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什么是PID調(diào)節(jié)及PID調(diào)節(jié)的基本原理
目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志,。同時(shí),，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段,。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等,。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹑輸入輸出接口,?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹐加到被控系統(tǒng)上﹔控制系統(tǒng)的被控量﹐經(jīng)過傳感器﹐變送器﹐通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)﹐其傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的,。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器,。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前,，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多,，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品,，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器（inligent regulator）,，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn),。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力,、溫度、流量,、液位控制器,，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器（PLC），還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等,?？删幊炭刂破鳎≒LC） 是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)PID控制,，而可編程控制器（PLC）可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等,。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器,，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連,，利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能,。
1、開環(huán)控制系統(tǒng)
開環(huán)控制系統(tǒng)（open-loop control system）是指被控對(duì)象的輸出（被控制量）對(duì)控制器（controller）的輸出沒有影響,。在這種控制系統(tǒng)中,，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。
2,、閉環(huán)控制系統(tǒng)
閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop control system）的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出（被控制量）會(huì)反送回來影響控制器的輸出,，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋（ Negative Feedback）,，若極性相同,，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋,，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng),。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),，眼睛便是傳感器,，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正zui后作出各種正確的動(dòng)作,。如果沒有眼睛,，就沒有了反饋回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),。另例,，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源,，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),。
3、階躍響應(yīng)
階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí),，系統(tǒng)的輸出,。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn),、準(zhǔn),、快三個(gè)字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性（stability）,，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作,，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的﹔準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,、控制精度,，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來（Steady-state error）描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差﹔快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,，通常用上升時(shí)間來定量描述,。
4、PID控制的原理和特點(diǎn)
在工程實(shí)際中,，應(yīng)用的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例,、積分、微分控制,，簡稱PID控制,，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史,，它以其結(jié)構(gòu)簡單,、穩(wěn)定性好、工作可靠,、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一,。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能*掌握，或得不到的數(shù)學(xué)模型時(shí),，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)zui為方便,。即當(dāng)我們不*了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),，用PID控制技術(shù)。PID控制,，實(shí)際中也有PI和PD控制,。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例,、積分,、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一種zui簡單的控制方式,。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系,。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。
積分（I）控制
在積分控制中,，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系,。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）,。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,，隨著時(shí)間的增加,，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,，即便誤差很小,，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,，直到等于零,。因此，比例+積分（PI）控制器,，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系,。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn),。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用,，其變化總是落后于誤差的變化。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(shí),，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說,，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的,，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),，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于零,，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào),。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。
5,、PID控制器的參數(shù)整定
PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容,。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù),、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法,。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù),。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用,，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn),，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單,、易于掌握,，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法,，主要有臨界比例法,、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn),，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn),，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行zui后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：（1）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作﹔（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié),，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期﹔（3）在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。