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PID控制的原理和特點
PID控制的原理和特點
在工程實際中,，應用的調(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,，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好,、工作可靠,、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能*掌握,，或得不到的數(shù)學模型時,，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,，這時應用PID控制技術zui為方便,。即當我們不*了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，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(jù)系統(tǒng)的誤差,，利用比例,、積分、微分計算出控制量進行控制的,。階躍響應
階躍響應是指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時,，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應進入穩(wěn)態(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差,?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準,、快三個字來描述,。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性（stability），一個系統(tǒng)要能正常工作,，首先必須是穩(wěn)定的,，從階躍響應上看應該是收斂的﹔準是指控制系統(tǒng)的準確性、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)響應的快速性,，通常用上升時間來定量描述。
閉環(huán)控制系統(tǒng)
閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop control system）的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸出,，形成一個或多個閉環(huán),。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)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(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋,，又稱負反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多,。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),，眼睛便是傳感器，充當反饋,，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正zui后作出各種正確的動作,。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路,，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng),。另例，當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈,，并在洗凈之后能自動切斷電源,，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
（1）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成比例關系,。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。
（2）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系,。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,，則稱這個控制系統(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”,。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(wěn)態(tài)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(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差,。
（3）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）成正比關系,。
自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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,，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，而目前需要增加的是“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于零,，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào),。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。