PID控制器（Proportion Integration Differentiation.比例-積分-微分控制器），由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成。通過Kp， Ki和Kd三個參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。本文首先介紹的是PID控制器的工作原理，其次介紹的是pid控制器的輸入輸出，最后介紹了PID控制器的參數(shù)整定以及PID控制器的控制實(shí)現(xiàn)，具體的跟隨小編一起來了解一下。

PID控制器的工作原理

PID控制器廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。工業(yè)自動化領(lǐng)域的大約95％的閉環(huán)操作使用PID控制器。控制器以這樣一種方式組合，即產(chǎn)生一個控制信號。作為反饋控制器，它將控制輸出提供到所需的水平。在微處理器發(fā)明之前，模擬電子元件實(shí)現(xiàn)了PID控制。但是今天所有的PID控制器都是由微處理器處理的。可編程邏輯控制器也有內(nèi)置的PID控制器指令。

通過使用低成本的簡單開關(guān)控制器，只有兩種控制狀態(tài)是可能的，例如全開或全關(guān)。它用于有限的控制應(yīng)用，這兩個控制狀態(tài)足夠控制目標(biāo)。然而，這種控制的振蕩特性限制了其使用，因此正在被PID控制器所取代。

PID控制器保持輸出，使得通過閉環(huán)操作在過程變量和設(shè)定點(diǎn)/期望輸出之間存在零誤差。PID使用三種基本的控制行為，下面將對此進(jìn)行說明。

P-控制器：

比例或P-控制器給出與電流誤差e（t）成比例的輸出。它將期望值或設(shè)定值與實(shí)際值或反饋過程值進(jìn)行比較。得到的誤差乘以比例常數(shù)得到輸出。如果錯誤值為零，則該控制器輸出為零。

此控制器在單獨(dú)使用時需要偏置或手動重置。這是因?yàn)樗鼜膩頉]有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。它提供穩(wěn)定的操作，但始終保持穩(wěn)定狀態(tài)的錯誤。當(dāng)比例常數(shù)Kc增加時，響應(yīng)速度會增加。

I-控制器

由于p-控制器在過程變量和設(shè)定點(diǎn)之間總是存在偏差，所以需要I-控制器，這就提供了必要的動作來消除穩(wěn)態(tài)誤差。它集成了一段時間的誤差，直到誤差值達(dá)到零。它對最終控制裝置的誤差為零的值保持不變。

當(dāng)發(fā)生負(fù)面誤差時，積分控制會降低其輸出。它限制了響應(yīng)速度，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。響應(yīng)的速度通過減小積分增益Ki而增加。

在上圖中，隨著I控制器的增益減小，穩(wěn)態(tài)誤差也逐漸減小。對于大多數(shù)情況下，PI控制器尤其適用于不需要高速響應(yīng)的場合。

當(dāng)使用PI控制器，I-控制器輸出被限制在一定程度的范圍內(nèi)，克服了積分飽和，其中積分輸出的推移，即使在零誤差狀態(tài)增加時，由于在所述植物的非線性的條件。

d-控制器

I-控制器不具備預(yù)測錯誤未來行為的能力。所以一旦設(shè)定值改變，它就會正常反應(yīng)。D控制器通過預(yù)測未來的錯誤行為來克服這個問題。其輸出取決于誤差相對于時間的變化率，乘以微分常數(shù)。它為輸出提供啟動，從而增加系統(tǒng)響應(yīng)。

在上圖中，D控制器的響應(yīng)比PI控制器多，輸出的建立時間也減少。它通過補(bǔ)償由I控制器引起的相位滯后來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增加微分增益會提高響應(yīng)速度。

pid控制器的輸入輸出

輸入：

被控對象的量測（被控制量）值 -- PV，也稱為過程值；一般從測量單元來。

被控對象的設(shè)定值 -- SP或SV，也稱為設(shè)定值；一般從操作單元來。

輸出：

PID控制器的輸出值 -- CO或CV或MV，也稱為PID輸出值；一般輸出到手操器或輸出卡件。

PID控制器的參數(shù)整定

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：（1）首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。

在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。

對于溫度系統(tǒng)：P（［%］）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3

對于流量系統(tǒng)：P（［%］）40--100，I（分）0.1--1

對于壓力系統(tǒng)：P（［%］）30--70，I（分）0.4--3

對于液位系統(tǒng)：P（［%］）20--80，I（分）1--5

參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查

先是比例后積分，最后再把微分加

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

曲線偏離回復(fù)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(yīng)加長

理想曲線兩個波，前高后低4比1

一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低

PID控制器的控制實(shí)現(xiàn)

1、PID 的反饋邏輯

各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同，甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)以所選用變頻器的說明書介紹為準(zhǔn)。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中，用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。冬天制熱時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量；而夏天制冷時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度過低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速．減少冷水的流量。由上可見，同樣是溫度偏低，反饋信號減小，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。幾種變頻器反饋邏輯的功能選擇見表 1 。

2、打開 PID 功能

要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的 PID 控制功能，首先應(yīng)將 PID 功能預(yù)置為有效。具體方法有兩種：一是通過變頻器的功能參數(shù)碼預(yù)置，例如，康沃 CVF-G2 系列變頻器，將參數(shù) H-48 設(shè)為 O 時，則無 PID 功能；設(shè)為 1 時為普通 PID 控制；設(shè)為 2 時為恒壓供水 PID 。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態(tài)決定。例如安川 CIMR-G 7A 系列變頻器，如圖 1 所示，在多功能輸入端子 Sl-S10 中任選一個，將功能碼 H1-01 ～ H1-10（ 與端子 S1-S10 相對應(yīng) ） 預(yù)置為 19 ，則該端子即具有決定 PI［） 控制是否有效的功能，該端子與公共端子 SC “ ON ”時無效，“ OFF ”時有效。應(yīng)注意的是．大部分變頻器兼有上述兩種預(yù)置方式，但有少數(shù)品牌的變頻器只有其中的一種方式。

在一些控制要求不十分嚴(yán)格的系統(tǒng)中，有時僅使用 PI 控制功能、不啟動 D 功能就能滿足需要，這樣的系統(tǒng)調(diào)試過程比較簡單。

3、目標(biāo)信號與反饋信號

欲使變頻系統(tǒng)中的某一個物理量穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上，變頻器的 PID 功能電路將反饋信號與目標(biāo)信號不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來實(shí)時地調(diào)整輸出頻率和電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以，變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號：目標(biāo)信號和反饋信號。這里所說的目標(biāo)信號是某物理量預(yù)期穩(wěn)定值所對應(yīng)的電信號，亦稱目標(biāo)值或給定值；而該物理量通過傳感器測量到的實(shí)際值對應(yīng)的電信號稱為反饋信號，亦稱反饋量或當(dāng)前值。 PID 控制的功能示意圖見圖 2 。圖中有一個 PID 開關(guān)。可通過變頻器的功能參數(shù)設(shè)置使 PID 功能有效或無效。 PID 功能有效時，由 PID 電路決定運(yùn)行頻率； PID 功能無效時，由頻率設(shè)定信號決定運(yùn)行頻率。 PID 開關(guān)、動作選擇開關(guān)和反饋信號切換開關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)置決定其工作狀態(tài)。

4、目標(biāo)值給定

如何將目標(biāo)值 （ 目標(biāo)信號 ） 的命令信息傳送給變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結(jié)起來大體上有如下兩種方案：一是自動轉(zhuǎn)換法，即變頻器預(yù)置 PID 功能有效時，其開環(huán)運(yùn)行時的頻率給定功能自動轉(zhuǎn)為目標(biāo)值給定。