力控的策略控制器PID算法介绍及应用

力控的策略控制器可以方便地实施多种控制算法，在这里我们以PID为例介绍如何在力控中组建一个PID控制系统。


　　多年以来，在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。长期以来被广大科学技术人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。
连续系统PID调节器为对误差的比例、积分和微分控制，即


或


式中：Ti、Td分别为积分和微分时间常数；Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数。在计算机控制系统中使用的是PID数字调节器，就是对式（1）离散化 ，令



式中，T是采样周期。由式（1）与式（3）可得


式（4）称为位置式PID控制算法。
　　由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，导致控制器的响应速度变慢，而且由于积分的累积作用，在手动和自动切换时，很难做到无扰动切换。因此，人们又提出一种新的控制算法，PID增量式控制算法：


在力控的策略控制器中采用的是增量式算法，但是输出采用位置式输出。即把上次输出加上本次计算的增量输出即得到本次的位置式输出。
PID控制回路有三种方式，手动，自动和串级，在手动状态下，PID控制回路相当于手动调节器。在自动状态下，PID控制回路完成PID算法，设定值由操作站给定，在串级状态，设定值由主回路的输出给定。当回路处于手动状态下时，设定值具有自动跟踪测量值功能，以便从手动切换到自动状态时，切换时是无扰动的；当回路处自动状态时，主回路的输出自动跟踪副回路的设定，以便当下一级控制回路从自动切换到串级时，切换时是无扰动的。
　
　　其实现过程如下：
　1）如果是紧急状态，则进入安全态处理。不执行以下步骤。
　2）如果存在副回路，并且副回路不处于串级状态，则该回路：
　　　a），如果副回路是手动状态，则该回路进入手动状态，并且输出跟踪副回路的设定值；
　　　b），如果副回路是自动状态，输出跟踪副回路的设定值。
　

　　不执行以下步骤。
　3）如果该回路是手动状态，则直接输出，不执行以下步骤；
　4）检查输入和设定值是否超限，如果超限，进行超限处理；
　5）则计算偏差。检查是否有偏差死区，如果有，则处理偏差死区；
　6）计算PID的控制输出；
　7）判断输出和变化率是否超限，如果超限则进行处理。
　　

　　在力控的策略控制器中，很容易就可以实现一个PID回路。先进入力控的策略控制器组态环境Strategy Builder，如果没有主策略，这时会提示建立一个主策略，如果已经存在一个主策略，则打开该策略（或打开其它的子策略）。在左侧的导航器中选择工具\控制算法\PID控制器，然后在右边的工作区点击鼠标，就可以画出一个PID控制块。选中该块，可以改变其参数，如点名、比例、积分、微分等各种参数。再选择输入输出变量，输入变量可以是力控实时数据库中的变量，也可以是策略控制器中的I/O点。在本例中，我们用实时数据库中的点来实现。如同画PID控制块一样，选择工具\变量\数据库输入变量（数据库输出变量）画出两个数据库变量引用块。然后在属性中选择输入输出的变量。在输入变量aaa.pv的输出管脚上双击，再在PID控制块的PV管脚上双击，这样就在两者之间形成了一条线，这表示把aaa.pv的值作为PID控制块的测量值。同样把PID控制块的输出连接到aaa1.pv上。如下图所示：



　　然后，从菜单中选择编译和运行中选择编译当前工程，然后，运行当前工程，就可以实施PID控制了。
PID参数的选择：

　　数字PID调节器参数的整定可以仿照模拟PID调节器参数整定的各种方法，根据工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数。这里就各个参数对系统性能的影响简单加以说明。
①比例系数P对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；P偏大，振荡次数加多，调节时间加长；P太大时，系统会趋于不稳定；P太小，又会使系统的动作缓慢。P可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。如果P的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。同时要注意的是，力控的策略控制器的PID控制块的P参数是PID控制中的增益。
②积分控制I对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，I小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
③微分控制D对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，D偏大时，超调量较大，调节时间较短；D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有D合适，才能使超调量较小，减短调节时间。