PID智能調(diào)節(jié)儀PID算法
1.AI調(diào)節(jié)器PID算法
AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中的人工智能控制算法，既對PID算法加以改進(jìn)和保留，加入模糊控制算法規(guī)則，并對給定值的變化加入了前饋調(diào)節(jié)。在誤差大時(shí)，運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以徹底消除PID飽和積分現(xiàn)象，如同熟練工人進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。當(dāng)誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法控制輸出。其控制參數(shù)采用被控對象特征描述方式。一組(MPT)參數(shù)即可同時(shí)確定PID參數(shù)和模糊控制參數(shù)。系統(tǒng)具有無超調(diào)和高控制精度等特點(diǎn)。針對不穩(wěn)定的非線形復(fù)雜調(diào)節(jié)對象，表內(nèi)設(shè)有自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)則，可使系統(tǒng)進(jìn)一步加快響應(yīng)速度，改善控制品質(zhì)。針對控制參數(shù)較難確定的現(xiàn)實(shí)，表內(nèi)設(shè)有自整定系統(tǒng)，可使系統(tǒng)的控制參數(shù)確定簡單，準(zhǔn)確度提高，因此，自整定系統(tǒng)的引入，不僅使復(fù)雜勞動簡化，節(jié)約了調(diào)試時(shí)間，而且提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。對于許多復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，例如電爐溫度控制中的電網(wǎng)電壓變化、外界干擾因素和工作環(huán)境多變等，針對有嚴(yán)重非線形的控制對象，國外儀表公司也推出了不少對策和方法。其改進(jìn)的特點(diǎn)是：當(dāng)控制偏差大于估計(jì)的誤差時(shí)，自適應(yīng)系統(tǒng)不是修改MPT參數(shù)(國外儀表的自適應(yīng)功能是修改控制參數(shù))，而是修改輸出值來降低誤差。雖然修改范圍有限，但不會出現(xiàn)將原來正確控制參數(shù)改錯(cuò)的現(xiàn)象，使響應(yīng)速度加快，使控制精度大大提高。PID算法的改進(jìn)：
常規(guī)PID算法構(gòu)成如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)
 在常規(guī)PID的控制系統(tǒng)中，減少超調(diào)和提高控制精度是難以兩全其美的，這主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，則靜差不易消除，有擾動時(shí)，消除誤差速度變慢，而當(dāng)加強(qiáng)積分作用時(shí)，又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。
在AI系列智能工業(yè)調(diào)節(jié)器中，當(dāng)控制參數(shù)在比例帶以外時(shí)，采用模糊控制，不存在抗飽和積分問題，而對PID算法部分又加以改進(jìn)如下：輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)+微分積分作用(∫I)
由于儀表中增加了微分積分作用，所以，使常規(guī)PID算法中的積分飽和現(xiàn)象得到較大緩解。不過從上式中可以看到，原有參數(shù)已經(jīng)較難確定了，又增加了一個(gè)新參數(shù)(∫I)，所以，這些參數(shù)必然互相影響，使得新算法參數(shù)更加難以確定。為此，經(jīng)過認(rèn)真的研究和實(shí)驗(yàn)分析，比例作用與微分作用的比值和積分作用與微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用與微分作用的佳比值同控制對象的滯后時(shí)間有關(guān)。滯后時(shí)間越大，則比例作用響應(yīng)減少，而微分作用響應(yīng)增加。兩者存在的關(guān)系如下：
比例作用=K(1/t)
微分作用=K(1-1/t)d
式中，K為系數(shù)；t為滯后時(shí)間與控制周期的比值；t≥1；d表示微分作用。
由此，可將人工智能控制算法公式改為：
輸出=P［1/t+(1-1/t)d］+(1/M)∫［1/t+(1-1/t)d］
式中，P用于調(diào)整微分和比例的大小，P增加，相當(dāng)于同時(shí)將微分時(shí)間增加及減少比例帶。反之，P減少，相當(dāng)于同時(shí)將微分時(shí)間減少和增大比例帶。M類似積分時(shí)間，可用于調(diào)整積分和微分積分的大小，t用于調(diào)整微分與比例的相互比例成分。如果t=1，則微分作用為0，如果1Ｍ＝０，則積分作用為0。這樣，控制參數(shù)又減少為3個(gè)，由于常規(guī)PID參數(shù)的定義只根據(jù)算法本身，其特點(diǎn)是不需要考慮被控對象的模型，而改進(jìn)后的3個(gè)控制參數(shù)，由于同原參數(shù)概念不同，所以，定義為MPT控制算法，具體含義如下：
 M5為保持參數(shù)：M 5 定義為輸出值變化為5％時(shí)，控制對象基本穩(wěn)定后測量值的差值。5表示輸出值變化量為5%，同一系統(tǒng)的M 5參數(shù)一般會隨測量值有所變化，應(yīng)取工作點(diǎn)附近為準(zhǔn)。例如某電爐溫度控制，工作點(diǎn)為700℃，為找出佳M 5值，假定輸出保持為50％時(shí)，電爐溫度后穩(wěn)定在700℃左右，而55％輸出時(shí)，電爐溫度后穩(wěn)定在750℃左右。則：M 5＝750-700＝50.0（℃）M 5參數(shù)PID調(diào)節(jié)的積分時(shí)間起相同的作用。M 5值越小，系統(tǒng)積分作用越強(qiáng)。M5值越大，積分作用越弱（積分時(shí)間增加）。如果，M=0，則系統(tǒng)取消積分作用。
 P為速率參數(shù)：P與每個(gè)控制周期內(nèi)儀表輸出變化時(shí)測量值對應(yīng)變化的大小成反比，其數(shù)值定義如下：P=1000÷每秒鐘測量值升高值（測量值單位是0.1℃或1個(gè)定義單位）。例如電爐溫度控制，如果儀表以功率加熱，并假設(shè)沒有散熱，電爐每秒升高1℃時(shí)，則P=1000÷10=100，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因?yàn)闆]有散熱的前提條件是無法滿足的，所以，用人工的方式確定P的佳值是不可能的，因此，一般利用自整定方法確定P的佳值，P值對調(diào)節(jié)中的比例和微分均有作用。P值越大，比例、微分作用成正比增加，而P值越小，比例、微分作用相應(yīng)減弱。P參數(shù)與積分作用無關(guān)。
 T為滯后時(shí)間參數(shù)：T定義為某電爐以某功率開始升溫，當(dāng)其升溫速率達(dá)到大值的63.5%時(shí)所需要的時(shí)間，T值單位是秒(s)。引入?yún)?shù)T并正確設(shè)置時(shí)可以完全解決溫度控制的超調(diào)現(xiàn)象及振蕩現(xiàn)象，同時(shí)使控制響應(yīng)速度佳。T值的變化，可對調(diào)節(jié)作用中的比例和微分起作用，T值越小，比例作用越強(qiáng)，微分作用越弱。T值越大，則比例作用減弱，微分作用增強(qiáng)。如果T≤CTL(控制周期)，則微分作用被完全取消，這時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律將成為比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律。
2.PID自整定原理
執(zhí)行自整定功能前，應(yīng)先將給定值設(shè)置在常用值或是中間值上。自整定時(shí)，儀表執(zhí)行位式調(diào)節(jié)，經(jīng)2－3次振蕩后，儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來自動計(jì)算出M 5、P、T等控制參數(shù)。參數(shù)CtL及dF的設(shè)置，對自整定過程也有影響，一般來說，這2個(gè)參數(shù)的設(shè)定值越小，理論上自整定參數(shù)準(zhǔn)確度越高。但dF值如果過小，則儀表可能因輸入波動而在給定值附近引起位式調(diào)節(jié)的誤動作，這樣反而可能整定出徹底錯(cuò)誤的參數(shù)。推薦CtL=0-2，dF=0.5。此外，基于需要學(xué)習(xí)的原因，自整定結(jié)束后初次使用，控制效果可能不是佳，需要使用一段時(shí)間（一般與自整定需要的時(shí)間相同）后方可獲得佳效果。