优化PID控制算法实现方法

在PLC中，PID控制规律是由PLC程序来实现的，因此灵活性很大。为满足不同控制

系统的需求，可对PID算法作相应改进。

1.不完全微分PID控制算法

在PID控制算法中，微分部分可以改善控制系统的动态性能指标，但是会放大作用于系统的干扰信号，降低系统的抗干扰能力，容易引起饱和效应和数据溢出。为此，可以在PID控制算法的微分部分之后串联一个时间常数为T_f的一阶惯性环节，如图4-34所示。这种对于PID控制的改进算法被称为不完全微分PID控制算法。实际上，一阶惯性环节就是一个低通滤波器，在此处的作用就是对通过微分部分的高频干扰信号实现低通滤波，可以有效地抑制高频干扰信号，从而克服了上述这些缺点。该低通滤波器的滤波特性完全由该一阶惯性环节的时间常数T_f确定。

图4-34 基于不完全微分PID控制的闭环负反馈控制系统

2.先行PID控制算法

此算法的传递函数方块图如图4-35所示。这种改进算法的特点是，只对系统的反馈信号b（t）进行微分运算，而对系统的参考输入设定值r（t）不进行微分运算。此时，当系统的参考输入设定值r（t）发生变化时，系统的微分控制部分的输出不会发生变化，从而使得系统输出c（t）的变化比较缓和。这种对反馈信号b（t）首先进行微分运算的微分先行PID控制算法，比较适用于系统的参考输入设定值r（t）频繁发生变化的场合，可以避免由系统的参考输入设定值r（t）频繁发生变化所引起的系统振荡。而对系统的反馈信号b（t）进行微分运算，可以提高系统的快速性，缩短系统瞬态响应的过渡过程，从而可以明显地改善系统的动态特性。

3.微分先行的不完全微分PID控制算法

图4-35 基于微分先行PID控制的闭环负反馈控制系统

此算法的传递函数方块图如图4-36所示。所谓“微分先行的不完全微分PID控制算法”，就是指将反馈信号B（s）分为两路，并分别进行计算的一种改进的PID控制算法。参考输入信号R（s）与其中的一路反馈信号B（s）相减得到系统的偏差信号E（s），然后将此偏差信号E（s）进行“比例加积分”形式的改造，形成控制规律U_pi（s）。对另一路反馈信号B（s）直接进行“微分先行的不完全微分”运算，形成控制规律U_d（s）。最后将U_pi（s）与U_d（s）相加，得到微分先行的不完全微分PID控制算法的控制规律U（s）。

图4-36 基于微分先行的不完全微分PID控制的闭环负反馈控制系统

4.积分分离PID控制算法

在控制系统中增加积分环节的目的，主要是为了消除系统的稳态误差，提高系统的控制精度。但是积分环节对系统瞬态响应的过渡过程不利。当系统在起动过程、停止过程或参考输入设定值大幅度变化时，系统的输出有很大的偏差。由于积分运算的累积作用，从而使得系统的超调量过大，甚至会使系统发生振荡。(www.xing528.com)

为此，提出了积分分离PID控制算法。这种算法既可以保持积分作用，又可以减小系统的超调量，使控制系统的性能得到了较大的改善。具体实现方法为

1）根据实际要求，设定衡量偏差的阈值ε>0。

2）当系统的偏差小于阈值ε时，采用PID控制，可以使系统有较好的控制精度。

3）当系统的偏差大于或等于阈值ε时，只采用PD控制，让积分控制不起作用，从而可以避免系统的超调量过大，并可以使系统有较快的响应速度。

5.死区非线性PID控制算法

死区非线性PID控制算法是一种对PID环节的输入信号（即偏差信号）进行限制的PID控制算法。采用死区非线性PID控制算法，可以避免控制系统的动作过于频繁，进而消除由于频繁动作所引起的振荡。具体实现方法为

1）根据实际要求，设定限制偏差的死区δ>0。

2）当系统的偏差小于死区δ时，可令系统的偏差为零，则PID控制的输出为零，从而可以避免控制系统的频繁动作。

3）当系统的偏差大于或等于死区δ时，对系统的偏差进行PID控制。

6.饱和非线性PID控制算法

饱和非线性PID控制算法是一种对PID环节的输出信号（即偏差信号的PID改造结果）进行限制的PID控制算法。采用饱和非线性PID控制算法，可以避免PID的输出发生溢出现象，进而消除由于溢出所引起的冲击。具体实现方法为

1）根据实际要求，设定限制PID输出的饱和区a>0。

2）当系统的PID输出小于饱和区a时，对系统的偏差进行PID控制。

3）当系统的PID输出大于或等于饱和区a时，可令系统的PID输出为零，从而可以避免PID控制的输出发生溢出现象。