PID控製簡述集合
PID控製簡述集合
盡管不同類型的控製器，其結構、原理各不相同，但是基本控製規律隻有三個：比例（P）控製、積分（I）控製和微分（D）控製。這幾種控製規律可以單獨使用，但更多場合是組合使用。如比例（P）控製、比例-積分（PI）控製、比例-積分-微分（PID）控製等。
1. 比例（P）控製
單獨的比例控製也稱“有差控製”，輸出變化與輸入控製器的偏差成比例關係，偏差越大輸出越大。實際應用中，比例度的大小應視具體情況而定，比例度太小，控製作用太弱，不利於係統克服擾動，餘差太大，控製質量差，也沒有什麽控製作用；比例度太大，控製作用太強，容易導致係統的穩定性變差，引發振蕩。
對於反應靈敏、放大能力強的被控對象，為提高係統的穩定性，應當使比例度稍小些；而對於反應遲鈍，放大能力較弱的被控對象，比例度可選大一些，以提高整個係統的靈敏度，也可以相應減小餘差。
單純的比例控製適用擾動不大，滯後較小，負荷變化小，要求不高，允許一定餘差存在的場合。工業生產中比例控製使用較為普遍。
2. 比例積分（PI）控製
比例控製是最基本的、應用最普遍的一種，其最大優點就是控製及時、迅速。隻要有偏差產生，控製器立即產生控製作用。但是，不能最終消除餘差的缺點限製了它的單獨使用。克服餘差的辦法是在比例控製的基礎上加上積分控製作用。
積分控製的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。這裏的“積分”指的是“積累”的意思。積分控製器的輸出不僅與輸入偏差大小有關，而且還與偏差存在的時間有關。隻要偏差存在，輸出就會不斷累積（輸出值越來越大或越來越小），一直到偏差為零，累積才會停止。所以，積分控製可以消除餘差。積分控製又稱無差控製。
積分時間的大小表征了積分控製作用的強弱。積分時間越小，控製作用越強；反之，控製作用越弱。
積分控製雖然能消除餘差，但它存在著控製不及時的缺點。因為積分輸出的累積是漸進的，其產生的控製作用總是落後於偏差變化，不能及時有效地克服幹擾的影響，難以使控製係統穩定下來。所以，實用中一般不單獨使用積分控製，而是和比例控製結合起來，構成比例積分控製。這樣取二者之長，互相彌補，既有比例控製作用的迅速及時，又有積分控製作用消除餘差的能力。因此，比例積分控製可以實現較為理想的過程控製。
比例積分控製器是目前應用最為廣泛的控製器，多用於工業生產中液位、壓力、流量等控製係統。由於引入積分作用能消除餘差，彌補了純比例控製的缺陷，獲得較好的控製質量。但是積分作用的引入，會使係統穩定性變差。對於有較大慣性滯後的控製係統，要盡量避免使用。
3. 比例微分（PD）控製
比例積分控製對於時間滯後的被控對象使用不夠理想。所謂“時間滯後”指的是：當被控對象受到擾動作用後，被控變量沒有立即發生變化，而是有一個時間上的延遲，比如容量滯後，此時比例積分控製顯得遲鈍、不及時。為此，人們設想：能否根據偏差的變化趨勢來做出相應的控製動作呢？猶如有經驗的操作人員，即可根據偏差的大小來改變閥門的開度（比例作用），又可根據偏差變化的速度大小來預計將要出現的情況，提前進行過量控製，“防患於未然”。這就是具有“超前”控製作用的微分控製規律。微分控製器輸出的大小取決於輸入偏差變化的速度。
微分輸出隻與偏差的變化速度有關，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無關。如果偏差為一固定值，不管多大，隻要不變化，則輸出的變化一定為零，控製器沒有任何控製作用。
微分時間越大，微分輸出維持的時間就越長，因此微分作用越強；反之則越弱。當微分時間為0時，就沒有微分控製作用了。同理，微分時間的選取，也是需要根據實際情況來確定的。
微分控製作用的特點是：動作迅速，具有超前調節功能，可有效改善被控對象有較大時間滯後的控製品質；但是它不能消除餘差，尤其是對於恒定偏差輸入時，根本就沒有控製作用。因此，不能單獨使用微分控製規律。
比例和微分作用結合，比單純的比例作用更快。尤其是對容量滯後大的對象，可以減小動偏差的幅度，節省控製時間，顯著改善控製質量。
4. 比例積分微分（PID）控製
最為理想的控製當屬比例-積分-微分控製規律。它集三者之長：既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除餘差能力，還有微分作用的超前控製功能。
當偏差階躍出現時，微分立即大幅度動作，抑製偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由於比例作用是持久和起主要作用的控製規律，因此可使係統比較穩定；而積分作用慢慢把餘差克服掉。隻要三個作用的控製參數選擇得當，便可充分發揮三種控製規律的優點，得到較為理想的控製效果。
5. PID控製器調試方法
５.１ 比例係數的調節
比例係數P的調節範圍一般是：0.1--100。如果增益值取 0.1，PID 調節器輸出變化為十分之一的偏差值。如果增益值取 100， PID 調節器輸出變化為一百倍的偏差值。
可見該值越大，比例產生的增益作用越大。初調時，選小一些，然後慢慢調大，直到係統波動足夠小時，再該調節積分或微分係數。過大的P值會導致係統不穩定，持續振蕩；過小的P值又會使係統反應遲鈍。合適的值應該使係統由足夠的靈敏度但又不會反應過於靈敏，一定時間的遲緩要靠積分時間來調節。
５.２ 積分係數的調節
積分時間常數的定義是，偏差引起輸出增長的時間。積分時間設為 1秒，則輸出變化 100%所需時間為 1 秒。初調時要把積分時間設置長些，然後慢慢調小直到係統穩定為止。
5.3 微分係數的調節
微分值是偏差值的變化率。例如，如果輸入偏差值線性變化，則在調節器輸出側疊加一個恒定的調節量。
大部分控製係統不需要調節微分時間。因為隻有時間滯後的係統才需要附加這個參數，如果畫蛇添足加上這個參數反而會使係統的控製受到影響。 如果通過比例、積分參數的調節還是收不到理想的控製要求，就可以調節微分時間。初調時把這個係數設小，然後慢慢調大，直到係統穩定。
5.4 總結
PID控製器的參數整定是控製係統設計的核心內容。它根據被 控過程的特性確定PID控製器的比例係數、積分時間和微分時間的大小。PID控製器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據係統的數學模型，經過理論計算確定控製器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經驗，直接在控製係統的試驗中進行，且方法簡單、易於掌握，在工程實際中被廣泛采用。
PID控製器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然後按照工程經驗公式對控製器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控製器參數，都需 要在實際運行中進行最後調整與完善。
現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控製器參數的整定步驟如下：
(1) 首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓係統工作；
(2) 僅加入比例控製環節，直到係統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩， 記下這時的比例放大係數和臨界振蕩周期；
(3) 在一定的控製度下通過公式計算得到PID控製器的參數。
在實際調試中，隻能先大致設定一個經驗值，然後根據調節效果修改。
對於溫度係統：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3
對於流量係統：P（%）40--100，I（分）0.1--1
對於壓力係統：P（%）30--70，I（分）0.4--3
對於液位係統：P（%）20--80，I（分）1--5
5.5 PID整定口訣
參數整定找最佳，從小到大順序查 ；
先是比例後積分，最後再把微分加 。
曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 ；
曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 。
曲線偏離回複慢，積分時間往下降 ；
曲線波動周期長，積分時間再加長 。
曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；
動差大來波動慢。微分時間應加長 。
理想曲線兩個波，前高後低4比1 ；
一看二調多分析，調節質量不會低。