PID控制算法的科学研究分析

PID控制算法的科学研究分析

作者：杨新华

来源：《电子技术与软件工程》2015年第18期

PID控制器具有结构简单、可靠性高、稳定性强和调节方便等优点，因此，PID控制技术现在已成为了主要的工业控制技术之一，当前PID控制技术，已经在许多领域使用。 【关键词】PID控制算法 原理 科学研究 参数整定 1 PID控制原理

传统的模拟PID控制系统的数学方程式为：u（t）=Kp*e（t）+Ki∫0te（t）dt+Kdde（t）/dt其中Ki=Kp*1/Ti，Kd=Kp*Td。

模拟的PID控制器，控制系统的比例部分的作用是尽快的对偏差做出回应。当偏差，控制器立即响应，以便使得控制目标偏差变得更小。从数学表达式看出，控制偏差的能力和比例因子Kp息息相关，所述控制器密切相关的比例因子变大，其监管能力就越强，系统的稳定偏差就会变小。只要系统有偏差，那么它会逐步加强管制作用，这是通过数学表达式得出来的结论。当偏差为零时积分项的值为恒定的，则控制系统是恒定的动作，这样可以避免稳态误差。积分控制的引入，以消除稳态误差，但它也降低了系统的响应速度，这样的Ti积分系数，要根据控制的现场实际需要来确定，如果对系统要求的响应时间相对较高，那么，使用一个较小的积分系数Ti，如果相反，那么积分系数Ti应该选择得大一些，则使用一个较大的积分系数Ti。基于微分的数学方程式：Kp=Tdde（t）/d（t）中可以看出，微分常数Td决定了微分控制的作用。Td的变化较大，微分调节作用就会较强，更有效的控制偏差，如果Td的变化不大，微分调节作用就会较弱。选择适当的微分时间常数，充分利用系统的稳定性差调节是非常有利的。

2 PID控制算法的科学研究 2.1 位置式控制算法研究

它的数学表达式是根据公式，即PID控制算法的定义计算出控制量的，这种计算方法来计算完全控制的价值，它经常被称为PID控制算法，原因是位置PID控制算法以控制输出的全部量，因此，每次输出量与之前的控制状态存在着一定的关系。

在计算输出量时要对EN累计求和，当控制系统的工作时间长，最后EN在无数次的计算后，最终累积值甚至可能超过了控制系统，这可能会导致严重的事故，这种事故是绝对不允许发生的，为了不让这种事故发生，PID控制算法是最佳的方式。 2.2 增量式PID控制算法研究

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该算法是为了弥补位置式算法的不足之处提出来的，其优点：（1）增量算法EN不积累，只知道连续三个样本偏差EN，E（N-1），E（N-2）控制系统可以计算出输出量，而且是行政增量的主体，所以不存在积分饱和的现象，因而，对于控制系统的工作原理提供了高可靠性和安全性。（2）当使用位置式PID控制算法，在手动和自动控制切换时，控制系统输出值必须等于执行机构的初始数值确定手动控制和自动控制不受干扰的切换，在应用增量式PID控制算法时，控制系统与每个输出值仅与每个采样时间的偏值有关，与执行机构的位置无关，所以，手动与自动之间的切换很容易实现。 2.3 微分先行法研究

对于一些纯延时控制项目提出来的微分先行法，如果一个PI或PID控制算法控制器稳态和动态特性会下降，就是说，纯延时越大，其存在的问题就更加地突出。

通过研究和分析PID控制得出，微分作用可以使控制系统按照控制对象的变化来修正控制对象偏压的偏差，因为变化率过大，将增加它超调量，因此微分环节的主要功效就是克服控制系统的超调量。如果将该环节放在比例环节的后面，输入偏置微分部分是系统通过操作后数值的比例，从而导致了被控对象的微分环节没有真正改变以校正偏差率，克服超调量的效果也有限。如果把微分环节的位置给预予调整，加在比例环节的前面，微分环节对克服超调量的效果就会越好。

2.4 积分分离PID控制算法研究

如果按照实际情况来决定积分环节是否在PID控制算法中使用，就必须先设置一个积分分离阈值M，一般情况下，在PID控制系统中，如果整体控制作用太强，那么控制和调节的时间就会越长。调节时间长并不是所有的控制系统都需要的，为了解决这个弊端，应该考虑使用积分分离PID控制算法，这是基于原始PID控制算法上，根据偏差的大小，来决定是否使用积分控制作用，通过对比例积分的研究得出，这种方法的使用既可以控制控制系统的超调量，又可以提高系统动态的特性，还能发挥积分环节的作用。具体的操作方法：依据现场的控制情况，手动设置的偏差阈值M，当偏差|e（n）|>M时，积分环节就会被控制系统自动放弃，就会自动使用PD控制算法；当|e（n）|

对于相同的控制对象，就要采用相同的参数，使用不一样的控制算法，即常规PID控制算法和积分分离PID控制算法，我们可以得出，使用积分分离PID控制算法，可以使控制系统调节所需要的时间比较短，减小了过冲量，性能也得到了改善。 3 PID控制系统的参数整定 PID参数整定科学的方法有两类： 3.1 理论计算整定法

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基于控制模型和系统来实施计算的方法就是理论计算整定法，因为许多的数学模型存在着不确定性，有些模型计算起来程序比较复杂，效率比较低，所以这种方法很少在实际的现场控制中使用。 3.2 工程整定法

在直接通过观察测试结果，参考工作经验的方法就是工程整定法。完成系统的调节参数测试的方法，这种方法是比较简单，易于掌握。在许多领域应用比较广泛。 4 结束语

PID控制器是一个既简单又固定的形式，不管在什么条件的工作范围内都有很好的鲁棒性，而工程技术人员可以用简单而直接的方式来调整系统，使工业控制领域得到了应用，也有更高的科学探究。 参考文献

[1]徐锋，张嫣华.数字控制系统的PID算法研究[J].机床电器，2008（06）. [2]李树伟.PID算法的数字实现[J].包钢科技，2008（03）.

[3]段文燕，吴黎辉，周迥，李海宾.PID算法中积分环节的改进[J].微计算机信息，2007（16）.

[4]杨巨庆，黄健，段丽华.PID控制技术与应用[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2004（02）. 作者单位

辽宁工程职业学院 辽宁省铁岭市 112000