田剛 趙瑩

（田剛：河北聯(lián)合大學(xué)附屬醫(yī)院。趙瑩：河北聯(lián)合大學(xué)圖書館。）

一、PID調(diào)節(jié)器

按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為PID（Proportional—Integral— Differential）調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式，其調(diào)節(jié)的實質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運算，其運算結(jié)果用于輸出控制。在實際應(yīng)用中，根據(jù)具體情況，可以靈活地改變PID的結(jié)構(gòu)，取其一部分進(jìn)行控制

二、PID控制實現(xiàn)的控制方式

（一）模擬方式：用電子電路調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中，將被測信號與給定值比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID電路運算后送到執(zhí)行機構(gòu)，改變給進(jìn)量，達(dá)到調(diào)節(jié)之目的。

（二）數(shù)字方式：用計算機進(jìn)行PID運算，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，輸出去控制執(zhí)行機構(gòu)。

三、PID算法

在過程控制中，PID控制器，一直是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器；PID控制也一直是眾多控制方法中應(yīng)用最為普遍的控制算法，PID算法的計算過程與輸出值有著直接函數(shù)關(guān)系，因此想進(jìn)一步了解PID控制器，必須首先熟悉PID算法。PID控制器調(diào)節(jié)輸出，是為了保證偏差值（e值）為零，使系統(tǒng)達(dá)到一個預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)。這里的偏差（e）是給定值（SP）和過程變量值（PV）的差。為了讓計算機能處理PID算法，我們必須把連續(xù)算式離散化成為周期采樣偏差算式，才能計算調(diào)節(jié)輸出值。將積分與微分項分別改寫成差分方程。積分項是：從第一個采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項的函數(shù)。微分項是：當(dāng)前誤差采樣和前一次誤差采樣的函數(shù)。在這里需要說明的是：我們在積分項中可以不保存所有誤差項，因為保存所有誤差項會占用較大的計算機存儲單元，所以我們通常從第一次誤差采樣開始，我們利用每一次偏差采樣都會計算出的輸出值的特點，在以后的輸出值計算時只需保存偏差前項和積分項前值。利用計算機的處理的周期重復(fù)性，我們就可以根據(jù)我們剛才推導(dǎo)的數(shù)字偏差算式計算出下一次積分項值。

在生產(chǎn)實際的計算機控制系統(tǒng)當(dāng)中涉及到采樣周期選取的問題，采樣周期是計算機重新掃描各現(xiàn)場參數(shù)值變化的時間間隔，控制周期是重新計算輸出的時間間隔，在不考慮計算機CPU運算速度的情況下，采樣周期與控制周期通常認(rèn)為是同一描述。在實際工業(yè)過程控制中，采樣、控制周期越短，調(diào)節(jié)控制的品質(zhì)就越好。但盲目、無止境追求較短的采樣周期，不僅使計算機的硬件開支增加，而且由于現(xiàn)行的執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)速度較低，過短的采樣周期并不能有效地提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此我們必須從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面綜合考慮采樣頻率的選取。選取采樣周期時，必須考慮到以下幾方面：

（一）采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對象的擾動周期。

（二）采樣周期應(yīng)比對象的時間常數(shù)小得多，否則所采樣得到的值無法反映瞬間變化的過程值。

（三）考慮執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)速度。如果采用的執(zhí)行器的響應(yīng)速度較慢，那么盲目的要求過短的采樣周期將失去意義。

（四）對象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在計算機速度允許的情況下，采樣周期短，調(diào)節(jié)品質(zhì)好。

（五）性能價格比。從控制性能來考慮，希望采樣周期短。但計算機運算速度，以及A/D和D/A的轉(zhuǎn)換速度要相應(yīng)地提高，會導(dǎo)致計算機的費用增加。

（六）計算機所承擔(dān)的工作量。如果控制的回路較多，計算量又特別大，則采樣要加長；反之，可以將采樣周期縮短。

四、控制器PID項的選擇

在實際過程控制中，為使現(xiàn)場過程值在較理想的時間內(nèi)跟定SP值，如何確定選用何種控制或控制組合來滿足現(xiàn)場控制的需要顯得十分重要。根據(jù)前面的對PID算法的分析，下面將常用的各種控制規(guī)律的控制特點簡單歸納一下：

（一）比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。

（二）比例積分控制規(guī)律（PI）：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。

（三）比例微分控制規(guī)律（PD）：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。需要說明一點，對于那些純滯后較大的區(qū)域里，微分項是無能為力，而在測量信號有噪聲或周期性振動的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。