力控的策略控制器PID算法介紹及應用

力控的策略控制器可以方便地實施多種控制算法，在這里我們以PID為例介紹如何在力控中組建一個PID控制系統。　　
　　多年以來，在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器（亦稱PID調節器）是應用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現，適用面廣，控制參數相互獨立，參數的選定比較簡單等優點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象──“一階滯后＋純滯后”與“二階滯后＋純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優控制。PID調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡便，結構改變靈活（PI、PD、…）。長期以來被廣大科學技術人員及現場操作人員所采用，并積累了大量的經驗。　　
　　連續系統PID調節器為對誤差的比例、積分和微分控制，即

　　
　　或

　　
　　式中：Ti、Td分別為積分和微分時間常數；Kp、Ki、Kd分別為比例系數、積分系數、微分系數。在計算機控制系統中使用的是PID數字調節器，就是對式（1）離散化 ，令
　　
　　式中，T是采樣周期。由式（1）與式（3）可得
　　
　　式（4）稱為位置式PID控制算法
　　
　　由于位置式算法輸出在計算過程中容易產生積分飽和作用，導致控制器的響應速度變慢，而且由于積分的累積作用，在手動和自動切換時，很難做到無擾動切換。因此，人們又提出一種新的控制算法，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，但是輸出采用位置式輸出。即把上次輸出加上本次計算的增量輸出即得到本次的位置式輸出。　　
　　PID控制回路有三種方式，手動，自動和串級，在手動狀態下，PID控制回路相當于手動調節器。在自動狀態下，PID控制回路完成PID算法，設定值由操作站給定，在串級狀態，設定值由主回路的輸出給定。當回路處于手動狀態下時，設定值具有自動跟蹤測量值功能，以便從手動切換到自動狀態時，切換時是無擾動的；當回路處自動狀態時，主回路的輸出自動跟蹤副回路的設定，以便當下一級控制回路從自動切換到串級時，切換時是無擾動的。　　
　　　
　　其實現過程如下：　　
　　1）如果是緊急狀態，則進入安全態處理。不執行以下步驟。　　
　　2）如果存在副回路，并且副回路不處于串級狀態，則該回路：　　
　　a），如果副回路是手動狀態，則該回路進入手動狀態，并且輸出跟蹤副回路的設定值；　　
　　b），如果副回路是自動狀態，輸出跟蹤副回路的設定值。　　
　　　
　　
　　
　　
　　不執行以下步驟。　　
　　3）如果該回路是手動狀態，則直接輸出，不執行以下步驟；　　
　　4）檢查輸入和設定值是否超限，如果超限，進行超限處理；
　　5）則計算偏差。檢查是否有偏差死區，如果有，則處理偏差死區；　　
　　6）計算PID的控制輸出；　　
　　　7）判斷輸出和變化率是否超限，如果超限則進行處理。　　
　　　　
　　
　　
　　
　　在力控的策略控制器中，很容易就可以實現一個PID回路。先進入力控的策略控制器組態環境Strategy
　　Builder，如果沒有主策略，這時會提示建立一個主策略，如果已經存在一個主策略，則打開該策略（或打開其它的子策略）。在左側的導航器中選擇工具\控制算法\PID控制器，然后在右邊的工作區點擊鼠標，就可以畫出一個PID控制塊。選中該塊，可以改變其參數，如點名、比例、積分、微分等各種參數。再選擇輸入輸出變量，輸入變量可以是力控實時數據庫中的變量，也可以是策略控制器中的I/O點。在本例中，我們用實時數據庫中的點來實現。如同畫PID控制塊一樣，選擇工具\變量\數據庫輸入變量（數據庫輸出變量）畫出兩個數據庫變量引用塊。然后在屬性中選擇輸入輸出的變量。在輸入變量aaa.pv的輸出管腳上雙擊，再在PID控制塊的PV管腳上雙擊，這樣就在兩者之間形成了一條線，這表示把aaa.pv的值作為PID控制塊的測量值。同樣把PID控制塊的輸出連接到aaa1.pv上。如下圖所示：

　　
　　然后，從菜單中選擇編譯和運行中選擇編譯當前工程，然后，運行當前工程，就可以實施PID控制了。　
　　PID參數的選擇： 　　
　　
　　
　　數字PID調節器參數的整定可以仿照模擬PID調節器參數整定的各種方法，根據工藝對控制性能的要求，決定調節器的參數。這里就各個參數對系統性能的影響簡單加以說明。　　
　　①比例系數P對系統性能的影響：比例系數加大，使系統的動作靈敏，速度加快，穩態誤差減小；P偏大，振蕩次數加多，調節時間加長；P太大時，系統會趨于不穩定；P太小，又會使系統的動作緩慢。P可以選負數，這主要是由執行機構、傳感器以及控制對象的特性決定的。如果P的符號選擇不當對象測量值就會離控制目標的設定值越來越遠，如果出現這樣的情況P的符號就一定要取反。同時要注意的是，力控的策略控制器的PID控制塊的P參數是PID控制中的增益。　　
　　②積分控制I對系統性能的影響：積分作用使系統的穩定性下降，I小（積分作用強）會使系統不穩定，但能消除穩態誤差，提高系統的控制精度。　　
　　③微分控制D對系統性能的影響：微分作用可以改善動態特性，D偏大時，超調量較大，調節時間較短；D偏小時，超調量也較大，調節時間也較長；只有D合適，才能使超調量較小，減短調節時間。