PID控制器自整定技术的发展

---2002年世界控制大会总结报告

上海交大自动化系 张卫东

　　比例－积分－微分（PID）控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制调节器，它广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。PID有几个重要的功能：提供反馈控制；通过积分作用可以消除稳态误差；通过微分作用预测将来。PID控制器特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不太高的情况。PID控制是分布式控制系统的一个重要组成部分，它也包含在许多特殊目的的控制系统中。在工业过程控制中，95％以上的控制回路具有PID结构，而大多数回路实际上都是PI控制。PID控制器的许多有用的特性由于被认为是商业秘密而没有被广泛传播，典型的例子如模式切换和防止积分饱和等技术。

　　我和我校许晓鸣教授及邵惠鹤教授一直工作在这一研究领域. 并且共同组建了上海市优化与控制软件工程技术中心. 2002年7月我和邵惠鹤教授共同赴西班牙参加了2002年IFAC世界控制大会. IFAC世界大会是国际自动控制界最重要的国际会议之一，在我国许多图书馆都收藏其论文集。其发表的论文在全世界被广泛引用。在会议中,我们接触了很多国际过控界的学者,特别是华人学者,与他们进行了广泛交流.同时还参加了许多大会相关报告.本文将结合参加会议得到的信息和我们中心以往的工作积累谈些看法。

　　PID控制常常与逻辑、顺序装置，选择器和一些简单功能块组成复杂的自动控制系统。许多复杂的高级控制算法与PID控制分级地组织在一起，其中PID控制作为最低的基础级，而多变量控制器给基础级的PID控制器提供设定值。因此PID控制被称为控制工程师们谋生的手段，也是每一个控制工程师工具箱中的重要组件。

　　PID控制器在技术上已经经历了从气动到由电子管、晶体管和集成电路组成的微处理器。微处理器对PID控制器具有非常深刻的影响。目前制造的所有PID控制器几乎都是基于微处理器的，这就给自整定、自适应和增益调度等附加特性提供了条件。自整定的意思是控制器的参数可以根据操作员的需要或一个外部信号的要求自动进行参数整定。实际上目前所有最新的PID控制器都具有一定的自整定功能，整定方法却千差万别。

　　现场总线的出现是另外一个重要的发展，这将对分布式控制系统的结构产生深刻的影响。PID控制器是现场总线观念的重要组成部分，它也可能会随着现场总线的发展被标准化。

　　目前大批的仪表与过程工程师们都熟悉PID控制，而且已经建立了一套很好的安装、整定和使用PID控制器的方法。尽管这样，发展PID控制仍然有很大的潜力，这是因为许多控制器在实际中都处在手动状态，而那些处在自动状态的控制器由于微分作用不好调整往往把微分环节去掉。PID控制器在实际中性能欠佳的主要原因一是阀门和传感器的设备问题，另外就是较差的整定实践。提高控制回路的性能，不仅需要PID控制的知识，而且需要过程方面的知识。

　　国际上有一些研究文章陈述了当前工业控制的状况，如日本电子测量仪表制造协会在1989年对过程控制系统做的调查报告。该报告表明90％以上的控制回路是PID结构。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有2000多个控制回路，其中97％以上是PI控制，而且仅仅有20％的控制回路工作比较满意。控制回路性能普遍差的原因中参数整定不合适占30％，阀门问题占30％。而另外的20％的控制器性能差有多种原因，如传感器的问题、采样频率的选择不当以及滤波器的问题等。Ender也给出了相似的统计结果：在已安装的过程控制器中30％是处在手动状态；20％的回路是采用厂家的整定参数，即控制器制造商预先设定的参数值；30％的控制回路由于阀门和传感器的问题导致控制性能较差。

　　PID控制器被广泛应用主要是因为它结构简单、在实际中容易被理解和实现，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。但PID参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使PID参数的整定有一定的难度，致使许多PID控制器没能整定的很好，这样的系统自然无法工作在令人满意的状态，为此人们提出了自整定PID控制器。将过程动态性能的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可实现PID控制器的自整定。自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动整定,用户可以通过按动一个按钮或给控制器发送一个命令来启动自整定过程。自整定过程包括三个部分：

l 过程扰动的产生

l 扰动响应的评估

l 控制器参数的计算

　　这同经验丰富的操作人员在手动整定PID控制器时使用的步骤是一样的。过程必须以某种方式产生扰动，如给过程对象输入阶跃、脉冲或正弦信号，以便确定过程的动态特性。扰动响应的评估包括过程模型或响应的简单特性的确定。

　　工业实践表明控制器的自整定是一种非常需要和有用的功能。具有自整定功能的PID控制器商业化产品在八十年代初期才出现。这里有几方面的原因，一方面近年来的微电子技术的发展使得加入自整定所需要代码的成本趋于合理；大专院校在自整定方面的研究兴趣也才刚刚开始，大多数学者以前把主要精力都投入到相关的、但却比较困难的自适应控制上。

　　目前自整定PID控制器可以分为两大类：基于模型的方法和基于规则的方法。国际上已经出现许多商业产品,如Foxboro EXACT (760/761)，它采用阶跃响应分析和模式识别技术再加上启发式规则进行参数调整；Alfa Laval Automation ECA400控制器，它采用继电反馈和基于模型的整定方法；Honeywell UDC6000控制器，它采用阶跃响应分析和一个规则库来调整参数；Yokogawa SLPC-181/281，它采用阶跃响应分析和基于模型的整定方法。还有一些自整定软件包,如Intelligent Tuner，它是Fisher-Rosemount公司用在分散控制系统中的一个软件包；Looptune，它是Honeywell公司DCS系统TDC3000 中的整定软件包；DCS Tuner，它是ABB Master系统中整定控制器的一个软件包。

　　目前基于频域辨识的PID自整定的研究文献很多，总的看来，已经取得了一些较好的结果，但仍然有一些关键性的问题没有得到很好的解决，其理论和设计方法还远未成熟，有待于充分的研究和进一步的发展。

　　现在已有一些基于幅值和相位裕度的PID整定方法，但这些整定方法或者不能同时获得期望的幅值和相位裕度，或者对过程对象的结构进行简化处理，如假设过程对象为一阶加纯滞后结构。对于高阶的过程对象，用户给定幅值和相位裕度而且假设对象为一阶加纯滞后模型，这样实际的过程对象往往不能获到期望的幅值裕度和相位裕度，导致了不同的过程对象具有不同的控制性能。

　　Astrom和Hagglund提出的方法是把Nyquist图上的临界点移到幅值0.5且相位 的点上来确定PID参数，这样可以同时满足相位裕度和幅值裕度的要求，控制效果优于经典的Ziegler-Nichols规则。然而Astrom-Hagglund法也存在一些问题，首先设计方法不适用于PI控制器，而PI控制器在实际过程控制中是被广泛采用的。另外某些被控对象如二阶系统在继电控制下并不产生临界振荡，这样也就不能采用此整定方法。

　　在工业生产过程中常会遇到具有大纯滞后的过程，例如造纸生产过程，化学反应器和精馏塔中都存在大纯滞后问题。这类过程被公认为是较难控制的过程。如果采用PID控制，则参数整定通常采用Ziegler-Nichols整定规则。这种方法的优点是只需要很少的过程对象的先验知识，但它的缺点是控制效果很差，尤其是对于大滞后的过程，系统很难工作在令人满意的状态。另外通用的一些整定方法，如Ziegler-Nichols规则、改进的Ziegler-Nichols规则、Cohen-Coon法、内模控制（IMC）和误差积分最优法（ISE、IAE和ITAE），都不适用于大纯滞后对象，给出了较差的甚至不稳定的性能

　　在工业过程控制中，PI控制器是最为常用的控制算法。尽管PI控制器被广泛应用，但却没有一个公认的设计方法。PI参数的整定一般采用经验的整定方法，如Ziegler-Nichols整定规则。这种方法的优点是只需要很少的过程对象的先验知识，但它的缺点是控制效果欠佳。由于PI控制器的广泛应用以及自整定设备的出现，非常需要一种通用的PI控制器设计方法，它不仅要适用于广泛的过程对象，而且要具有良好的鲁棒性能和控制性能。

　　在分析和设计控制系统时，灵敏度的考虑常常是一个重要的方面。基于灵敏度的控制器设计方法已有许多学者提出，最有代表性的是最近Astrom等提出的方法，它适用于任何被控对象，控制效果可以达到预期目的。但它的缺点是需要过程对象精确的数学模型，而实际中精确模型的获得往往是很困难的，因而阻碍了它在实际中的应用，特别是在自整定控制器中的应用。