簡介

PID控制是一種在工業(yè)過程控制中廣泛應(yīng)用的控制策略，其全稱是比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative）控制。它的基本原理是根據(jù)期望值與實際值的比較，產(chǎn)生一個誤差信號，然后對這個誤差信號進行比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)的處理，以產(chǎn)生一個控制信號，最后用這個控制信號去調(diào)節(jié)被控對象的輸出，以達到減小誤差、提高控制精度的目的。

控制原理

假設(shè)我們有一個小車，我們希望通過控制其電機轉(zhuǎn)速來達到一個目標(biāo)軌跡。我們可以通過以下步驟來實現(xiàn)這個目標(biāo)：

設(shè)定目標(biāo)：我們設(shè)定一個目標(biāo)軌跡，比如從A點移動到B點，需要小車按照這個軌跡行駛。
采集數(shù)據(jù)：我們使用編碼器等傳感器來測量小車的實際位置和速度，并與目標(biāo)軌跡進行比較，得出偏差。
比例控制：根據(jù)偏差的大小，我們通過比例控制器來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。比如，如果小車偏離目標(biāo)軌跡，我們可以通過增加電機的轉(zhuǎn)速來使小車回歸到目標(biāo)軌跡。這是比例控制器的功勞。
積分控制：除了比例控制外，我們還需要考慮偏差的累積。如果小車在偏離目標(biāo)軌跡后一直未回歸，那么比例控制器將不斷調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，使小車回歸目標(biāo)軌跡。這是積分控制器的功勞。
微分控制：除了比例和積分控制外，我們還需要考慮偏差的變化率。如果小車即將偏離目標(biāo)軌跡，我們可以提前調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，使小車提前回歸目標(biāo)軌跡。這是微分控制器的功勞。
通過以上步驟，我們就成功地利用PID控制器來控制小車的電機轉(zhuǎn)速，使其按照我們設(shè)定的目標(biāo)軌跡行駛。

相關(guān)術(shù)語

偏差：這是期望狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)的差異，通過眼睛（觀測器）觀測得到。例如，小車編碼電機中，偏差=目標(biāo)值轉(zhuǎn)速（編碼器值）-編碼器采集值。
比例控制：根據(jù)比例增益，計算比例調(diào)整量P = Kp * error。比例增益（Kp）是調(diào)節(jié)控制器輸出的一個參數(shù)，error是當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)之間的差值。
積分控制：根據(jù)積分增益，計算積分調(diào)整量I = Ki * ∫(error dt)。積分增益（Ki）是另一個調(diào)節(jié)控制器輸出的參數(shù)，∫(error dt)表示error在時間上的累積。
微分控制：根據(jù)微分增益，計算微分調(diào)整量D = Kd * d(error)/dt。微分增益（Kd）是調(diào)節(jié)控制器輸出的又一個參數(shù)，d(error)/dt表示error隨時間的變化率。
PID控制器是一種線性控制器，它通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)過程來達到目標(biāo)值，如水溫的恒溫控制，電機轉(zhuǎn)速控制，舵機打角控制等。PID控制過程就是給定目標(biāo)值，觀察實際值，得出偏差，然后根據(jù)偏差進行比例、積分、微分控制，并將這些控制量作用于被控對象上，使其達到并在給定值附近穩(wěn)定。

調(diào)參技巧

1. 首先給大家簡單介紹一下PIDPID就是通過系統(tǒng)誤差利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。不同廠家的公式稍有不同，但是基本上都離不開三個參數(shù)：比例、積分時間、微分時間。
2. 采樣周期在進行PID調(diào)節(jié)之前要先設(shè)定好PID的采樣周期，采樣周期設(shè)定主要根據(jù)被控對象的特性決定。被控對象變化快的（如：流量），可將采樣周期設(shè)定在100ms左右，采樣周期變化慢的（如：液位）可將采樣周期設(shè)定在1000ms，對于特別緩慢的（如：溫度）可設(shè)置成5-10S。簡單的理解是多長時間比較一次采樣值與設(shè)定值。當(dāng)然需要注意的是，采樣周期必須大于程序的執(zhí)行周期（PLC的運行周期）。
3. 比例比例作用是依據(jù)偏差的大小來動作.比例有時又被稱為增益用Gain表示，當(dāng)控制量與被控量成正比例關(guān)系時（例如：閥位與流量）增益為正數(shù)；當(dāng)控制量與被控量成反比例關(guān)系時（例如：液位與頻率）增益。
4. 積分時間積分時間是PID參數(shù)的關(guān)鍵之一。它的主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。積分時間通常需要通過實驗和經(jīng)驗來確定，它與系統(tǒng)的采樣周期和滯后時間有關(guān)。在選擇積分時間時，需要權(quán)衡系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。較小的積分時間可能會導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁振蕩，而較大的積分時間則會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
5. 微分時間微分時間是PID參數(shù)中反應(yīng)系統(tǒng)未來誤差的重要因素。微分時間的設(shè)定需要考慮系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。較大的微分時間有助于減小系統(tǒng)的動態(tài)誤差，但可能會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。微分時間的設(shè)定需要經(jīng)驗豐富的工程師進行調(diào)試，通常可以通過試錯法進行確定。
6. 比例、積分、微分三者之間的關(guān)系比例、積分和微分三者之間存在密切的關(guān)系。比例調(diào)節(jié)是快速的，但它不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分調(diào)節(jié)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但需要犧牲系統(tǒng)的響應(yīng)速度。微分調(diào)節(jié)可以預(yù)測未來的誤差，但需要避免系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。在調(diào)整PID參數(shù)時，需要綜合考慮三者之間的關(guān)系，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制效果。
   7.PID調(diào)試過程中的注意事項在調(diào)試PID參數(shù)時，需要注意以下幾點：首先，先調(diào)比例，再調(diào)積分，最后調(diào)微分。其次，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)速度和超調(diào)量，如果存在振蕩或超調(diào)量過大，可能需要調(diào)整積分時間和微分時間。最后，調(diào)試過程中要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免系統(tǒng)出現(xiàn)頻繁的振蕩。
   8.PID參數(shù)的在線調(diào)整在實際應(yīng)用中，PID參數(shù)通常需要進行在線調(diào)整。在線調(diào)整是通過實時采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況對PID參數(shù)進行調(diào)整的過程。在線調(diào)整需要經(jīng)驗豐富的工程師進行操作，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

相互作用

首先，比例單元（P）的作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時，比例單元會立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，減小偏差。具體來說，如果系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)與期望狀態(tài)之間存在差異，比例單元會根據(jù)這個差異的大小和方向，按比例產(chǎn)生一個調(diào)節(jié)信號，這個信號會作用于系統(tǒng)，使其向消除偏差的方向運動。

然后，積分單元（I）的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差時（即系統(tǒng)無法達到期望狀態(tài)，一直存在一個微小的偏差），積分單元會對這個誤差進行積分，即計算誤差隨著時間的變化量。這個積分值會作為一個調(diào)節(jié)信號，對系統(tǒng)進行進一步的調(diào)節(jié)，直至消除穩(wěn)態(tài)誤差。

最后，微分單元（D）的作用是反應(yīng)系統(tǒng)的未來誤差。微分單元會對系統(tǒng)的未來狀態(tài)進行預(yù)測，并計算預(yù)測值與期望值之間的誤差。這個誤差的變化率（即微分值）會被作為調(diào)節(jié)信號，提前對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，以避免在未來出現(xiàn)大的誤差。

PID這三個單元各有側(cè)重，但又相互配合，共同作用，使得系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地對各種復(fù)雜的工況進行響應(yīng)，并達到期望的控制效果。

相似算法

PID調(diào)節(jié)和以下幾種控制算法相似：

1. 比例積分微分控制算法（PI控制算法）。PI控制算法是在PID算法的基礎(chǔ)上去掉微分項得到的一種算法，只包含比例控制和積分控制。與PID相比，PI算法更加穩(wěn)定，能夠減少振蕩和過沖現(xiàn)象。
2. 比例積分控制算法（P控制算法）。P控制算法是在PID算法的基礎(chǔ)上去掉積分項和微分項得到的一種算法，只包含比例控制。與PID相比，P算法更加簡單，并且能夠在一定程度上控制系統(tǒng)性能。
   除上述控制算法之外，還存在其他與PID調(diào)節(jié)相似的算法，如模糊控制、自適應(yīng)控制等。這些算法在處理復(fù)雜和非線性系統(tǒng)方面具有優(yōu)勢，可以在特定情況下實現(xiàn)更好的控制效果。

與PWM對比

PID控制和PWM控制是兩種常用的控制技術(shù)，它們在不同的應(yīng)用中有不同的作用和工作原理。

PWM控制是通過調(diào)整脈沖的占空比來控制輸出信號的平均電平。它是通過周期性地開關(guān)電源，控制開關(guān)時間和關(guān)閉時間的比例，從而控制所需的輸出。PWM控制常用于需要模擬連續(xù)信號的應(yīng)用，例如直流電機速度控制、LED亮度調(diào)節(jié)、音頻放大器等，它適用于那些可以通過調(diào)整脈沖寬度來控制的設(shè)備或系統(tǒng)。

PID控制是一種基于反饋的控制算法，根據(jù)當(dāng)前誤差、誤差積分和誤差變化率的信息，計算出一個控制量，用于調(diào)節(jié)輸出，以使系統(tǒng)的實際值與期望值盡可能接近。PID控制適用于需要精確控制和穩(wěn)定性的應(yīng)用，例如溫度控制、位置控制、速度控制等。PID控制具有自適應(yīng)能力，可以根據(jù)實際情況動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)。

在某些應(yīng)用中，PID和PWM可以結(jié)合使用。例如，在電機控制系統(tǒng)中，PID控制可以用于調(diào)節(jié)電機的速度和位置，而PWM控制可以用于調(diào)節(jié)電機的電流和電壓。兩者的結(jié)合使用可以實現(xiàn)更精確的電機控制。

應(yīng)用范圍

PID控制算法在以下領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用：

溫度控制：在工業(yè)過程、熱處理、恒溫箱等方面，PID控制算法可以實現(xiàn)對溫度的精確控制。
機械控制：在電機速度控制、位置控制、壓力控制等方面，PID控制算法可以實現(xiàn)機械系統(tǒng)的精確控制。
液位控制：在液位高度控制、油罐液位控制等方面，PID控制算法可以實現(xiàn)液位的精確控制。
流量控制：在化工流程控制、供水系統(tǒng)控制等方面，PID控制算法可以實現(xiàn)對流量的精確控制。
此外，PID控制算法還應(yīng)用于速度控制、位置控制、飛行器姿態(tài)控制、汽車穩(wěn)定性控制、電力調(diào)度等各個領(lǐng)域?？偟膩碚f，PID控制算法適用于需要自動控制和調(diào)節(jié)的各種物理過程，使其達到預(yù)定的控制目標(biāo)。

優(yōu)缺點

PID控制器被廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，其主要的優(yōu)點有：

1. PID算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在、將來的主要信息，并且配置幾乎最優(yōu)。比例（P）代表當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速。微分（D）在信號變化時有 超前控制作用，代表將來的信息。在過程開始時強迫過程進行，過程結(jié)束時減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。積分（I）代表了過去積累的信息，能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。
2. PID控制適應(yīng)性好，有較強的魯棒性，對各種工業(yè)場合，都可在不同的程度上應(yīng)用。特別適于“一階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”和“二階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”的過程控制對象。
3. PID算法簡單明了，各個控制參數(shù)相對較為獨立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。
4. PID控制根據(jù)不同的要求，針對自身的缺陷進行了不少改進，形成了一系列改進的PID算法。例如，為了克服微分帶來的高頻干擾的濾波PID控制；為克服大偏差時出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制等。

然而，PID控制器也存在一些缺點：
5. PID控制器對參數(shù)調(diào)整的要求比較高，如果參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)性能不佳。
6. PID控制器對反饋信號的依賴度高，如果反饋信號受到干擾或者出現(xiàn)故障，系統(tǒng)的性能也會受到影響。
7. PID控制器對噪聲敏感，如果系統(tǒng)中存在噪聲，可能會導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩或者不穩(wěn)定。
8. PID控制器可能存在積分飽和的問題，如果積分項發(fā)生飽和，可能會導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差或者振蕩。

硬件支持

PID控制需要以下硬件支持：

控制器：PID控制算法需要一個控制器來實現(xiàn)。控制器可以是嵌入式系統(tǒng)、單片機、PLC等，用于接收輸入信號，根據(jù)PID算法計算輸出信號，并將輸出信號傳遞給被控對象。
執(zhí)行器：PID控制的執(zhí)行器是用于將控制信號轉(zhuǎn)換為實際動作的裝置。常見的執(zhí)行器包括電動機、氣缸、液壓馬達等。
反饋裝置：PID控制需要一個反饋裝置來檢測被控對象的輸出信號，并將其反饋給控制器。反饋裝置可以是傳感器、編碼器等。
電源：PID控制系統(tǒng)的電源是用于提供能量的設(shè)備。對于不同的被控對象和控制器，需要選擇相應(yīng)的電源來提供合適的能量。
此外，根據(jù)具體的被控對象和控制系統(tǒng)要求，可能還需要其他輔助設(shè)備，如信號轉(zhuǎn)換器、繼電器、接觸器等。