1.2 数字PID控制器的研究现状
自动化仪表中的调节仪表 ,经历了基地式仪表、单元组合仪表或组装仪表、ＤＤＣ工业控制机、ＤＣＳ或ＰＬＣ已发展至现场总线系统。尽管装置在信号传送方式、计算运算方式、元器件等方面都发生了巨大的变化 ,然而核心的控制模式或控制算式却始终以ＰＩＤ为主 ,ＰＩＤ控制的研究历史最悠久 ,在过程控制中 ,应用最广泛 ,获得的成效也很大 ,这同ＰＩＤ本质的鲁棒性、本质的优化结构模式与本质的智能化特色密切相关。ＰＩＤ的研究包括如下几个方面 :
① ＰＩＤ最优参数整定 ; ②ＰＩＤ算式的最优化结构 ; ③以ＰＩＤ为基础的先进控制系统 ; ④自适应ＰＩＤ ;
⑤专家系统与智能ＰＩＤ。
其中 ,后两个方面在模糊集理论、神经网络、遗传算法、混沌集理论等研究的推动下 ,可以说已经到了白炽化。ＰＩＤ控制方式经历了 6 0多年的应用考验 ,已证明是一种很好的控制器模式 ,尤其引人注目的是近年来电气传动及机电控制等非自动化仪表传统的应用领域 ,也都采用ＰＩＤ ,可以说ＰＩＤ应用领域已大为扩大。
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第2章 PID控制器
2.1 传统PID控制器概述
常规PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、调整方便、鲁棒性
好和可靠性高，被广泛应用于工业控制。目前，大多数工业对象的动态特性尚未被完全掌握，得不到精确的数学模型，难以满足控制理论分析的要求，在决定系统参数时，往往还需要依靠现场调试及经验，而PID调节器就充分显示了它的威力。所以它的应用经久不衰，而且有所发展，应用范围更加广泛。至今它仍是一种最基本的控制算法。
众所周知，著名的PID控制是按偏差的比例（P-Proportional）积分（I-Integral）和微分（D-Derivative）线性组合而进行控制的方式。PID控制器早在30年代末期就已经出现，经过五十多年不断的更新换代，由模拟PID控制器发展到数字PID控制器，并被广泛用于工业过程控制中。所有这些都表明PID控制作为一种最基本最常用的控制方式之所以经久不衰，是因为这种控制算法中包含着一些深刻的本质的东西，需要我们去认识和总结，这对于研究和设计智能控制器无疑是十分必要的。
目前，大多数工业对象的动态特性尚未被完全掌握，得不到精确的数学模型，难以满足控制理论分析的要求，在决定系统参数时，往往还需要依靠现场调试及经验，而PID调节器就充分显示了它的威力。所以它的应用经久不衰，而且有所发展，应用范围更加广泛。至今它仍是一种最基本的控制算法。
PID控制器提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除静态偏差，通过微分作用可以预测未来PID控制器能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下。PID控制不仅是分布式控制系统的重要组成部分，而且嵌入在许多有特殊要求的控制系统中。在过程控制中，绝大多数的控制回路采用PID控制器［３］。
为什么PID控制器在现代控制系统中应用的如此广泛呢？
首先，PID控制器有很长的应用历史，只要设计和参数整定合适，在许多场合都能获得比较满意的效果。
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其次，由于PID控制器有一个相对固定的结构形式，一般仅有三个参数需要设置，需要精确的数学模型，并且PID控制器操作简单、维护方便、对设备和技术人员的要求不高，因而在现有控制系统中使用方便。
而且，随着微处理器性价比的不断提高，能够实现一些优于传统PID控制算法的复杂控制算法。控制技术的迅速发展导致了控制系统的组合化，然而在这种情况下，为什么PID控制器依然能在过程工业中得到广泛应用?其中一个重要原因是许多高级控制策略(如模型预测控制)都采用分层结构，而PID控制被用于最底层，上层多变量控制器给底层的PID控制器提供设定值。另一个原因是负责实际操作的技术人员要掌握复杂控制系统的原理和结构比较难。
同时，伴随电子管、半导体和集成电路技术的发展，PID控制器发生了许多变化，从过去的气动式向今天的微处理器方向发展。微处理器的出现对PID控制器产生了重大影响，实际上今天几乎所有的PID控制器都是建立在微处理器基础上的。这样也就给传统PID控制器提供了增加一些新功能的可能，这些新功能主要包括自整定、增益调度和自适应。自整定技术对于工程师设置控制器参数非常有用，尤其体现在一些复杂回路的控制器的参数整定上。
终上所述，PID控制器可在现代控制系统中应用的如此广泛也就不难理解了。同时由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛用于过程控制和运动控制中。数字PID控制算法是将模拟PID离散化得到，各参数有着明显的物理意义，更加的方便，所以PID控制器在工业过程控制中应用的如此广泛。
2.2 PID控制器的基本原理
PID(Proportional, Integral and Differential)控制器是一种基于“过去”，“现在”和“未来”信息估计的简单算法。数字PID控制是在生产过程中一种最普遍采用的控制方法。本设计在这里仅介绍控制的基本原理。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如图所示［3～4］。
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图2.1 常规PID控制系统原理图
系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值ysp?t?和实际输出值y?t?构成控制偏差e?t?,将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为:
1?de(t)?（2.1） u(t)?Kp?e(t)?Ti?e(t) dt?Td?dt?0?
其中: e?t??ysp?y?t? ，
Kp为比例系数, Ti为积分时间常数， Td为微分时间常数。 2.2.1 比例(P)调节
比例调节是数字控制中最简单的一种调节方法。其特点是调节器的输出与控制偏差e(t)成线性比例关系，控制规律为y(t)?Kp*e(t)?yo(t)。其中：Kp是比例系数，yo(t)是偏差e(t)为零时调节器的输出值。图2.2为比例调节器输人与输出的关系图。
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图2.2 比例调节器输入与输出的关系
当输出值y(t)与设定的期望值r间产生偏差时，比例调节器会自动调节控制变量(如为控制阀门的开度)的大小。控制变量的大小会朝着减小偏差e的方向变化。比例系数Kp的大小决定了比例调节器调节的快慢程度，Kp大调节器调节的速度快，但Kp过大会使控制系统出现超调或振荡现象。Kp小调节器调节的速度慢，但Kp过小又起不到调节作用。另外，虽然比例调节器控制规律简单，控制参数易于整定，但缺点是它只能在一种负载情况下实现无静差值的调节，当负载变化时，除非重新调整相应的yo值的大小，否则控制系统将会产生无法消除的静差值。
比例作用的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e?t?，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。从图2.3可以看到(被控对象的传递函数为: ,
()s可以看出随着比例系数?1)以下均相同Kp的增大，稳态误差在减小；同时动态性能变差，振荡
13比较严重，超调量增大。
针对设定值控制中的超调问题，Hang C.C.等人提出了一种关于比例控制的改进算法。通过在比例控制中引入设定值加权系数b，将PID控制器修正为：
??1?de(t)?? (2.2) y?K?e(t)?Te(t)d?T??p?itddt??0??其中ep?t??bysp?t??y?t?，即通过调节设定值信号的比例增益，减小相应的动态响应增益以克服超调问题。
图2.3 比例控制系统响应曲线
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基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真分析.
