pid中英文对照翻译

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PIDControlIntroductionThePIDcontrolleristhemostcommonformoffeedback.Itwasanessentialelementofearlygovernorsanditbecamethestandardtoolwhenprocesscontrolemergedinthe1940s.Inprocesscontroltoday,morethan95%ofthecontrolloopsareofPIDtype,mostloopsareactuallyPIcontrol.PIDcontrollersaretodayfoundinallareaswherecontrolisused.Thecontrollerscomeinmanydifferentforms.Therearestandalonesystemsinboxesforoneorafewloops,whicharemanufacturedbythehundredthousandsyearly.PIDcontrolisanimportantingredientofadistributedcontrolsystem.Thecontrollersarealsoembeddedinmanyspecialpurposecontrolsystems.PIDcontrolisoftencombinedwithlogic,sequentialfunctions,selectors,andsimplefunctionblockstobuildthecomplicatedautomationsystemsusedforenergyproduction,transportation,andmanufacturing.Manysophisticatedcontrolstrategies,suchasmodelpredictivecontrol,arealsoorganizedhierarchically.PIDcontrolisusedatthelowestlevel;themultivariablecontrollergivesthesetpointstothecontrollersatthelowerlevel.ThePIDcontrollercanthusbesaidtobethe“breadandbutterofcontrolengineering.Itisanimportantcomponentineverycontrolengineer’stoolbox.PIDcontrollershavesurvivedmanychangesintechnology,frommechanicsandpneumaticstomicroprocessorsviaelectronictubes,transistors,integratedcircuits.ThemicroprocessorhashadadramaticinfluencethePIDcontroller.PracticallyallPIDcontrollersmadetodayarebasedonmicroprocessors.Thishasgivenopportunitiestoprovideadditionalfeatureslikeautomatictuning,gainscheduling,andcontinuousadaptation.6.2TheAlgorithmWewillstartbysummarizingthekeyfeaturesofthePIDcontroller.The“textbook”versionofthePIDalgorithmisdescribedby:6.1whereyisthemeasuredprocessvariable,rthereferencevariable,uisthecontrolsignalandeisthecontrolerror（e=−y）.Thereferencevariableisoftencalledthesetpoint.Thecontrolsignalisthusasumofthreeterms:theP-term（whichisproportionaltotheerror）,theI-term（whichisproportionaltotheintegraloftheerror）,andtheD-term（whichisproportionaltothederivativeoftheerror）.ThecontrollerparametersareproportionalgainK,integraltimeTi,andderivativetimeTd.Theintegral,proportionalandderivativepartcanbeinterpretedascontrolactionsbasedonthepast,thepresentandthefuture asisillustratedinFigure2.2.ThederivativepartcanalsobeinterpretedaspredictionbylinearextrapolationasisillustratedinFigure2.2.Theactionofthedifferenttermscanbeillustratedbythefollowingfigureswhichshowtheresponsetostepchangesinthereferencevalueinatypicalcase.EffectsofProportional,IntegralandDerivativeActionProportionalcontrolisillustratedinFigure6.1.ThecontrollerisgivenbyD6.1EwithTi=andTd=0.Thefigureshowsthatthereisalwaysasteadystateerrorinproportionalcontrol.Theerrorwilldecreasewithincreasinggain,butthetendencytowardsoscillationwillalsoincrease.Figure6.2illustratestheeffectsofaddingintegral.ItfollowsfromD6.1EthatthestrengthofintegralactionincreaseswithdecreasingintegraltimeTi.Thefigureshowsthatthesteadystateerrordisappearswhenintegralactionisused.Comparewiththediscussionofthe“magicofintegralaction”inSection2.2.ThetendencyforoscillationalsoincreaseswithdecreasingTi.ThepropertiesofderivativeactionareillustratedinFigure6.3.Figure6.3illustratestheeffectsofaddingderivativeaction.TheparametersKandTiarechosensothattheclosedloopsystemisoscillatory.Dampingincreaseswithincreasingderivativetime,butdecreasesagainwhenderivativetimebecomestoolarge.RecallthatderivativeactioncanbeinterpretedasprovidingpredictionbylinearextrapolationoverthetimeTd.UsingthisinterpretationitiseasytounderstandthatderivativeactiondoesnothelpifthepredictiontimeTdistoolarge.InFigure6.3theperiodofoscillationisabout6sforthesystemwithoutderivativeChapter6.PIDControlFigure6.1 Figure6.2DerivativeactionsceasetobeeffectivewhenTdislargerthana1s(onesixthoftheperiod).Alsonoticethattheperiodofoscillationincreaseswhenderivativetimeisincreased.APerspectiveThereismuchmoretoPIDthanisrevealedby（6.1）.Afaithfulimplementationoftheequationwillactuallynotresultinagoodcontroller.ToobtainagoodPIDcontrolleritisalsonecessarytoconsider。Figure6.3·Noisefilteringandhighfrequencyrolloff·Setpointweightingand2DOF ·Windup·Tuning·ComputerimplementationInthecaseofthePIDcontrollertheseissuesemergedorganicallyasthetechnologydevelopedbuttheyareactuallyimportantintheimplementationofallcontrollers.Manyofthesequestionsarecloselyrelatedtofundamentalpropertiesoffeedback,someofthemhavebeendiscussedearlierinthebook.6.3FilteringandSetPointWeightingDifferentiationisalwayssensitivetonoise.ThisisclearlyseenfromthetransferfunctionG(s)=sofadifferentiatorwhichgoestoinfinityforlarges.Thefollowingexampleisalsoilluminating.wherethenoiseissinusoidalnoisewithfrequencyw.ThederivativeofthesignalisThesignaltonoiseratiofortheoriginalsignalis1/anbutthesignaltonoiseratioofthedifferentiatedsignalisw/an.Thisratiocanbearbitrarilyhighifwislarge.Inapracticalcontrollerwithderivativeactionitistherefornecessarytolimitthehighfrequencygainofthederivativeterm.Thiscanbedonebyimplementingthederivativetermas6.2insteadofD=sTdY.Theapproximationgivenby(6.2)canbeinterpretedastheidealderivativesTdfilteredbyafirst-ordersystemwiththetimeconstantTd/N.Theapproximationactsasaderivativeforlow-frequencysignalcomponents.Thegain,however,islimitedtoKN.Thismeansthathigh-frequencymeasurementnoiseisamplifiedatmostbyafactorKN.TypicalvaluesofNare8to20.Furtherlimitationofthehigh-frequencygainThetransferfunctionfrommeasurementytocontrolleroutputuofaPIDcontrollerwiththeapproximatederivativeisThiscontrollerhasconstantgainathighfrequencies.Itfollowsfromthediscussiononrobustnessagainstprocessvariations inSection5.5thatitishighlydesirabletorolloffthecontrollergainathighfrequencies.ThiscanbeachievedbyadditionallowpassfilteringofthecontrolsignalbywhereTfisthefiltertimeconstantandnistheorderofthefilter.ThechoiceofTfisacompromisebetweenfilteringcapacityandperformance.ThevalueofTfcanbecoupledtothecontrollertimeconstantsinthesamewayasforthederivativefilterabove.Ifthederivativetimeisused,Tf=Td/Nisasuitablechoice.IfthecontrollerisonlyPI,Tf=Ti/Nmaybesuitable.Thecontrollercanalsobeimplementedas6.3ThisstructurehastheadvantagethatwecandevelopthedesignmethodsforanidealPIDcontrolleranduseaniterativedesignprocedure.ThecontrollerisfirstdesignedfortheprocessP(s).ThedesigngivesthecontrollerparameterTd.AnidealcontrollerfortheprocessP(s)/(1+sTd/N)2isthendesignedgivinganewvalueofTdetc.Suchaprocedurewillalsogiveaclearpictureofthetradeoffbetweenperformanceandfiltering.SetPointWeightingWhenusingthecontrollawgivenby（6.1）itfollowsthatastepchangeinthereferencesignalwillresultinanimpulseinthecontrolsignal.Thisisoftenhighlyundesirablethereforderivativeactionisfrequentlynotappliedtothereferencesignal.Thisproblemcanbeavoidedbyfilteringthereferencevaluebeforefeedingittothecontroller.Anotherpossibilityistoletproportionalactionactonlyonpartofthereferencesignal.Thisiscalledsetpointweighting.APIDcontrollergivenby（6.1）thenbecomes6.4wherebandcareadditionalparameter.Theintegraltermmustbebasedonerrorfeedbacktoensurethedesiredsteadystate.ThecontrollergivenbyD6.4Ehasastructurewithtwodegreesoffreedombecausethesignalpathfromytouisdifferentfromthatfromrtou.Thetransferfunctionfromrtouis6.5 TimetFigure6.4Responsetoastepinthereferenceforsystemswithdifferentsetpointweightsb=0dashed,b=0.5fullandb=1.0dashdotted.TheprocesshasthetransferfunctionP（s）=1/（s+1）3andthecontrollerparametersarek=3,ki=1.5andkd=1.5.andthetransferfunctionfromytouis6.6Setpointweightingisthusaspecialcaseofcontrollershavingtwodegreesoffreedom.Thesystemobtainedwiththecontroller（6.4）respondtoloaddisturbancesandmeasurementnoiseinthesamewayasthecontroller（6.1）.Theresponsetoreferencevaluescanbemodifiedbytheparametersbandc.ThisisillustratedinFigure6.4,whichshowstheresponseofaPIDcontrollertoset-pointchanges,loaddisturbances,andmeasurementerrorsfordifferentvaluesofb.Thefigureshowsclearlytheeffectofchangingb.Theovershootforset-pointchangesissmallestforb=0,whichisthecasewherethereferenceisonlyintroducedintheintegralterm,andincreaseswithincreasingb.Theparametercisnormallyzerotoavoidlargetransientsinthecontrolsignalduetosuddenchangesintheset-point.6.4DifferentParameterizationsThePIDalgorithmgivenbyEquation（6.1）canberepresentedbythetransferfunction6.76.86.9 AninteractingcontrolleroftheformEquationD6.8Ethatcorrespondstoanon-interactingcontrollercanbefoundonlyifTheparametersarethengivenby6.10Thenon-interactingcontrollergivenbyEquation（6.7）ismoregeneral,andwewillusethatinthefuture.Itis,however,sometimesclaimedthattheinteractingcontrolleriseasiertotunemanually.ItisimportanttokeepinmindthatdifferentcontrollersmayhavedifferentstructureswhenworkingwithPIDcontrollers.Ifacontrollerisreplacedbyanothertypeofcontroller,thecontrollerparametersmayhavetobechanged.Theinteractingandthenon-interactingformsdifferonlywhenbothIandtheDpartsofthecontrollerareused.IfweonlyusethecontrollerasaP,PI,orPDcontroller,thetwoformsareequivalent.YetanotherrepresentationofthePIDalgorithmisgivenby6.11TheparametersarerelatedtotheparametersofstandardformthroughTherepresentationEquation（6.11）isequivalenttothestandardform,buttheparametervaluesarequitedifferent.Thismaycausegreatdifficultiesforanyonewhoisnotawareofthedifferences,particularlyifparameter1/kiiscalledintegraltimeandkdderivativetime.Itisevenmoreconfusingifkiiscalledintegrationtime.TheformgivenbyEquation（6.11）isoftenusefulinanalyticalcalculationsbecausetheparametersappearlinearly.Therepresentationalsohastheadvantagethatitispossibletoobtainpureproportional,integral,orderivativeactionbyfinitevaluesoftheparameters. PID控制6.1介绍PID控制器是反馈控制的最常见形式。因为早在40年代它就成为了过程控制的标准工具。在今天的过程控制业中,超过95%的控制回路是PID类型,多数实际上是PI控制。PID控制是分布控制系统的一种重要组成部分。控制器被隐藏在许多其他控制系统下面。PID控制与逻辑控制经常结合在一起,连续作用、选择器,和简单的功能模块一起构成复杂自动化系统，可以应用在发电,运输，以及制造业。许多经典的控制策略,譬如模型有预测性的控制。PID控制是使用在要求水平较低的场合；PID控制器应用在底层。PID控制器在每个控制工程师的应用实例里都能经常见到。近年来PID控制器在技术生产上也产生了许多变化,从机械到微处理器控制由电子管,晶体管,组合电路组成的控制系统。微处理器对PID控制器有着强烈的影响。实际上今天制作的所有PID控制器都是建立在微处理器的基础上的。这就有机会扩展其他的特点：像自动定调,获取预定,和连续的适应。6.2算法我们开始讲解PID控制器的主要特点。PID算法的描述:6.1这里y是被测量的处理可变量,r参考可变量,u是控制信号，e是控制误差。参考变量经常可以被称为是固定的点。控制信号包含三个量，P-term，I-term，D-term，控制器的参数包括比例系数K，整体时间Ti，和Td。以过去，现在和未来为基础的控制轨迹可解释整体，比例项和输出部份的关系。图中举例。在不同时间的运动可以表示输出部分的一个典型的例子。在参数值方面作一下改变，即可预测下一时间的走向问题。PID的作用图6.1说明的是典型的比例控制.控制器给定Ti=∞，Td=0。表示在比例控制中总存在有一种稳定状态误差。获取值增加误差将减少,但系统稳定性将受到影响。图6.2说明增加积分式的作用。它跟随图6.1而来增加时间Ti.当积分式运行使用。稳定状态误差将逐渐的消失。相比较，说明在图6.3减少Ti，波动继续增大.图6.3举例说明增加输出的方法的效果。参数K和Ti被选定以便闭环系统是振动的。当输出时间过长时，导出时间将被阻值再一次增加，减少也是一样。当在时间Td作线形补偿取消输出可以得到预测的结果。用简单的方法解释，如果预测时间Td太大，导出将没有影响。在图6.3中，振荡的周期是没有引出的，大约是6S。 图6.1图6.2.当Td比1S（六分之一的周期时间）大的时候，输出的作用停止是有效的。也要注意当输出时间增加的时候，振荡的周期也将增加。图6.1说明有许多比PID更好的系统，但是，实际上一个好控制器，必需得有一个好的PID控制器。而获得一个好的PID控制器，也需要认真地考虑一下。 图6.3.·噪声过滤和高频率关闭·凝固点衡量和2DOF·终结·调谐·计算机执行在使用PID控制器的时候，有些问题就会涌现出来，但他们实际上最重要的是在所有控制中的实施。许多问题与反馈本身是紧密地联系在一起的。其中，有些在早期的一些资料中就已经被研究过。6.3过滤和凝固点的衡量微分对噪声总是敏感的。像G(s)=s的微分器。以下的例子可以有力的说明。例子6.1-DIFFERENTIATION放大高频率噪音，参考信号这里的噪声是正弦信号，频率为w。信号的导数是针对噪音的信号比率为原始的信号是1倍，但噪音的信号比率是被区分的。如果w是足够大的这个比率是可能任意提高的。从一种积分作用控制器来看，是有必要限制积分范围的，以得到高频率。这可以由做积分的范围决定6.2替换D=sTdY。由（6.2）的f得到的近似值，可以解释为理想的积分sTd过滤了由一个以时间常数Td/N的优先处理的系统。近似值以一种低频率信号组分。但是,这种获取,限制了KN。这就意味着,高频率测量噪声大多由因素KN被放大，N的典型的价值是8到20。高频率获取的进一步测量y对控制装置输出u的一种PID控制器与近似积分是 这种控制器有稳定的输入由于在高频率，因而决定从强度问题讨论,这可能有另外达到低通过滤的控制信号这里Tf是过滤器时间常数。Tf选择在过滤的范围和起点之间。如果选择时间，Tf＝Td/N是适当的选择。如果控制器是唯一的PI，Tf＝Ti/N可能是适当的。控制器也可能被实施，就像6.3这个结构的好处,我们能将其开发设计为一种理想的PID控制器和使用一种设计程序方法。控制器首先被设计为处理P(s)，设计给控制器参量Td，一种理想的控制器为P(s)/(1+sTd/N)2，然后重新给Td符值，这样做将有一张清楚的滤波图片。设定点权衡当使用（6.1）提供的控制规则时，参考信号的变化会在控制信号上产生波动。这种情况是不好的，因此，输出的信号被用于参考信号。这个问题应在控制器设计前考虑，得以避免，另外的一种可能性在参考信号的部份上，这叫做关键点权衡。PID控制器由(6.1)提供，然后写成6.4b和c是另外的参量，必须根据误差反馈来保证期望的稳定状态。控制器由（6.4.）提供，因为从y到u的信号路径与r到u不同，所以用自由结构，从r到u。6.5Timet图6.4在参考系统以另外固定点衡量b=0,b=0.5和b=1.0。传递作用P(s)=1/(s+1)3和控制器参量是k =3,ki=1.5和kd=1.5。并且传递作用从y到u是6.6定点衡量是因为控制器是一种特殊二阶系统。控制器(6.4)反应加载干扰和测量噪声以与控制器相似。在表6.4说明对参考价的反应可能被参量b和c修改。展示PID控制器对信号一点的变动的反应,增加扰动,并且在b的不同的值计量误差。图清楚地显示改变b的作用。信号点的变动是在b=0,参量c通常是零，为避免由于瞬间在信号一点上的突然的变化。6.4不同参数PID算法由方程式(6.1)提供，并且传递函数的代表为6.76.86.9对应于控制器形式，可导出给定参量6.10控制器方程式(6.7)只是一般的,并且我们正在使用。但是,有些控制器更加容易手工调节。重点记住,不同的控制器也许有不同的结构，当工作与PID控制器合作的时候，不同的控制器可能有不同的结构。（在与PID控制器合作的时候，不同的控制器可能有不同的结构。）如果控制器由其它类型控制器替换,控制器参数必须被改变。当控制器的I和D部分被使用。如果我们只使用控制器作为P,PI,或PD控制器,二个形式是等效的。PID算法的另一个表示法 6.11参量与标准格式的转换方程（6.11）是对标准形式的变换，但是参数值是不同的。这可能为任何一个有不同观点，或者不了解的人带来很大的困难，特别是如果参数1/ki整体的时间和kd导出时间，如果ki叫做整合时间，会更难以理解。由于参数线的出现，所以时常方程（6.11）这种形式在分析计算中经常用到。这种表示法也有好处,它可能获得纯比例,积分式。