PID 控制系统如何优化？

比例积分微分(PID)控制是当今工业中最常用的控制算法。PID控制器的普及可归因于该控制器在各种操作条件下的有效性、其功能的简单性以及工程师可以使用当前的计算机技术容易地实现它。本文讨论了PID的一些缺点，以及如何解决这些缺点，同时通过改变算法来提高当前实现的性能。

介绍PID控制器有一些限制其有效性的缺点。首先，它们最适合只有一个输入和输出(单输入单输出SISO)的系统。有了这些系统，你只有一个变量来控制，只有一个驱动应用。如果将解耦技术应用于不同的变量，您也可以使用PID控制器控制具有更多输入/输出的系统，这样最终的整体控制就涉及到许多SISO PID控制器。尽管这种技术是可行的，但它并不容易实现，因为它严重依赖于变量之间的相关性有多紧密。PID控制器(以及每种控制算法)的另一个挑战是，您需要控制的对象可能不会以线性方式运行。换句话说，给定输入的输出不呈现线性响应。非线性的一些例子是死区、饱和和滞后。另一个挑战是，植物的动态也可能随着时间而变化。这可能是由于设备负载的变化、正常磨损或机械元件的机械效率而发生的。为了补偿工厂行为随时间的变化，您需要专业用户来重新校准您的PID增益，这会增加人工和停机时间的成本。最后，在调整PID控制器时，您可能无法获得zuijia的整体系统性能，因为稳定性是一个问题，而为获得更好的性能而进行的调整可能会导致对系统失去控制。本文研究了几种提高系统性能和PID性能的技术。

1.增加循环速率

提高PID控制器性能的第一个选择是提高它们执行的循环速率。由于计算机技术的进步，这现在成为可能。借助当前技术，使用NI Compact FieldPoint控制器，您可以运行高达20 kHz的PID环路；使用NI PXI技术，您可以运行40 kHz的PID环路；使用基于现场可编程门阵列(FPGAs)的PID功能时，使用NI CompactRIO硬件，您可以运行高达1 MHz的PID环路。您可以在LabVIEW实时模块中找到NI LabVIEW PID控制工具包的FPGA就绪版本。

2.增益调度

为了帮助处理表现出高度非线性行为的系统，您可以使用PID算法的gaoji实例。“gaoji”意味着您可以根据特定时刻的运行范围选择不同的PID增益集。这种技术的一个缺点是不同的工作范围需要PID增益调节。使用增益调度的另一个可能的复杂性是，如果PID控制器没有被设计成平滑过渡，则范围过渡可能导致不稳定。但是增益调度也需要针对每个工作范围进行调谐。您可以在LabVIEW PID控制工具包中的PID算法gaoji版本中实现无扰动转换。

3.自适应PID

为了在随时间变化的系统上进一步扩展PID性能，您可以使用PID控制器的另一种gaoji变体，该变体涉及增益变化，这取决于您的系统的动态。虽然增益调度只对工厂输出起作用，以定义操作范围，但自适应PID考虑输入和输出来寻找增益。图1显示了一个在LabVIEW中运行的自适应PID实现示例，其中LabVIEW PID控制和LabVIEW系统识别工具包相结合，以生成自适应算法。

图一。在这个在LabVIEW中运行的自适应PID实现的例子中，LabVIEW PID控制和LabVIEW系统识别工具包结合起来产生自适应算法。

4.分析PID

PID控制器目前的困难之一是增益调整。尽管有自动调整算法可用，但通常仍需要有经验的操作员来微调控制器并确保系统稳定。通过使用分析PID功能，您可以设计你的PID增加了。在让控制器工作之前，您可以找到合适的增益。寻找PID控制器增益的适当值是一个被称为调整控制器的过程。PID调节通常是一个特别的过程，需要反复试验。利用LabVIEW控制、设计和仿真模块(现在包含在LabVIEW Professional edition中)中的分析PID库，您可以使用工具自动查找给定用户模型的PID增益值集合，从而确保系统闭环稳定性。您还可以输入最小增益和相位裕度值，以指定PID控制器的可选性能约束。

图二。PID控制器的一组稳定增益

5.最优控制器

线性二次型控制器是基于设计规范为系统的zuijia性能而设计的。它们通常要求您控制系统的模型，以便根据成本算法计算控制增益。该成本由用户定义，可以包括达到稳定输出的时间、消耗的能量等。应用最优控制器的主要挑战之一是找到系统的软件模型。幸运的是，有像LabVIEW系统识别工具包这样的工具可以直接从真实世界的激励和响应信号中识别动态系统模型。

图3。应用于加热器系统的系统识别

6.模型预测控制

传统的反馈控制器响应于设备的输出设定点的变化来调整控制动作。模型预测控制(MPC)也包含在LabVIEW控制、设计和仿真模块中(现在包含在LabVIEW Professional edition中)，是一种工程师用来构建控制器的技术，该控制器可以在输出设定点实际发生变化之前调整控制动作。当与传统的反馈操作相结合时，这种预测能力使控制器能够进行更平滑和更接近zuijia控制动作值的调节。

图4。MPC控制器和PID控制器在两个恒温箱上运行的比较

图4显示了MPC控制器与PID控制器在两个恒温箱上运行的比较。正如您所看到的，更先进的控制系统可以更好地跟踪设定点的变化，因为它知道设定点将如何变化，以及系统如何对控制变量的给定变化做出反应。

7.分级控制器

上述技术并不相互排斥。您可以将当前PID控制与gaoji最优控制器(如MPC或线性二次调节器(LQR))相结合。这些控制器称为分层控制器，在处理非线性和多输入多输出时，得益于gaoji算法的使用。这提供了PID算法可以解决的一组更小、更容易处理的控制问题。

结论

PID控制算法很受欢迎，并提供了许多好处，如易于使用，新开发有助于实现其他PID控制器变体，以及控制常见的工业应用。本文研究了一些PID实施方案，以及在用基于PID或系统动态的其他gaoji算法替换当前PID控制器时如何提高系统性能。