LabVIEW中PID控制的的高級功能

比例-積分-微分（PID）控制占當今控制和自動化應用的90%以上，主要是因為它是一種有效且簡單的解決方案。雖然PID算法最初用于線性、時不變系統，但現在已經發展到控制具有復雜動力學的系統。在現實世界中，所有系統都具有非線性組件，因此在使用PID等經典反饋控制時存在一些挑戰。借助增益調度和級聯PID等方法，能夠使用相同的PID算法控制非線性系統。

1. 經典控制

最早反饋控制用于機械系統的控制。系統使用機械手段（例如浮球閥）來控制溫度，速度和液位。現代基于計算機的控制系統通過進行傳感器測量，將其與所需的設定值進行比較，然后根據該差異調整控制輸出來利用反饋。例如，可以通過測量當前溫度，將其與所需溫度值進行比較，然后使用加熱器或風扇將溫度移近所需的設定值來完成控制溫度。然后，困難在于弄清楚調整多少控制輸出以實現最佳響應。加熱器應該完全打開還是只打開一部分？基本的PID控制器將單個輸入與設定值進行比較，并計算單個輸出值以控制系統，并且算法假設響應將是線性的，不會隨時間變化。

2. 增益調度

在非線性系統中使用PID的一種方法是通過增益調度技術。人們在PID控制中遇到性能問題的最常見原因是P、I和D的增益參數不正確。對于非線性系統，最佳參數可能會發生變化，具體取決于系統所處的“狀態”。例如，許多系統在預熱階段表現出不同的特性，與運行一段時間后特性不同。另一個例子是，一旦達到某個設定點，就使用不同的增益參數，因為一旦處于穩態，系統就會做出不同的響應。增益調度是根據系統狀態修改P、I和D增益參數的過程。這些狀態可以通過某個持續時間來定義，甚至可以通過使用系統輸入來定義。這種方法最適合具有可預測動態變化的系統，以便可以計算和應用預定增益。增益調度能夠通過將過程劃分為多個近似線性特征的部分來控制。然后，將每個部分調整為一組不同的參數，以最佳方式控制系統。使用LabVIEW中的PID工具包，這非常容易實現。

圖1：LabVIEW中的PID增益調度

圖1顯示了如何使用PID增益Schedule.vi，根據設定值和測量值之間的電流差設置PID增益參數。在本例中，正在測量溫度傳感器，將溫度傳感器與用戶定義的設定值進行比較。計算兩個值之間的差值（也稱為誤差項），發送到增益調度程序。調度程序本身只是一組PID增益，這些增益根據輸入進行索引。當溫度接近設定值時，可以使用一組不同的增益參數來實現更好的控制響應。有許多不同的方法可以實現增益調度，一旦輸入穩定在接近設定值附近，這種方法有利于通過增加積分增益或I項來減少穩態誤差。

3. 避免整體清盤

PID控制器的積分參數連續對系統的誤差項求和，這對于減少穩態誤差非常有效。不斷積分改誤差的一個副作用是“清盤”的可能性。這是當累積誤差導致測量信號超過基于控制器I項的所需設定值時。這也帶來了長時間的延誤和其他不穩定的影響。根據應用的不同，由于材料損失或周圍硬件損壞，代價可能很昂貴，甚至很危險。盡管如此，當試圖達到特定的設定點時，積分項使超調幾乎不可避免。減少積分上鏈影響的一種技術是在系統開始穩定在設定點附近后重置累積誤差。通過重置PID功能，仍然可以獲得使用積分項減少穩態誤差的好處，但不會導致大量過沖。這里是一個如何在LabVIEW中實現的示例。

圖2：通過復位PID.避免整體清盤

與增益調度示例類似，圖2顯示了一個溫度傳感器被讀取，然后與用戶定義的設定值進行比較。計算誤差項，一旦在某個值（在本例中為0.25）內，PID功能就會復位，然后從該點開始僅積分穩態誤差。

4. 非SISO系統

雖然PID算法適用于單輸入單輸出（SISO）系統，但通過軟件定制，在多輸入多輸出（MIMO）系統中使用此控制器的方法有很多。

o不同輸出的條件結構

o并聯回路PID

o多個PID

圖3：單輸入多輸出（SIMO）示例

在圖3中，有一個來自溫度傳感器的輸入，然后是兩個控制器輸出或執行器，用于改變溫度。PID可以輸出正值和負值，因此，示例使用條件結構來決定何時使用每個執行器。假設輸出通道1連接到加熱器，輸出通道2連接到風扇以冷卻系統。如果PID輸出值為正，那么希望通過將輸出值寫入加熱器，并通過將零寫入通道2來關閉風扇，來提高溫度。但是，如果PID輸出值為負，則假情況結構將輸出值寫入風扇，將零寫入輸出通道1。這是實現具有多個輸出的PID的一種非常常見的方法。

5. 級聯PID

圖4：級聯PID示例

在本例中，我們將第一個PID函數的輸出發送到第二個PID函數的輸入中，從而減慢響應時間并使輸出平滑到執行器。實現級聯PID的更常用方法是使用來自系統的兩個輸入，例如提供有關位置和速度的信息。這種多輸入、單輸出（MISO）系統在運動或位置控制應用中非常常見。

圖5：位置速度級聯PID示例

將位置編碼器與所需的設定值進行比較，然后計算出的輸出成為速度控制的設定值。當系統具有與速度成比例的固有延遲時，這一點尤其適用。例如，摩擦會導致系統滯后，具體取決于位置變化的速率。

6. 帶前饋控制的PID

干擾解耦是基本PID控制的一種變體，有助于對干擾響應緩慢的系統。如果可以測量干擾，則可以立即調整補償器輸出以做出響應。例如，如果風扇將冷空氣引入溫度室，則可以立即增加加熱器輸出，而不是首先等待溫度傳感器附近的溫度下降。

圖6：帶前饋控制的PID

在上圖中，測量干擾傳感器，乘以一些用戶定義的增益值，然后添加到PID輸出值中。如果干擾增加，補償器輸出通道將立即增加，以保持對系統的控制。這種方法并不總是必要的，因為增加傳統PID補償器的比例增益也會改善干擾抑制，并且不需要測量干擾。

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審核編輯 黃宇