炉温控制中的PID控制技术

发布日期：2013/1/26 23:13

P、I、D的作用，P就是比例控制，是一种放大（或缩小）的作用，它的控制优点就是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控量朝着减小误差方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。举个例子：如果你煮的牛奶迅速沸腾了（你的火开的太大了），你就会立马把火关小，关小多少就取决于经验了（这就是人脑的优越性了），这个过程就是一个比例控制。缺点是对于具有自平衡性的被控对象存在静态误差，加大Kp可以减小静差，但Kp过大时，会导致控制系统的动态性能变坏，甚至出现不稳定。所谓自平衡性是指系统阶跃响应的终值为一有限值，举个例子：你用10％的功率去加热一块铁，铁最终保持在50度左右，这就是一个自平衡对象，那静差是怎样出现的呢？比例控制是通过比例系数与误差的乘积来对系统进行闭环控制的，当控制的结果越接近目标的时候，误差也就越小，同时比例系数与误差的乘积（控制作用）也在减小，当误差等于0时控制作用也为0，这就是我们最终希望的控制效果（误差＝0），但是对于一个自平衡对象来说这一时刻是不会持续的。就像此时你把功率降为0，铁是不会维持50度的（不考虑理想状态下），铁的温度开始下降了，误差又出现了也就是比例控制最终会维持一个输出值来使系统处于一个固定状态，既然又输出，误差也就不等于0了，这个误差就是静差。

   虽然简单的比例控制反馈能保证系统稳定，但常有较大的静差，满足不了稳态精度的要求，这就是（I）积分控制引入的原因了，积分控制的优点是能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差，就像人脑的记忆功能，只是传统的积分控制是不加选择的“记忆”误差及误差变化的所有信息，人脑就没这么笨了，人脑是有选择的记忆有用的信息，并遗忘无用的信息（又是人脑的优越性）。但积分控制的不足之处就在于积分作用具有滞后特性，举个例子：一个电源通过一个电阻对电容充电，要过一定时间后电容两端的电压才会等于电源的电压（理想状态下），这就是一个积分电路。而且存在积分饱和现象，如果积分控制作用太强会使控制的动态性能变差，以致使系统变得不稳定。

   由于通常被控对象都是具有惯性作用的，而且这种作用是不能忽略的，为了加快控制系统的响应速度，减少超调量，人们引入了（D）微分控制，微分作用的优点是它具有对误差进行微分，敏感出误差的变化趋势，增加系统稳定性。就像人脑的预见性。只要控制系统的误差有变化，微分就起作用。它的缺点是对干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。

   对于加热系统的控制，如果要采用PID控制的话是需要结合不同控制要求而采用不同的方法的，如果对升温阶段的曲线不要求可以直接用P（或PD）控制升温过程，保温段再采用PID控制，这样的好处是升温速度快。保温段最好用PID控制，积分相当重要，是起主要控制作用的，否则保温段很容易出现振荡或静差，如果你最终稳定了并保持在给定温度，最好还是把微分去了，否则来个信号干扰它就不得了了。加热对象惯性都比较大，温度是不会突变的。如果你的PID参数调整的好的话，保温段的控制效果是非常好的。如果要求升温曲线（也就是升温的速度要也要控制），那升温段最好还是用PID（或PD），这个阶段想控制好不是件容易的事，特别是那些大滞后的系统。升温段积分只是“配角”，“主角”是比例控制，如果积分利用不好是很容易是系统超调的，对于加热系统来说，超调是很麻烦的事，你必须尽量保证你的控制系统不超调。此时最好的方法就是改积分时积分，不该积分就不要积，搞这么复杂还不如直接分离积分得了。