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区分PID控制器的不同

作者:Vance VanDoren2010.01.21阅读 24468

  由于控制器设计者认定的“标准”PID算法之间存在差异CONTROL ENGINEERING China版权所有,这种情况势必引起误解并影响整定操作。
  
  上大学的时候,我学习了应用广泛的比例—积分—微分(PID)控制算法。从“理论PID算法”图表中可以看出,该算法由对误差信号执行操作的3个运算符或者说选项组成。控制器可以计算出过程变量和设定值之间误差的积分值和微分值,然后将这两个值与误差叠加,生成一种控制算法。用户通过选择整定参数——比例增益(P),积分增益(I)和微分增益(D),控制每个选项的比重,从而调整控制器的性能。
  在我为Control Engineering撰写第一篇PID教程时,我一直认为商品化的PID控制器就是以这种方式运行的。很快,我发现商品化的PID控制器确实能够计算误差信号及其积分值、微分值,但是它们通常是按照标准PID算法的形式将三者结合的(见“标准PID算法”图表) 。这种算法的最终结果和理论算法一致,但是采用了稍作改动的PID方程,引入了一套不同的整定参数——控制器增益(Kp)、积分时间(Ti)和微分时间(Td)。

理论PID算法

  PID控制器对过程的校正操作综合了由比例项提供的比例作用(顶部)、由积分项提供的积分作用(中部)以及由微分项提供的微分作用(底部)。各项的相对作用大小由P、I、D整定参数决定。由于改变某项整定参数不会引起其他两项作用大小的变化,这样的安排也被称为非交互式或独立算法。
  来源:Control Engineering

  误解可能发生在——
  幸运的是,我们可以简单地对这两种算法以及相关的P、I、D和Kp、Ti 、Td参数进行一番比较。它们的关系如下:
  P= Kp
  I = Kp / Ti
  D = Kp · Td
  比例增益P和控制器增益Kp取值相同。因此,如果用户意识不到理论PID算法和标准PID算法之间的区别,那么他们会错误地认为 “积分增益”和“积分时间”是同一个概念,“微分增益”和“微分时间”也是同一个概念(和我当初所想的一样)。不幸的是,这种错误的认识会使得实际回路的整定无法实现。
  假设一位控制工程系的学生设计了一条特殊的反馈回路www.cechina.cn,其中包含一台比例增益值为3、积分增益值为2、微分增益值为1的理论PID控制器。如果将这3个值作为控制器增益、积分时间和微分时间输入一台标准的商品化控制器,那么就相当于作了下列设定:
  P = 3
  I = 3 / 2 = 1.5
  D = 3 · 1 = 3
  控制器最终会执行预定的比例操作。但是积分作用减少了25%(增益为1.5 ,而不是2),并且微分作用是此学生当初设计值的3倍。

标准PID算法

  标准的或者ISA标准形式的PID算法允许用户通过调整单个参数Kp同时改变三项的作用大小。比例、积分和微分作用的大小都与Kp的取值有关。因此,这种安排又被称为依赖性或依赖性理想PID算法。虽然学术界很少采用这种形式的算法,但是它偶尔会被冠以学术算法之名。  来源:Control Engineering
 
  何种PID是也?
  整定参数不兼容不仅仅是缺乏经验的大学生才会遇到的问题。一些商品化的控制器采用了串行或连续式的PID算法。这种算法用到另一套整定参数,如“串行PID算法”图表所示。假设两条回路中各有一台控制器www.cechina.cn,其中一台采用了标准算法,另一台采用了串行算法。在回路其他条件完全相同的情况下,如果工业用户对这两台控制器作了相同的整定,那么他得到的结果会截然不同。
  更糟糕的是,即使理论算法和标准算法存在差异,有时候它们都被说成是理想算法。这就导致了一些理想控制器的整定技术无法应用到另一些理想控制器上。
  另一方面CONTROL ENGINEERING China版权所有,“并行”或“理想并行”一词似乎是专指理论算法的。因为在该算法中,比例,积分和微分操作以并行方式CONTROL ENGINEERING China版权所有,而非串行方式执行。讽刺的是,标准算法中的三项也以并行方式执行,但是“标准”和“平行”几乎从没有被认为是同一概念。

串行PID算法

  在这种形式的PID算法中,比例项、积分项和微分项是串行执行的。每项的调整都与其他两项有关,因此它也被称为交互式或依赖性交互式PID算法。在模拟控制器盛行的年代,串行PID算法使用起来更容易。目前,尽管几乎所有的商品化控制器都采用了数字微处理器,但是当我们用数字器件替换模拟控制器时,串行算法有时仍被用来保存整定参数。
  来源:Control Engineering

 
  整定专用术语
  整定参数本身也会因为描述角度不同而被冠以不同的名称。当PID控制器最早被开发时,微分操作被认为是“预操作模式”,因为微分项是最先起作用的,它对控制器校正行为的加速作用远远超过了比例项。早期用户通过选择较大或者较小的“预操作时间”来增加或减少提前程度(微分)。现在,PID供应商通常将控制器的微分作用称为“比率”。
  积分作用最初被认为是“自动复位”,因为积分项看起来会自动将设定量

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