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普控动态

   PID是什么?

 
  :1:自动调节系统
 
  自动调节系统说复杂其实也很简单。其实每个人从生下来以后,就逐渐地从感性上掌握了自动调节系统。
 
  比方说桌子上放个物体,样子像块金属,巴掌大小。你心里会觉得这个物体比较重,就用较大力量去拿,可是这个东西其实是海绵做的,外观被加工成了金属的样子。手一下子“拿空了”,打住了鼻子。这是怎么回事?比例作用太强了。导致你的大脑发出指令,让你的手输出较大的力矩,导致“过调”。
 
  还是那个桌子,还放着一块相同样子的东西,这一次你会用较小的力量去拿。可是东西纹丝不动。怎么回事?原来这个东西确确实实是钢铁做的。刚才你调整小了比例作用,导致比例作用过弱。导致你的大脑发出指令,命令你的手输出较小的力矩,导致“欠调”。
 
  还是那个桌子,第三块东西样子跟前两块相同,这一次你一定会小心点了,开始力量比较小,感觉物体比较沉重了,再逐渐增加力量,最终顺利拿起这个东西。为什么顺利了呢?因为这时候你不仅使用了比例作用,还使用了积分作用,根据你使用的力量和物体重量之间的偏差,逐渐增加手的输出力量,直到拿起物品以后,你增加力量的趋势才得以停止。
 
  这三个物品被拿起来的过程,就是一个很好的整定自动调节系统参数的过程。其实上面所说的例子不能算是一个连续的自动调节系统。骑自行车可以说是一个高级复杂的自动调节。
 
  在自动调节的发展历程中,PID的创立是非常重要的一环。PID,就是对输入偏差进行比例积分微分运算,运算的叠加结果去控制执行机构。
 
  2:调节器。
 
  调节器是干什么的?
 
  调节器就是人的大脑,就是一个调节系统的核心。任何一个控制系统,只要具备了带有PID的大脑或者说是控制方法,那它就是自动调节系统。如果没有带PID的控制方法呢?那可不一定不是自动调节系统,因为后来又涌现各种控制思想。比如时下研究风头最劲的模糊控制,以前还有神经元控制等等;后来又产生了具有自组织能力的调节系统,说白了也就是自动整定参数的能力;还有把模糊控制,或者神经元控制与PID结合在一起应用的综合控制等等。
 
  基本的调节器具有两个输入量:被调量和设定值。被调量就是反映被调节对象的实际波动的量值。比如水位温度压力等等;设定值顾名思义,是人们设定的值,也就是人们期望被调量需要达到的值。被调量肯定是经常变化的。而设定值可以是固定的,也可以是经常变化的,比如电厂的AGC系统,机组负荷的设定值就是个经常变化的量。
 
  基本的调节器至少有一个模拟量输出。大脑根据情况运算之后要发布命令了,它发布一个精确的命令让执行机构去按照它的要求动作。在大脑和执行机构(手)之间还会有其他的环节,比如限幅、伺服放大器等等。有的限幅功能做在大脑里,有的伺服放大器做在执行机构里。
 
  上面说的输入输出三个量是调节器最重要的量,其它还有许多辅助量。比如为了实现手自动切换,需要自动指令;为了安全,需要偏差报警等等。这些可以暂不考虑。为了思考的方便,咱们只要记住这三个量:设定值、被调量、输出指令。事实上,为了描述方便,大家习惯上更精简为两个量:输入偏差和输出指令。输入偏差是被调量和设定值之间的差值,这就不用罗嗦了吧?
 
  3:负反馈
 
  在电子领域,乃奎斯特已经提出了负反馈回路可以使得系统稳定这个概念。维纳通过在电子学领域的知识,在控制领域取得了重大突破。其实瓦特的蒸汽转速控制系统,本身也不知不觉地应用了负反馈系统:转速反馈到连杆上后,控制汽阀关小,使得转速降低。只是瓦特没有把这个机构中的原理提炼出来,上升到理论高度。说着容易做着难,这个理论经过了200年才被提出来。
 
  负反馈理论应用非常广泛。维纳本人研究的物理、无线电、生物学,在这些领域都广泛的应用着负反馈原理,这些学科很可能都给他提出负反馈理论以支持。不光物理、无线电、生物学使用负反馈,也不光工业控制使用负反馈,大到国家宏观调控,中到商业管理,小到个人的行为,角角落落,无不出现负反馈的身影。国家每一项宏观调控政策出台后,总要收集各种数据观察政策发布后的效果,这个收集的信息叫反馈。对收集到的信息如何处理呢?
 
  比如发现政策使得经济过热了,那么下一步就要修改政策,抑制经济过热。我们总要把这个信号进行相反处理,这个对收集到的信号进行相反处理的办法叫做负反馈。
 
  朱镕基先生在当总理的时候,发现电力建设过快,就严格控制电力建设的审批,使得电力建设的步伐放缓。等到温家宝先生当总理的时候,发现坏了,电力建设步伐过慢,与国家的快速经济发展不相适应,国家到处出现电荒。于是温政府放松电力建设审批,电力建设急速加快。过了几年发现又坏了,电力建设审批门槛过低,能源浪费严重。然后开始实行适度控制电力建设的办法,电力建设得到良好有序地发展。这一段时期对电力建设的控制是个比较典型的负反馈过量的问题。看样子,温家宝先生似乎比朱镕基先生在自动控制方面学习成绩要好一点。不过也不好说,说不定是前车之鉴,使得后来总结了经验。
 
  维纳当年就认识到反馈信息过量的后果。这里还涉及到一个问题,就是控制过度,使得系统发生震荡。控制过度其实就是比例带过小。负反馈是不是过量,也跟比例带的设置有关系。这些个问题在后面的“稳定性”章节中具体探讨。商业管理中也广泛应用负反馈原理。最近老板们总是强调执行力。执行力怎么体现?收集反馈信息。老板们往往要求我们命令要有回复,回复就是反馈。如果老板们还要判断命令是否合理,那就需要用负反馈原理
 
  4:pid控制原理
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  -比例系数,-积分时间常数,-微分时间常数;
 
  比例(P)控制是一种最简单的控制方式。其控制器的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在稳态误差(Steady-stateerror)。
 
  在积分(I)控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
 
  在微分(D)控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
 
  在PID控制器中,比例部分产生与偏差成正比的输出信号,以便消除偏差;积分部分产生与偏差的积分值成正比的输出信号,以便消除系统的静态误差;微分部分产生与偏差的变化率成正比的输出信号,以便加快控制器的调节速率,缩短过度时间,减少超调。如果这三部分配合适当,便可得到快速敏捷,平稳准确的调节效果。
 
  因此,控制器的关键问题是如何选择比例、积分、微分系数,而这些参数的整定的困难使PID控制器的应用受到限制。实际上,PID控制规律是一种线性的控制规律,它也具有传统控制理论的弱点,仅在简单的线性单变量系统中有较好的控制效果,而在复杂的系统的控制效果不佳。
 
  概括而言,PID控制器的比例、积分和微分三个校正环节的作用如下:
 
  比例环节:能迅速反映控制系统的误差,减少稳态误差,但比例控制不能消除稳态误差,比例放大系数的加大,会引起系统的不稳定。
 
  积分环节:主要用于消除系统稳态误差,只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差,使系统误差为零,但积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统产生振荡;积分作用的强弱取决于积分时间常数越大,积分作用越弱。
 
  微分作用:减少超调量及克服振荡,使系统的稳定性提高,同时加快系统的动态响应速度,减少调整时间,从而改善系统的动态性能。但是,PID控制主要局限性在于它对被控对象的依赖性,一般需预先知道被控对象的数学模型方可进行设计。