Print
PDF比例-积分-微分(PID)控制是当今工业中最为常用的控制算法。
PID控制器的广泛使用可以归功于它们在广泛的工作环境下有着极高的效率，功能简洁，易于实现，以及在现今技术条件下的易用性。但是，在一些情况下，经典的PID并不是最佳选择。请考虑下面的四种技术来扩展PID算法或使用更为精确的算法进行替代。
1，调整PID：增益调度、前向反馈等 —— 控制工程师们面临的一个最常见的问题就是需要控制的对象在不同的环境和不同的工作条件下会有着不同的表现。例如，汽车在不同行驶速度下，即使油门踏板输入相同，也会呈现出不同的加速特性。如果你需要设计基于PID的巡航控制系统，那么您需要根据汽车的速度，使用不同的PID增益，以获得更好的性能。这种技术被称为增益调度。
在PID算法中加入前向反馈控制可以考虑更多信号，进而改进性能。例如图1所示，想象一下在斜坡路面上行驶的汽车。由于PID控制只能处理单个输入(汽车速度)和单个输出(油门)，您可以使用前向反馈来添加一个基于扰动(斜坡)的激励。但仍然有许多问题需要解决，如预先获知传感器延时轨迹等。您可以使用更为先进的技术如模型预测控制(MPC)替换PID控制算法，来解决这些问题。在模型预测控制中，设计出的控制器可以根据提前获得的未来设定点参数对控制过程进行调整。借助于这种预测能力，再结合传统的反馈操作，控制器就可以进行更加自然的调整，更加接近最优控制值，从而获得更好更有效的操作。
图1 一个MPC控制器跟踪温度变换曲线。控制器可以在设定点变换到来前提高温度。
2，使用FPGA增加控制环的速率 —— 更快的控制环有着更好的性能。直到现在，用户不得不使用即时可用的可编程逻辑控制器(PLC)，或者为最为常用的系统专门设计控制硬件。典型的PLC提供了许多所必需的特性，如坚固性和灵活性等，但是用户所能实现的控制算法最高循环速率只能达到几十赫兹的量级。而如果使用自定义硬件，通常需要了解嵌入式编程和电子系统集成的相关知识，使用数字信号处理器(DSP)或微处理器来构建定制的电路板。这样虽然可以获得更好的循环速率和自定义特性，实现更为先进的控制算法，但是需要精通嵌入式设计。这就意味着更长、花费更高的设计周期，同时最后的硬件设备需要额外的机箱来满足工业环境的苛刻要求。
使用基于现场可编程门阵列(FPGA)的可编程自动化控制器(PAC)，如NI CompactRIO等，用户可以获得这两种方案各自的优势。总体构架提供了灵活性和可靠性，用户可以运行PID或自定义的FPGA算法。这将帮助您使用即时可用的工业级解决方案，达到高达1MHz的循环速率。
3，优化层次化控制器 —— 基于FPGA的PAC架构的另一个优势是它们提供了顶级平台，可以使用层次化的配置进行控制器设计。例如，您可以在FPGA上实现PID控制，同时将它与高层次最优化控制器(如前面提到的MPC)相结合。使用这些层次化控制器，您可以同时受益于高级算法的性能，以及易于设计的控制器（如PID等）的简便。高级算法，如前面提到的MPC，在实时操作系统上运行，可以解决PID控制器不能解决的复杂挑战，如非线性和多输入多输出等。层次化控制器并不总是需要使用高级控制器。在很多案例中，使用的两个控制器都是PID，这在很多运动控制系统中是很典型的。
图2 层次化控制可以进一步提高PID性能
4. 实现自适应控制器 —— 为了在随时间变化的系统中进一步提高PID的性能，您可以使用一种更为先进的PID控制器 —— 自适应控制器 —— 根据系统或环境的动态特性改变增益。它与增益调度的区别在于：增益调度只能根据设备的输出确定工作范围，而自适应PID则考虑了输入和输出来确定合适的增益。图3显示了在LabVIEW中运行自适应PID的一个实例。在这个例子中，LabVIEW PID控制和LabVIEW系统辨识工具包被结合在一起实现自适应算法。
图3 可以使用动态调节来实现PID。递归的系统辨识算法可以根据设备随时间的变化来调整控制器增益。
使用新技术应对PID面临的挑战
尽管PID控制算法被广泛使用，而且有着诸如易于使用等多种优势，但是新技术可以帮助您实现其它的变体PID控制器，在常见的工业应用中完成更为高级的控制。现在，您可以使用其它高级算法（基于PID或系统的动态特性）来替代现有的PID控制器，从而改善系统的性能。
Javier Gutierrez是美国国家仪器公司LabVIEW仿真与控制设计工具的产品经理。他拥有西班牙马拉加大学的电气工程学学士学位和控制学硕士学位。
更多相关资源
- 中文网页： CompactRIO中文主页
- 下载\索取：在线试用LabVIEW评估版软件
如果您有任何问题,请留言给NI工程师，我们会尽快给您回电！
Legal
This material is protected under the copyright laws of the U.S. and other countries and any uses not in conformity with the copyright laws are prohibited, including but not limited to reproduction, DOWNLOADING, duplication, adaptation and transmission or broadcast by any media, devices or processes.