PID控制程序流程及正反作用概念

PID数字调节器是利用微机的程序实现输入信号的采集、PID控制算式运算、控制量输出以及其他运算或判断功能的。PID数字调节器的主要应用程序就是PID控制程序。

PID控制程序流程如图5-3-3所示。

图5-3-3 PID控制程序流程图

1.PID调节器正、反作用的概念

首先明确以下一些基本概念与定义：

正偏差：调节器中，在测量值大于设定值时将偏差e定义为测量值与设定值之差（e=y-r）。

负偏差：测量值小于设定值。

“正”作用：调节器的输出随着正偏差的增加而增加。若是负偏差，情况相反。

“反”作用：调节器的输出随着正偏差的增加而减小。若是负偏差，情况相反。

作为一个通用的数字调节器，与模拟调节器一样也必须设置正/反作用切换功能。在计算机软件程序中，正、反作用是用不同的运算来实现的。

正作用时，若Δp_n>0，则p_n=p_n-1+Δp_n；

若Δp_n<0，则p_n=p_n-1-|Δp_n|。

反作用时，若Δp_n>0，则p_n=p_n-1-Δp_n；

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2.调节器的工作状态

调节器的工作状态有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。

“自动”状态：测量信号与设定信号通过输入功能块进行比较计算，由比例、微分、积分算法对偏差进行PID运算，再经过电路转换为4～20mA直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。

“软手动”状态：可以通过选择键使调节器处于“保持”（即它的输出保持切换前瞬间的数值）状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。

“硬手动”状态：调节器的输出与手动操作器输出电压相对应，即输出值与硬手动操作器的位置一一对应。

3.参数的初始化

PID算式为一递推算式，每次运算都要用到前次运算的结果。这样，第一次运算时就需对前次结果预置初值。初值的预置有两种方法，一种是在上电后，在整个程序开始的初始化程序中对所有需初始化的变量置初值，这需在全部程序设计完后统计出所有需初始化的变量，这在相互配合设计中不大方便；另一方法是设置一初始化状态字，在整个程序开始的初始化程序中，只需对此状态字清零，而各个子程序中需初始化的变量则在该子程序中自己解决，在最后调用的一个子程序中对初始化状态字置位。这样的初始化方法便于分工编程，尤其在可编程数字调节器中，各模块的初始化更需这样处理。

4.输出限幅和抗积分饱和

积分调节的一个特点是：只要有偏差存在，输出就不断向两个极端之一变化，以致超过极限值。若采用单纯的输出限幅措施，会产生积分饱和，当输入一旦变号，输出需从深饱和区逐渐退出，造成调节滞后，使调节品质恶化，数字PID调节也有同样问题。但在数字PID调节器中，很容易实现抗积分饱和的功能，使得在输出达到限幅值时，即中断积分动作，调节器输出维持在饱和线上，保持原有的状态数据。这样就可在偏差反向时，输出立即呈现出反向积分作用。抗积分饱和系统与单纯的输出限幅系统输入/输出特性比较如图5-3-4所示。

图5-3-4 抗积分饱和系统与单纯输出限幅系统特性

a）抗积分饱和系统 b）输出限幅系统

抗积分饱和措施放在输出程序中具体实现步骤为：在调节器本次输出p_n未超过限幅值时，除将p_n送输出通道外，并将它送到p_n-1单元，e_n送e_n-1单元，即更新p_n-1及e_n-1单元内容，为下一次运算作准备，这是正常的PID运算；当p_n超过限幅值时，将限幅值送输出通道，同时p_n-1单元内容不再更新，即中止积分作用，不致使调节器输出进入深饱和区。