在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過程控制的典型對(duì)象──“一階滯后 純滯后”與“二階滯后 純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、…）。 PID是閉環(huán)控制算法 因此要實(shí)現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是得有反饋。比如控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就得有一個(gè)測量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制路線上，下面也將以轉(zhuǎn)速控制為例。 PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法 但并不是必須同時(shí)具備這三種算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前對(duì)于閉環(huán)控制的一個(gè)最樸素的想法就只有P控制，將當(dāng)前結(jié)果反饋回來，再與目標(biāo)相減，為正的話，就減速，為負(fù)的話就加速?，F(xiàn)在知道這只是最簡單的閉環(huán)控制算法。 PID控制器結(jié)構(gòu) PID控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖 對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成一種控制規(guī)律。“利用偏差，糾正偏差”。 模擬PID控制器結(jié)構(gòu)圖 PID控制器的輸入輸出關(guān)系為： 比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法各有作用 比例，反應(yīng)系統(tǒng)的基本(當(dāng)前)偏差e(t)，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定; 積分，反應(yīng)系統(tǒng)的累計(jì)偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差; 微分，反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率e(t)-e(t-1)，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分對(duì)噪聲干擾有放大作用，加強(qiáng)微分對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。 積分和微分都不能單獨(dú)起作用，必須與比例控制配合。 控制器的P,I,D項(xiàng)選擇 下面將常用的各種控制規(guī)律的控制特點(diǎn)簡單歸納一下： (1)、比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動(dòng)的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。如：金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、熱水池水位控制;油泵房中間油罐油位控制等。 (2)、比例積分控制規(guī)律(PI)：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。如：在主線窯頭重油換向室中F1401到F1419號(hào)槍的重油流量控制系統(tǒng);油泵房供油管流量控制系統(tǒng);退火窯各區(qū)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。 (3)、比例微分控制規(guī)律(PD)：微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。需要說明一點(diǎn)，對(duì)于那些純滯后較大的區(qū)域里，微分項(xiàng)是無能為力，而在測量信號(hào)有噪聲或周期性振動(dòng)的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。如：大窯玻璃液位的控制。 (4)、例積分微分控制規(guī)律(PID)：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成分控制等。 鑒于D規(guī)律的作用，我們還必須了解時(shí)間滯后的概念，時(shí)間滯后包括容量滯后與純滯后。其中容量滯后通常又包括：測量滯后和傳送滯后。測量滯后是檢測元件在檢測時(shí)需要建立一種平衡，如熱電偶、熱電阻、壓力等響應(yīng)較慢產(chǎn)生的一種滯后。而傳送滯后則是在傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備產(chǎn)生的一種控制滯后。純滯后是相對(duì)與測量滯后的，在工業(yè)上，大多的純滯后是由于物料傳輸所致，如：大窯玻璃液位，在投料機(jī)動(dòng)作到核子液位儀檢測需要很長的一段時(shí)間。 總之，控制規(guī)律的選用要根據(jù)過程特性和工藝要求來選取，決不是說PID控制規(guī)律在任何情況下都具有較好的控制性能，不分場合都采用是不明智的。如果這樣做，只會(huì)給其它工作增加復(fù)雜性，并給參數(shù)整定帶來困難。當(dāng)采用PID控制器還達(dá)不到工藝要求，則需要考慮其它的控制方案。如串級(jí)控制、前饋控制、大滯后控制等。 Kp,Ti,Td三個(gè)參數(shù)的設(shè)定是PID控制算法的關(guān)鍵問題。一般說來編程時(shí)只能設(shè)定他們的大概數(shù)值，并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過反復(fù)調(diào)試來確定最佳值。因此調(diào)試階段程序須得能隨時(shí)修改和記憶這三個(gè)參數(shù)。 數(shù)字PID控制器 （1）模擬PID控制規(guī)律的離散化 （2）數(shù)字PID控制器的差分方程 參數(shù)的自整定 在某些應(yīng)用場合，比如通用儀表行業(yè)，系統(tǒng)的工作對(duì)象是不確定的，不同的對(duì)象就得采用不同的參數(shù)值，沒法為用戶設(shè)定參數(shù)，就引入?yún)?shù)自整定的概念。實(shí)質(zhì)就是在首次使用時(shí)，通過N次測量為新的工作對(duì)象尋找一套參數(shù)，并記憶下來作為以后工作的依據(jù)。具體的整定方法有三種：臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)法。 1、臨界比例度法（Ziegler-Nichols） 1.1 在純比例作用下，逐漸增加增益至產(chǎn)生等副震蕩，根據(jù)臨界增益和臨界周期參數(shù)得出PID控制器參數(shù)，步驟如下： （1）將純比例控制器接入到閉環(huán)控制系統(tǒng)中（設(shè)置控制器參數(shù)積分時(shí)間常數(shù)Ti =∞，實(shí)際微分時(shí)間常數(shù)Td =0）。 （2）控制器比例增益K設(shè)置為最小，加入階躍擾動(dòng)（一般是改變控制器的給定值），觀察被調(diào)量的階躍響應(yīng)曲線。 （3）由小到大改變比例增益K，直到閉環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。 （4）系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)等幅振蕩時(shí)，此時(shí)的增益為臨界增益（Ku），振蕩周期（波峰間的時(shí)間）為臨界周期（Tu）。 （5） 由表1得出PID控制器參數(shù)。 1.2 采用臨界比例度法整定時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）在采用這種方法獲取等幅振蕩曲線時(shí)，應(yīng)使控制系統(tǒng)工作在線性區(qū)，不要使控制閥出現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是“極限循環(huán)”，從線性系統(tǒng)概念上說系統(tǒng)早已處于發(fā)散振蕩了。 （2）由于被控對(duì)象特性的不同，按上表求得的控制器參數(shù)不一定都能獲得滿意的結(jié)果。對(duì)于無自平衡特性的對(duì)象，用臨界比例度法求得的控制器參數(shù)往住使系統(tǒng)響應(yīng)的衰減率偏大（ψ＞0.75 ）。而對(duì)于有自平衡特性的高階等容對(duì)象，用此法整定控制器參數(shù)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)衰減率大多偏小（ψ＜0.75 ）。為此，上述求得的控制器參數(shù)，應(yīng)針對(duì)具體系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中進(jìn)行在線校正。 （3） 臨界比例度法適用于臨界振幅不大、振蕩周期較長的過程控制系統(tǒng)，但有些系統(tǒng)從安全性考慮不允許進(jìn)行穩(wěn)定邊界試驗(yàn)，如鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。還有某些時(shí)間常數(shù)較大的單容對(duì)象，用純比例控制時(shí)系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的，對(duì)于這些系統(tǒng)也是無法用臨界比例度法來進(jìn)行參數(shù)整定的。 （4）只適用于二階以上的高階對(duì)象，或一階加純滯后的對(duì)象，否則，在純比例控制情況下，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩。 1.3 若求出被控對(duì)象的靜態(tài)放大倍數(shù)KP=△y／△u ，則增益乘積KpKu可視為系統(tǒng)的最大開環(huán)增益。通常認(rèn)為Ziegler-Nichols閉環(huán)試驗(yàn)整定法的適用范圍為： （1） 當(dāng)KpKu > 20時(shí)，應(yīng)采用更為復(fù)雜的控制算法，以求較好的調(diào)節(jié)效果。 （2）當(dāng)KpKu （3）當(dāng)1.5 （4）當(dāng)KpKu