PID 控制系統如何優化？

比例積分微分(PID)控制是當今工業中Zui常用的控制算法。PID控制器的普及可歸因于該控制器在各種操作條件下的有效性、其功能的簡單性以及工程師可以使用當前的計算機技術容易地實現它。本文討論了PID的一些缺點，以及如何解決這些缺點，同時通過改變算法來提高當前實現的性能。

介紹PID控制器有一些限制其有效性的缺點。首先，它們Zui適合只有一個輸入和輸出(單輸入單輸出SISO)的系統。有了這些系統，你只有一個變量來控制，只有一個驅動應用。如果將解耦技術應用于不同的變量，您也可以使用PID控制器控制具有更多輸入/輸出的系統，這樣Zui終的整體控制就涉及到許多SISO PID控制器。盡管這種技術是可行的，但它并不容易實現，因為它嚴重依賴于變量之間的相關性有多緊密。PID控制器(以及每種控制算法)的另一個挑戰是，您需要控制的對象可能不會以線性方式運行。換句話說，給定輸入的輸出不呈現線性響應。非線性的一些例子是死區、飽和和滯后。另一個挑戰是，植物的動態也可能隨著時間而變化。這可能是由于設備負載的變化、正常磨損或機械元件的機械效率而發生的。為了補償工廠行為隨時間的變化，您需要專業用戶來重新校準您的PID增益，這會增加人工和停機時間的成本。Zui后，在調整PID控制器時，您可能無法獲得zuijia的整體系統性能，因為穩定性是一個問題，而為獲得更好的性能而進行的調整可能會導致對系統失去控制。本文研究了幾種提高系統性能和PID性能的技術。

1.增加循環速率

提高PID控制器性能的第一個選擇是提高它們執行的循環速率。由于計算機技術的進步，這現在成為可能。借助當前技術，使用NI Compact FieldPoint控制器，您可以運行高達20 kHz的PID環路；使用NI PXI技術，您可以運行40 kHz的PID環路；使用基于現場可編程門陣列(FPGAs)的PID功能時，使用NI CompactRIO硬件，您可以運行高達1 MHz的PID環路。您可以在LabVIEW實時模塊中找到NI LabVIEW PID控制工具包的FPGA就緒版本。

2.增益調度

為了幫助處理表現出高度非線性行為的系統，您可以使用PID算法的gaoji實例。“gaoji”意味著您可以根據特定時刻的運行范圍選擇不同的PID增益集。這種技術的一個缺點是不同的工作范圍需要PID增益調節。使用增益調度的另一個可能的復雜性是，如果PID控制器沒有被設計成平滑過渡，則范圍過渡可能導致不穩定。但是增益調度也需要針對每個工作范圍進行調諧。您可以在LabVIEW PID控制工具包中的PID算法gaoji版本中實現無擾動轉換。

3.自適應PID

為了在隨時間變化的系統上進一步擴展PID性能，您可以使用PID控制器的另一種gaoji變體，該變體涉及增益變化，這取決于您的系統的動態。雖然增益調度只對工廠輸出起作用，以定義操作范圍，但自適應PID考慮輸入和輸出來尋找增益。圖1顯示了一個在LabVIEW中運行的自適應PID實現示例，其中LabVIEW PID控制和LabVIEW系統識別工具包相結合，以生成自適應算法。

圖一。在這個在LabVIEW中運行的自適應PID實現的例子中，LabVIEW PID控制和LabVIEW系統識別工具包結合起來產生自適應算法。

4.分析PID

PID控制器目前的困難之一是增益調整。盡管有自動調整算法可用，但通常仍需要有經驗的操作員來微調控制器并確保系統穩定。通過使用分析PID功能，您可以設計你的PID增加了。在讓控制器工作之前，您可以找到合適的增益。尋找PID控制器增益的適當值是一個被稱為調整控制器的過程。PID調節通常是一個特別的過程，需要反復試驗。利用LabVIEW控制、設計和仿真模塊(現在包含在LabVIEW Professional edition中)中的分析PID庫，您可以使用工具自動查找給定用戶模型的PID增益值集合，從而確保系統閉環穩定性。您還可以輸入Zui小增益和相位裕度值，以指定PID控制器的可選性能約束。

圖二。PID控制器的一組穩定增益

5.Zui優控制器

線性二次型控制器是基于設計規范為系統的zuijia性能而設計的。它們通常要求您控制系統的模型，以便根據成本算法計算控制增益。該成本由用戶定義，可以包括達到穩定輸出的時間、消耗的能量等。應用Zui優控制器的主要挑戰之一是找到系統的軟件模型。幸運的是，有像LabVIEW系統識別工具包這樣的工具可以直接從真實世界的激勵和響應信號中識別動態系統模型。

圖3。應用于加熱器系統的系統識別

6.模型預測控制

傳統的反饋控制器響應于設備的輸出設定點的變化來調整控制動作。模型預測控制(MPC)也包含在LabVIEW控制、設計和仿真模塊中(現在包含在LabVIEW Professional edition中)，是一種工程師用來構建控制器的技術，該控制器可以在輸出設定點實際發生變化之前調整控制動作。當與傳統的反饋操作相結合時，這種預測能力使控制器能夠進行更平滑和更接近zuijia控制動作值的調節。

圖4。MPC控制器和PID控制器在兩個恒溫箱上運行的比較

圖4顯示了MPC控制器與PID控制器在兩個恒溫箱上運行的比較。正如您所看到的，更先進的控制系統可以更好地跟蹤設定點的變化，因為它知道設定點將如何變化，以及系統如何對控制變量的給定變化做出反應。

7.分級控制器

上述技術并不相互排斥。您可以將當前PID控制與gaojiZui優控制器(如MPC或線性二次調節器(LQR))相結合。這些控制器稱為分層控制器，在處理非線性和多輸入多輸出時，得益于gaoji算法的使用。這提供了PID算法可以解決的一組更小、更容易處理的控制問題。

結論

PID控制算法很受歡迎，并提供了許多好處，如易于使用，新開發有助于實現其他PID控制器變體，以及控制常見的工業應用。本文研究了一些PID實施方案，以及在用基于PID或系統動態的其他gaoji算法替換當前PID控制器時如何提高系統性能。