PID控制算法基础知识

本文为PID控制算法的基础介绍

一、算法概述

PID是一个闭环控制算法。要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是需要有反馈。例如控制一个电机的转速，就得测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上；同样控制一个温度，就需要有温度传感器，并将结果反馈到控制路线上。

最初对于闭环控制仅是一个P控制，将当前结果反馈回来，再与目标相减，为正就减速，为负就加速，这是最简单的闭环控制算法。

PID是比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法，但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD、PI，甚至可以只有P算法控制，PID算法结构图如下所示：

比例（P）、积分（I）、微分（D）的控制算法各有作用：

• 比例，反应系统的基本（当前）偏差e(t)，系数越大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例会使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；
• 积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高系统无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；
• 微分，反应系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。

积分和微分都不能单独使用，必须与比例控制配合。

二、控制器的P、I、D项

下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下：

1. 比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：水泵房冷、热水池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。
2. 比例积分控制规律(PI)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等。
3. 比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度传感器、成分控制。需要说明一点，对于滞后较大的区域里，微分项无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。
4. 比例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制。

注：鉴于D规律的作用，我们还需了解时间滞后的概念。时间滞后包括容量滞后与纯滞后。其中容量滞后通常又包括：测量滞后和传送滞后。测量滞后是检测元件在检测时需要建立一种平衡，如热电偶、热电阻、压力等响应较慢产生的一种滞后。而传送滞后则是在传感器、变送器、执行机构等设备产生的一种控制滞后。纯滞后是相对于测量滞后的，在工业上，大多纯滞后是由于物料传输所致。

总结

以上便是对PID控制算法的介绍，需要多实战才能更好的掌握PID控制算法。同时控制规律的选用需要根据过程特性和工艺要求来选取，绝不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。当PID控制器达不到工艺要求，则需要考虑其他的控制方案，如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。