比例积分微分控制器者,工业控制之栋梁也。温控之环、电机之驱、流阀之启、飞行之面,皆赖此以成。其法不过三式一算而已。然控制器之难,非在器,而在三增益之择也。设之太低,则系统蹒跚趋其的;设之太高,则振荡不休,甚或脱缰而奔。调校之道,即在于求其间之增益。
是文论,述调PID回环之两途相辅相成:一曰经验之齐格勒-尼科尔法,一曰图示之根轨迹观——并显其如何异途同归,各述其边界。
此算何为要义
未调之环非小碍。迟滞之温控耗能损物。摆荡之位环摧机损器。不稳之环即险事。此诸败式间,有增益之区,可致迅捷、阻尼良效——调适之道,非徒试误于厂,乃有意识地觅此区也。
二法之别,在于适境各异。齐格勒-尼科尔法,但需实系统简试,无需模型。根轨迹法,虽需模型,然可一目了然,尽览稳定之象。工之才者,因境择法。
二法也
齐格勒-尼科尔斯,终极灵敏度式。禁积分与微分之项,独留比例控制。增比例增益,使环行于稳态持续振荡之境——不增不减。记二数:致此增益者,至极之得,及振幅之时,其终极时期普经典PID之设定,遂依小表而得。
Kp = 0.6 * Ku
Ti = Pu / 2 (integral time)
Td = Pu / 8 (derivative time)
并行形式中,积分与微分增益为Ki = Kp/Ti,Kd = Kp·Td.
根轨迹。此乃基于模型之伴侣。根轨迹者,乃闭环极点于复平面中随比例增益自零递增而迁徙之图也。左半平面之极点,意味着稳定而衰减之响应;极点越入右半平面,则意味着不稳定。轨迹越虚轴之确切增益是。 乃至利之极也,其遇点之频,即为至期,盖由 Pu = 2 pi / omega 而得。二法所察,实为一稳定性之界——Ziegler-Nichols 以实验求之,root locus 以几何得之。
例证详述
设某过程之终极灵敏度实验,得终极增益Ku为8,终极周期Pu为2秒。今用齐格勒-尼科尔斯PID法之表:
Kp = 0.6 x 8 = 4.8
Ti = 2 / 2 = 1.0 s -> Ki = Kp / Ti = 4.8
Td = 2 / 8 = 0.25 s -> Kd = Kp x Td = 1.2
故初控之器,Kp = 4.8,Ki = 4.8,Kd = 1.2。然察其辞。始,经典之齐格勒-尼科尔斯法,刻意求一颇厉之响应——约四分之一振幅之衰减,意即每回之超调,约为其前之四分之一。此甚活泼。若回路不容超调,则将比例增益自表值减二十至四十%,再行核查。齐格勒-尼科尔斯法,能速使君入其宜之域;终末之微调,君自为之。
同系统之根轨迹图,当增益渐增,闭环极点自开环极点始,渐行渐远,恰于增益八时越虚轴——此即Ku之验也——其频率为π,得Pu=2π/π=2s。此二数同得,而实植未尝振荡。
常误
于脆弱之植行Ku之实验。 驾驭真实系统使之持续振荡,非恒安也——思及巨量热质或具行止之限之器。当系统振荡之际,厂务有险,宜用模型根轨迹之法,或以继电器反馈之试,以限其摆动。
留增益于教科之值。 谭氏-尼科尔之表,初拟之调,旨在拒扰,非为稳态应答。视其出为初度。
过用其微分之项。 微分之效,易滋测噪。于躁动之器,大Kd致执行器频颤。滤其微分,或减之,勿遽咎环。
忘数字控制器之采样率。离散PID非连续PID也。若环行迟缓,较诸事态之变,则采样所致之相滞,将损调校所假之稳裕。
试之互动式 NovaSolver 计算器
调校之术,观增益之变,见阶跃响应之异,则习之易矣。调参器于NovaSolver,可施以Ziegler-Nichols之设,复拖动Kp、Ki、Kd,以观超调、稳定时间及稳态误差实时响应之状。
相关计算器
全套资料,存于PID与控制工具之枢纽.
终章之语
PID之调,世多谓玄秘,然此二法可去其半。齐格勒-尼科尔法,一实验即可得无模型之速启;根轨迹法,若具模型,则全得稳定图谱,且能指实实验所求之界。二者并用:先定稳定之极,退而留合理余隙,再依实际所求之应而修之。此乃有意调校,非凭机缘。












