一、PID控制簡介 ? ??? PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業過程控制，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。 ??? 在工程實際中，應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，它實際上是一種算法。PID問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。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。 ??? 從信號變換的角度而言，超前校正、滯后校正、滯后－超前校正可以總結為比例、積分、微分三種運算及其組合。 ??? PID調節器的適用范圍：PID調節控制是一個傳統控制方法，它適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現場，不同的現場，僅僅是PID參數應設置不同，只要參數設置得當均可以達到很好的效果。均可以達到0.1%，甚至更高的控制要求。 PID控制的不足 ??1. 在實際工業生產過程往往具有、時變不確定，難以建立精確的數學模型，常規的PID控制器不能達到理想的控制效果； ??2. 在實際生產現場中，由于受到參數整定方法煩雜的困擾，常規PID控制器參數往往整定不良、效果欠佳，對運行工況的適應能力很差。 ? 二、PID控制器各校正環節 ? ??? 任何閉環控制系統的首要任務是要穩（穩定）、快（快速）、準（準確）的響應命令。PID調整的主要工作就是如何實現這一任務。 ??增大比例系數P將加快系統的響應，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩定在一個理想的數值，不良的結果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現，過大的比例系數會使系統有比較大的超調，并產生振蕩，使穩定性變壞。積分能在比例的基礎上消除余差，它能對穩定后有累積誤差的系統進行誤差修整，減小穩態誤差。微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設置得當的情況下，對于提高系統的動態性能指標，有著顯著效果，它可以使系統超調量減小，穩定性增加，動態誤差減小。 ??? 綜上所述，P—比例控制系統的響應快速性，快速作用于輸出，好比"現在"（現在就起作用，快），I—積分控制系統的準確性，消除過去的累積誤差，好比"過去"（清除過去積怨，回到準確軌道），D—微分控制系統的穩定性，具有超前控制作用，好比"未來"（放眼未來，未雨綢繆，穩定才能發展）。當然這個結論也不可一概而論，只是想讓初學者更加快速的理解PID的作用。 ??在調整的時候，你所要做的任務就是在系統結構允許的情況下，在這三個參數之間權衡調整，達到最佳控制效果，實現穩快準的控制特點。 ??? 比例控制可快速、及時、按比例調節偏差，提高控制靈敏度，但有靜差，控制精度低。積分控制能消除偏差，提高控制精度、改善穩態性能，但易引起震蕩，造成超調。微分控制是一種超前控制，能調節系統速度、減小超調量、提高穩定性，但其時間常數過大會引入干擾、系統沖擊大，過小則調節周期長、效果不顯著。比例、積分、微分控制相互配合，合理選擇PID調節器的參數，即比例系數KP、積分時間常數τi和微分時間常數τD，可迅速、準確、平穩的消除偏差，達到良好的控制效果。 ??1. 比例環節 ??? 成比例地反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減小偏差。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state error）。 ??? P參數越小比例作用越強，動態響應越快，消除誤差的能力越強。但實際系統是有慣性的，控制輸出變化后，實際y(t)值變化還需等待一段時間才會緩慢變化。由于實際系統是有慣性的，比例作用不宜太強，比例作用太強會引起系統振蕩不穩定。P參數的大小應在以上定量計算的基礎上根據系統響應情況，現場調試決定，通常將P參數由大向小調，以能達到最快響應又無超調(或無大的超調)為最佳參數。 ??優點:調整系統的開環比例系數，提高系統的穩態精度，減低系統的惰性，加快響應速度。 ??缺點:僅用P控制器,過大的開環比例系數不僅會使系統的超調量增大，而且會使系統穩定裕度變小，甚至不穩定。 ??? ??2. 積分環節 ??? 控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數T,T越大，積分作用越弱，反之則越強。 ??為什么要引進積分作用？ ??? 比例作用的輸出與誤差的大小成正比，誤差越大，輸出越大，誤差越小，輸出越小，誤差為零，輸出為零。由于沒有誤差時輸出為零，因此比例調節不可能完全消除誤差，不可能使被控的值達到給定值。必須存在一個穩定的誤差，以維持一個穩定的輸出，才能使系統的PV值保持穩定。這就是通常所說的比例作用是有差調節，是有靜差的，加強比例作用只能減少靜差，不能消除靜差(靜差：即靜態誤差，也稱穩態誤差)。 ??? 為了消除靜差必須引入積分作用，積分作用可以消除靜差，以使被控的y(t)值最后與給定值一致。引進積分作用的目的也就是為了消除靜差，使y(t)值達到給定值，并保持一致。 ??? 積分作用消除靜差的原理是，只要有誤差存在，就對誤差進行積分，使輸出繼續增大或減小，一直到誤差為零，積分停止，輸出不再變化，系統的PV值保持穩定，y(t)值等于u(t)值，達到無差調節的效果。 ??? 但由于實際系統是有慣性的，輸出變化后，y(t)值不會馬上變化，須等待一段時間才緩慢變化，因此積分的快慢必須與實際系統的慣性相匹配，慣性大、積分作用就應該弱，積分時間I就應該大些，反之而然。如果積分作用太強，積分輸出變化過快，就會引起積分過頭的現象，產生積分超調和振蕩。通常I參數也是由大往小調，即積分作用由小往大調，觀察系統響應以能達到快速消除誤差，達到給定值，又不引起振蕩為準。 ??? 對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，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，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。PI控制器不但保持了積分控制器消除穩態誤差的“記憶功能”，而且克服了單獨使用積分控制消除誤差時反應不靈敏的缺點。 ??優點：消除穩態誤差。 ?? ??缺點：積分控制器的加入會影響系統的穩定性，使系統的穩定裕度減小。 ???? ??3. 微分環節 ??? 反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。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）成正比關系。 ??為什么要引進微分作用？ ? ??? 前面已經分析過，不論比例調節作用，還是積分調節作用都是建立在產生誤差后才進行調節以消除誤差，都是事后調節，因此這種調節對穩態來說是無差的，對動態來說肯定是有差的，因為對于負載變化或給定值變化所產生的擾動，必須等待產生誤差以后，然后再來慢慢調節予以消除。