PID控制器

比例-积分-微分控制器（PID控制器或三项控制器）是一种采用反馈的控制回路机制，广泛用于工业控制系统和需要连续调制控制的各种其他应用。PID 控制器连续计算误差值 作为所需设定点(SP) 和测量过程变量(PV)之间的差异，并应用基于比例、积分和导数项（分别表示为P、I和D）的校正，因此得名。

实际上，PID 会自动对控制函数应用准确且响应迅速的校正。一个日常示例是汽车上的巡航控制，如果应用恒定的发动机功率，则上坡会降低速度。控制器的 PID 算法通过以受控方式增加发动机的功率输出，以最小的延迟和过冲将测量速度恢复到所需速度。

PID 的第一个理论分析和实际应用是在船舶自动操舵系统领域，从 20 年代初开始发展。然后它被用于制造业的自动过程控制，在气动和电子控制器中得到广泛应用。今天，PID 概念被普遍用于需要精确和优化的自动控制的应用中。

 

 

PID控制器的显着特点是能够利用比例、积分和微分这三个控制项对控制器输出的影响来进行精确和最优的控制。右侧的方框图显示了这些术语如何生成和应用的原理。它显示了一个 PID 控制器，它连续计算误差值 作为所需设定点之间的差异 和测量过程变量  : ，并应用基于proportional、integral和derivative项的校正。控制器试图通过调整控制变量来最小化随时间推移的误差 你(吨)，例如控制阀的打开，到由控制项的 加权和确定的新值。

在这个模型中：

• P项与 SP 的当前值 − PV 误差成正比 . 例如，如果误差很大，控制输出将通过使用增益系数“K _p ”成比例地变大。单独使用比例控制会导致设定点和过程值之间出现误差，因为控制器需要误差才能生成比例输出响应。在稳态过程条件下达到平衡，具有稳定的 SP-PV“偏移”。
• I项说明了 SP − PV 误差的过去值，并随着时间的推移对它们进行积分以产生I项。例如，如果在应用比例控制后存在残余 SP - PV 误差，则积分项试图通过添加由于误差的历史累积值而产生的控制效果来消除残余误差。当误差被消除时，积分项将停止增长。这将导致比例效应随着误差的减小而减小，但这可以通过不断增加的积分效应进行补偿。
• D项是基于其当前变化率的 SP − PV 误差未来趋势的最佳估计。它有时被称为“预期控制”，因为它通过施加由误差变化率产生的控制影响来有效地寻求减少 SP − PV 误差的影响。变化越快，控制或阻尼效果就越大。^[1]

调整——这些影响的平衡是通过回路调整来实现的，以产生最佳的控制功能。调整常数在下面显示为“K”并且必须针对每个控制应用导出，因为它们取决于控制器外部完整回路的响应特性。这些取决于测量传感器、最终控制元件（例如控制阀）、任何控制信号延迟和过程本身的行为。常量的近似值通常可以在知道应用类型的情况下最初输入，但通常通过引入设定点变化并观察系统响应来在实践中“冲击”过程来改进或调整它们。

控制作用——上面的数学模型和实际循环都对所有项使用直接控制作用，这意味着增加的正误差会导致增加的正控制输出校正。如果有必要应用负纠正操作，则该系统称为反向作用。例如，如果流量回路中的阀门对于 0–100% 的控制输出是 100–0% 的阀门开度——这意味着必须反转控制器的动作。一些过程控制方案和最终控制元件需要这种反向操作。一个例子是冷却水阀门，在信号丢失的情况下，故障安全模式将是阀门 100% 打开；因此 0% 的控制器输出需要导致 100% 的阀门打开。