(2) 积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T1,T1越大,积分作用越弱,反之越强。
(3) 微分环节:反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。
PID调节器是一种较为理想的传统调节器, [12、13] 其比例作用起主要调节作用,一般只有比例作用能单独完成自动调节控制。但是,仅采用比例调节,系统会存在稳态误差。积分作用的引人可以实现无差调节,但又容易过调使系统产生振荡;微分作用能减小动态偏差,用于克服对象的迟延和减小积分作用造成的过调比较有效,但不能单独使用。在实际应用中,总是以比例调节为主,根据对象特性和调节要求适当加入积分和微分调节作用,构成较为完善的PID调节器。
在现代由于计算机进入控制领域,用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统,用软件实现PID控制算法,而且可以利用计算机的逻辑功能,使PID控制更加灵活。计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此,连续PID控制算法不能直接使用,需要采用离散化方法。在计算机PID控制中,使用的是数字PID控制器。目前有位置式PID控制算法以及增量式PID控制算法[14-16]。位置式PID控制算法由于采用了全量输出,所以每次输出均与过去的状态有关,计算时要对error(k)量进行累加,计算机运算工作量大。而且,因为计算机输出的控制量u(k)对应的是执行机构的实际位置,如计算机出现故障,u(k)可能会出现大幅度的变化,会引起执行机构位置的大幅度变化,这种情况往往是生产实践中不允许的,在某些场合,还可能造成重大的生产事故,因而产生了增量式PID控制的控制算法。文献综述
增量式控制虽然只是算法上作了一点改进,却带来了不少的优点:
(l) 由于计算机输出增量,所以误动作时影响小,必要时可用逻辑判断的方法去掉。
(2) 手动/自动切换时冲击小,便于实现无扰动切换。此外,当计算机发生故障时,由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用,故仍能保持原值。
(3) 算式中不需要累加。控制增量△u(k)的确定,仅与最近k次的采样值有关,所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。
但是增量式控制也有其不足之处:积分截断效应大,有静态误差;溢出的影响大。因此,在选择时不可一概而论,一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中,可采用位置式控制算法,而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中,则可采用增量式控制算法。
在计算机控制系统中,PID控制规律是用计算机程序来实现的,因此它的灵活性很大。一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题,在引入计算机以后,就可以得到解决,于是产生了一系列的改进算法,形成非标准的控制算法,以改善系统的品质,满足不同控制系统的需要,这里介绍两种改进控制算法:积分分离和不完全微分。
积分分离控制基本思路是:当被控量与设定值偏差较大时,取消积分作用,以免由于积分作用使系统稳定性降低,超调量增大;当被控量接近给定值时,引入积分控制,以便消除静差,提高控制精度。
不完全微分控制的基本思路是:微分信号的引入可以改善系统的动态特性,但也易引进高频干扰,在误差扰动突变时尤其显出微分项的不足。若在控制算法中加入低通滤波器,则可使系统性能得到改善。