各種其他控制器技術開始從大學及研究機構走向工業界,用於在更為困難的控制回路中使用。這其中包括人工智慧、自適應控 制以及模型預測控制等。

 

 

文章二:PID的類型與選項
作者:Hans Heinz,Control Engineering Europe 
轉載自:http://www.cechinamag.com/Cstmf/BCsy/AtcShow.asp?AID=103
 
  以軟體為基礎的PID控制可以更多的方式達到平衡,因而,許多供應商採用此技術。
 
  多年以來,PID控制器幾乎沒有什麼改變,基本保持40年代最初推出時的結構。原因是,這幾十年來,它的功能都體現在硬體上——氣動、電氣或電子控制器,而且,PID控制器在演算法上不容易更改。
 
  隨著軟體為基礎數位控制器的推出,這一情況徹底改觀,現在出現了各種各樣不同類型的PID控制器。
 
  但是,它們真的能讓我們受益非淺嗎? 還是,只是個說服我們去買DCS或是其他控制器的小花招呢。
 
  PID不再一樣
  PID是運用最廣的控制器演算法,在程序控制中最常見。當我們說“PID控制器”時,我們得明白它其實包含了3個概念:比例、積分和微分控制。
 
  早期,一些不同的供應商提供完全不同的類型,如相互作用和不相互作用的PID。但是只要控制器的性能是體現在硬體上的,生產不同類型的PID控制器就顯得麻煩而昂貴了。
 
  數位式控制器和系統的出現突破了這一限制,它用軟體來實現控制功能,以公式形式表示,修改方便且成本低廉。
 
  因此,現在大部分DCS系統都採用幾種不同的PID,或者至少能設置選項改變PID特性。
 
 
  3種形式PID
  如今,控制系統中有許多不同類型的PID,在特性上它們大相徑庭。有時使用它們的幾率卻也不高。那麼,是這些PID形式用處不大,還是使用者不明白其中的使用價值呢?
 
  DCS說明書總是提到一些特殊的PID形式,卻從不給出諸如是什麼,以及如何使用等問題的充分的資料。供應商的培訓課程也是如此。
 
  下面一起來看一下以下3種PID形式或選項,看看它們能帶給我們些什麼:
  --選擇比例作用
  --Smith預估
  --非線形差方PID
 
  (1)基於誤差或過程變數的比例作用比例控制中,與給定值和測量值或過程變數(PV)之間的誤差成比例關係。
 
  此類控制的一個典型特點是所謂的比例反彈(proportional kick,P-kick),它是由階躍誤差引起的控制器輸出中的階躍變化。P-kick可加速環路中的響應,因而,在允許範圍內盡可能地加強它。當然,一旦過量,環路也會很快不穩定。
 
  給定值的改變一般是個階躍變化。然而,當擾動影響了控制過程,過程變數和誤差就逐漸改變,不再是階躍變化。因而,形不成P-kick,控制器的回應緩慢。
 
  為補償系統,可加強比例作用,控制器對擾動的回應會改善。但如果不穩定,給定值改變,就至少會產生一個超調量。
 
  很長一段時間以來,人們嘗試很多方法以解決這個問題。如,內部過濾給定值。然而一個簡單而有效的方法是使比例控制器只對PV回應,而非誤差。
 
  換句話說,有了這一選項,控制器能被很好的設置和調整,可處理給定值改變和擾動的問題。充分利用這一特性,就需要一個能涉及 以上兩方面的調整工具。
 
 
  (2)Smith預估
  雖然PID在程序控制中適用範圍很廣,但它要解決積分控制器(I-controller)中所固有的死區時間(deadtime)的問題。
 
  1957年,O.J.M. Smith提出一種方案,能完全解決這一問題。簡單地說,他提出以過程動態模型的輸出作為PID輸入信號。此模型被描述成過程的短暫行為,就像不存在死區(deadtime)一樣。這樣,PID可進行很好地調整,並保持穩定。雖然看起來這是一種迂回的方法,但卻證明有效。
 
  如今,以預測控制器為基礎的易於使用的模型(MBPC)被廣泛的使用。但當Smith預估和前饋控制合併時,有時也會產生問題。
 
 
  (3)非線形差方(error squared)PID
  PID 原形公式中,在輸入和輸出間設定一個線形關係,這就意味著,不管過程與給定值的相對位置在什麼怎樣,回應過程變化的控制作用總是 一樣的。
 
  最典型的例子是液位控制。這裏不再需要使PV 嚴格地保持在給定值上,可以在一定範圍內浮動。因此,不需使控制器對任何小的偏離都強烈作用。事實上,在允許的的範圍內,不需要 它做出回應,因為這可避免後部控制的不必要擾動。只有在擾動過大時,控制器才動作,進行控制。這種特性是非線形或差方( error squared)PID控制器所特有的。
 
  非線形控制器的缺點是調整不太方便,但配置合適的工具,如TOPAS(www.act-control.com),用戶指定擾動允許範圍,就可解決這個問題。
 
 
  小結
  看了以上3種控制系統中使用的PID形式,其中兩種優點明顯,且使用方便,尤其是Smith預估法。對操作性能的要求日益提高,能提高控制器性能的簡單而有效的方法就不容忽視。在選擇或訂購新DCS時,這些是檢查PID特性、類型和功能的有效方法。
 

 

文章三:溫度控制誰稱雄:PID vs.模糊邏輯

作者:Peter GalanCONTROL ENGINEERING 

本文轉載自:http://www.cechinamag.com/Cstmf/BCsy/AtcShow.asp?AID=362

 

  通常,對於溫度控制的理解,是覺得其技術成熟且改變不大。有一些工業的應用(如,注塑工業),不僅對時間進行精確的控制,而 且在當設定值改變時,對於快速加溫階段和擾動的快速回應形成最小程度的過沖( overshoot)和下沖(undershoot)。一般採用的PID控制技術難以滿足這些特殊的場合。

 

  目前存在2種的複雜溫度控制器。一種方案是基於增加特殊性能的PID,另一種方案是模糊邏輯控制。

 

  增強的PID溫度控制

  加熱和冷卻過程中的不同速度(時間常數)可根據溫度設定值,進行PID常數的動態調節。這樣的調節需要一個加熱模型--加熱過程的反轉靜態特性(inverse static characteristic)。一旦控制系統執行加熱模型,它的輸出可被相應地用於前饋變數。前饋變數與比例成分的輸出一起使加熱模型符合加熱過程。

 

  一個近似的時間優化控制方法需要將溫度控制的全部過程分為3 個部分,每部分都有其不同控制機制。在第一階段(溫度在設定值之下)和最後一個階段(溫度在設定值之上),冪常量(分別是滿值和 零)被應用,控制調節誤差。在中間階段(設定值在中間),線性PID控制開始作用。在這裏所謂的線性控制區(linear control zoneLCZ)、非線性、調節誤差限制(regulation error limit REL)就能被使用,會有助於限制溫度的過沖和下沖。圖1中,為加強的PID溫度控制器的框圖,適用範圍較廣。

 

 

 

  模糊邏輯

  工程師們對模糊邏輯的瞭解已經超過35年。模糊控制的魅力在於小規模的微型控制器,因為這一技術比常規的PID要求較少的計算冪和更少的操作存儲量。

 

  模糊控制的基本形式可類比人工控制過程。根據暫態溫度背離設定值(調節誤差,e(n))的程度和溫度改變的速率(或調節誤差的背離,(e(n)) ,人工調整應用于加熱成分的冪。整個過程由系統的物理或數學性質決定。溫度的背離和溫度的改變速率是高?是底?還是中等?模糊控 制以同樣的過程變數狀態運行。

 

  如圖2,模糊溫度控制器的框圖表明,模糊控制器的輸出是如何在功能加強的傳統的PID 控制器的情況下與前饋模組的輸出相結合的。類似的適配模組可使解模糊化過程優化(使模糊化輸出變數成為明確的輸出值),並且同時 幫助加熱器模組更真實反映加熱過程。

 

 

 

  你的系統你做主

  即使像溫度控制這類最簡單的過程,如果增加了諸如快速增溫階段也可能變得很複雜。執行功能加強的、傳統的PID控制器就成為一項挑戰,特別是如果需要自調整能力以幫助確定優化PID常量時。然而,不可否認的是,PID控制的理論的運用相當廣泛。

 

  另外,模糊控制似乎能較簡單的實現相同的性能。由一階或更高階的多項式(LCZ在增強PID 控制中提供唯一一個零階近似值)控制的,用於時間優化控制系統的二階轉換曲線的近似值使模糊控制在時間優化控制應用中頗佔優勢。 作為相對較為新的控制方法,它也能提供更多的發展空間。

↓ 滑鼠左鍵測試器 ↓
 列印格式
|
 寄給朋友
|
 加到最愛
|
 意見回饋
|
 加到知識庫
|
 開啟知識庫
|

  |  我的最愛 隱私權保護政策 免責聲明 廣告刊登 系統整合 合作提案 聯絡我們 電話: 0988-002692