PID控制

當今的閉環自動控制技術都是基於反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執行。測量關鍵的是被控變數的實際值，與期望值相比較，用這個偏差來糾正系統的回響，執行調節控制。在工程實際中，套用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。

PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業控制套用中常見的反饋迴路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎是比例控制；積分控制可消除穩態誤差，但可能增加超調；微分控制可加快大慣性系統回響速度以及減弱超調趨勢。

這個理論和套用的關鍵是，做出正確的測量和比較後，如何才能更好地糾正系統。

PID（比例（proportion）、積分（integral）、微分（differential））控制器作為最早實用化的控制器已有近百年歷史，現在仍然是套用最廣泛的工業控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為套用最為廣泛的控制器。

基本介紹

• 中文名：PID控制
• 套用領域：工業控制器
• PID控制器：比例-積分-導數控制器
• 作用：測量和比較，糾正系統

含義

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t）與輸出u(t）的關係為：

u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]式中積分的上下限分別是t和0

因此它的傳遞函式為：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]

其中kp為比例係數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

用途

它由於用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數（Kp，Ti和Td）即可。在很多情況下，並不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。

首先，PID套用範圍廣。雖然很多工業過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，這樣PID就可控制了。

其次，PID參數較易整定。也就是，PID參數Kp，Ti和Td可以根據過程的動態特性及時整定。如果過程的動態特性變化，例如可能由負載的變化引起系統動態特性變化，PID參數就可以重新整定。

第三，PID控制器在實踐中也不斷的得到改進

PID在控制非線性、時變、耦合及參數和結構不確定的複雜過程時，工作得不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制複雜過程，無論怎么調參數都沒用。

雖然有這些缺點，但簡單的PID控制器有時卻是最好的控制器。

意義

工業自動化水平已成為衡量各行各業現代化水平的一個重要標誌。同時，控制理論的發展也經歷了古典控制理論、現代控制理論和智慧型控制理論三個階段。自動控制系統可分為開環控制系統和閉環控制系統。一個控制系統包括控制器、感測器、變送器、執行機構、輸入輸出接口。控制器的輸出經過輸出接口、執行機構，加到被控系統上；控制系統的被控量，經過感測器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統，其感測器、變送器、執行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要採用壓力感測器，電加熱控制系統的感測器是溫度感測器。PID控制及其控制器或智慧型PID控制器已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的套用，有各種各樣的PID控制器產品，各大公司均開發了具有PID參數自整定功能的智慧型調節器(intelligent regulator），其中PID控制器參數的自動調整是通過智慧型化調整或自校正、自適應算法來實現。有利用PID控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現PID控制功能的可程式控制器(PLC），還有可實現PID控制的PC系統等等。可程式控制器（PLC)是利用其閉環控制模組來實現PID控制，而可程式控制器（PLC）可以直接與ControlNet相連，還有可以實現PID控制功能的控制器，它可以直接與ControlNet相連，利用網路來實現其遠程控制功能。

系統分類

開環控制

開環控制系統（open-loop control system）是指被控對象的輸出（被控制量）對控制器（controller）的輸入沒有影響。在這種控制系統中，不依賴將被控量返送回來以形成任何閉環迴路。

閉環控制

閉環控制系統（closed-loop control system）是指被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸入，形成一個或多個閉環。閉環控制系統有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統給定值信號相反，則稱為負反饋（Negative Feedback），若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環控制系統均採用負反饋，又稱負反饋控制系統。閉環控制系統的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環控制系統，眼睛便是感測器，充當反饋，人體系統能通過不斷的修正最後作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋迴路，也就成了一個開環控制系統。另例，當一台真正的全自動洗衣機具有能連續檢查衣物是否洗淨，並在洗淨之後能自動切斷電源，它就是一個閉環控制系統。

階躍回響

階躍回響是指將一個階躍輸入（step function）加到系統上時，系統的輸出。穩態誤差是指系統的回響進入穩態後，系統的期望輸出與實際輸出之差。控制系統的性能可以用穩、準、快三個字來描述。穩是指系統的穩定性（stability），一個系統要能正常工作，首先必須是穩定的，從階躍回響上看應該是收斂的；準是指控制系統的準確性、控制精度，通常用穩態誤差（Steady-state error）來描述，它表示系統輸出穩態值與期望值之差；快是指控制系統回響的快速性，通常用上升時間來定量描述。

調節方法

PID是工業生產中最常用的一種控制方式，PID調節儀表也是工業控制中最常用的儀表之一，PID適用於需要進行高精度測量控制的系統，可根據被控對象自動演算出最佳PID控制參數。

PID參數自整定控制儀可選擇外給定（或閥位）控制功能。可取代伺服放大器直接驅動執行機構（如閥門等）。PID外給定（或閥位）控制儀可自動跟隨外部給定值（或閥位反饋值）進行控制輸出（模擬量控制輸出或繼電器正轉、反轉控制輸出）。可實現自動/手動無擾動切換。手動切換至自動時，採用逼近法計算，以實現手動/自動的平穩切換。PID外給定（或閥位）控制儀可同時顯示測量信號及閥位反饋信號。

PID光柱顯示控制儀集數字儀表與模擬儀表於一體，可對測量值及控制目標值進行數字量顯示（雙LED數碼顯示），並同時對測量值及控制目標值進行相對模擬量顯示（雙光柱顯示），顯示方式為雙LED數碼顯示+雙光柱模擬量顯示，使測量值的顯示更為清晰直觀。

PID參數自整定控制儀可隨意改變儀表的輸入信號類型。採用最新無跳線技術，只需設定儀表內部參數，即可將儀表從一種輸入信號改為另一種輸入信號。

PID參數自整定控制儀可選擇帶有一路模擬量控制輸出（或開關量控制輸出、繼電器和可控矽正轉、反轉控制）及一路模擬量變送輸出，可適用於各種測量控制場合。

PID參數自整定控制儀支持多機通訊，具有多種標準串列雙向通訊功能，可選擇多種通訊方式，如RS-232、RS-485、RS-422等，通訊波特率300～9600bps儀表內部參數自由設定。可與各種帶串列輸入輸出的設備（如電腦、可程式控制器、PLC等）進行通訊，構成管理系統。

原理

PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

比例P控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關係。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。

積分I控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關係。對一個自動控制系統，如果在進入穩態後存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決於時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等於零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統在進入穩態後無穩態誤差。

微分D控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關係。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振盪甚至失穩。其原因是由於存在有較大慣性組件（環節）或有滯後（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落後於誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等於零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯後的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。

參數整定

PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例係數、積分時間和微分時間的大小。

PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易於掌握，在工程實際中被廣泛採用。

PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然後按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論採用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最後調整與完善。一般採用的是臨界比例法。

利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下：

1）首先預選擇一個足夠短的採樣周期讓系統工作；

2）僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍回響出現臨界振盪，記下這時的比例放大係數和臨界振盪周期；

3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。