理解PID控制器

PID控制理论的第一次成功评估在船舶自动操舵系统领域得到了实践验证，可以追溯到1920年左右。在此之后，它被应用于各种工业自动化过程控制，要求优化和准确的制造输出规格。在制造单元中，为了实现精确的气动控制，普遍采用PID控制，最终PID理论在现代的电子控制器中得到应用。

什么是PID控制器

PID是比例-积分-微分控制器的缩写，它是一种反馈回路机制，设计用于精确控制各种工业控制机械，以及许多其他需要关键和自动调节控制的类似应用。

为了实现这一点，PID控制器持续监控系统运行，并计算诱发误差元素。然后以所需设定点（SP）和测量过程变量（PV）之间的差值的形式评估该瞬时误差值。

参考上述内容，根据比例（P）、积分（I）和微分（D）表达式执行瞬时和自动反馈校正，因此命名为PID控制器。

简单地说，PID控制器连续监控给定机器系统的工作，并通过指定的算法，根据外部影响引起的变化不断修正其输出响应。从而确保机器始终在规定的理想条件下工作。

理解PID框图

PID控制器被认为是一个通用的控制系统，因为它能够检测和管理3个控制参数:比例，积分和导数，并应用预期的最优控制的输出与极端精度，参考这3个参数。

下图是PID的框图。参考此框图，我们可以快速了解PID的工作原理。

图片由:en.wikipedia.org/wiki/File: PID_en.svg

在这里我们可以看到一组变量，如误差值对应的e(t)，目标设定点对应的r(t)，被测过程变量y(t)。PID控制器在整个操作过程中监控误差值e(t)，通过评估预期设定值r(t)或SP与测量过程值y(t)或PV之间的差异，并因此执行反馈校正或优化使用参数，即:比例、积分和导数。

控制器通过根据分析的控制项(p, I, d)的加权和，将控制变量u(t)调整为新的值，继续努力减少误差影响。

例如，在阀门控制装置的操作中，其开启和关闭可通过PID通过复杂的评估进行连续变化，如上所述。

在所示系统中，各种术语可理解为如下所述：

P -控制器:

项P与通过评估SP–PV结果获得的瞬时误差值e（t）成比例。在误差值趋于变大的情况下，控制输出也相对于增益因子“K”成比例地变大。然而，在需要补偿的过程中，例如在温度控制中，单独的比例控制可能会导致设定点和实际过程值之间的不准确，因为如果没有产生比例响应的误差反馈，它无法令人满意地工作。这意味着如果没有错误反馈，就不可能做出正确的纠正响应。

I-控制器：

这个词我就负责之前评估的SP - PV值错误,并集成在操作期间创建的这个词。例如比例控制时如果SP - PV产生一些误差,应用参数我变得活跃并试图终止这种残余错误。这实际上是由于在较早时间记录的累积错误值而触发的控制响应。一旦发生这种情况，I项就会停止进一步增强。这使得比例效应随着误差因子的减小而相应减小，尽管这也会随着积分效应的发展而得到补偿。

D -控制器:

根据误差系数的瞬时变化率，对于SP–PV误差的演变趋势，D项是最合适的近似值。如果这种变化率迅速提高，反馈控制将更积极地实施，反之亦然。

什么是PID整定

上述讨论的参数可能需要正确的平衡，以确保最优的控制功能，这是通过一个称为“循环优化”的过程实现的。所涉及的调优常数用“K”表示，如下所示。对于选定的应用程序，这些常量中的每一个都必须单独导出，因为这些常量严格依赖并根据环路中涉及的特定外部参数的特性和影响而变化。这可能包括用于测量给定参数的传感器的响应，最后的节流元件(如控制阀)，环路信号中可能的时间间隔和过程本身等。

可以接受在实施开始时根据应用类型采用常数的近似值；然而，这最终可能需要通过实际实验进行一些认真的微调和调整，强制改变设定点，然后观察系统控制的响应。

无论是在数学模型中还是在实际回路中，都可以看到对指定的项采用“直接”控制动作。意思是当检测到正误差增加时，相应增加的正控制被启动来控制所涉及的术语的情况。

然而，在输出参数可能具有相反配置特征，需要反向校正措施的应用中，这可能需要反转。让我们考虑一个流量环路的例子，其中阀门开启过程指定使用100%和0%输出操作，但需要用相应的0%和100%输出进行控制，在这种情况下，反向校正控制变得至关重要。更准确地说，考虑具有保护功能的水冷却系统，在信号损失期间，其阀门要求100%打开。在这种情况下，控制器输出必须能够在没有信号的情况下改变为0%控制，以便阀门能够在100%完全打开，这被称为“反向作用”控制。

控制函数的数学模型

在这个数学模型中，所有非负常数Kp、Ki和Kd分别表示比例项、积分项和导数项的系数(在某些情况下也表示为P、I和D)。

自定义PID控制术语

从上面的讨论中我们了解到，从根本上来说，PID控制系统使用三个控制参数，然而一些较小的应用程序可能更喜欢使用这些术语中的两个，甚至是三个术语中的一个术语。

定制是通过呈现零设置未使用的术语,并将两个π,PD或单条款如P或者其中,PI控制器配置更常见,因为D一词通常是容易受到噪声的影响,因此消除了在大多数情况下,除非严格强制性的。第I项通常包括在内，因为它确保系统在输出时达到预期的最优目标值。