| 什么是PID控制器？
PID
一词代表比例积分微分，它是一种用于控制工业应用中不同过程变量（如压力、流量、温度和速度）的设备。在该控制器中，控制回路反馈装置用于调节所有过程变量。
这种类型的控制用于在目标位置的方向上驱动系统，否则水平。它几乎无处不在，用于温度控制，并用于科学过程、自动化和无数化学品。在这个控制器中，闭环反馈用于保持方法的真实输出，如接近目标，否则尽可能在固定点输出。在本文中，讨论了
PID 控制器设计，其中使用了 P、I 和 D 等控制模式。
历史
PID 控制器的历史是，1911 年，第一个 PID 控制器由 Elmer Sperry 开发。之后，TIC（Taylor Instrumental
Company）在 1933
年实施了一个完全可调的前气动控制器。几年后，控制工程师通过将末端重新调整为某个错误值直到误差不为零，从而消除了在比例控制器中发现的稳态误差。
这种重新调整包括被称为比例积分控制器的误差。此后，在 1940 年，第一个气动 PID 控制器通过微分作用开发，以减少超调问题。
1942 年，Ziegler & Nichols 引入了整定规则，以便工程师发现和设置 PID 控制器的合适参数。最后，自动 PID 控制器在 1950
年中期广泛应用于工业。
PID 控制器框图
像 PID
控制器这样的闭环系统包括反馈控制系统。该系统使用固定点评估反馈变量以生成误差信号。在此基础上，它会改变系统输出。这个过程将一直持续到误差达到零，否则反馈变量的值将等于一个固定点。
与 ON/OFF 型控制器相比，该控制器提供了良好的效果。在 ON/OFF
型控制器中，只需两个条件即可管理系统。一旦过程值低于固定点，它将打开。同样，一旦该值高于固定值，它将关闭。这种控制器的输出不稳定，会在定点区域频繁摆动。但是，与
ON/OFF 型控制器相比，该控制器更加稳定和准确。
PID控制器的工作
PID控制器的工作
使用低成本的简单开关控制器，只有两种控制状态是可能的，如完全开启或完全关闭。它用于有限的控制应用，其中这两种控制状态足以满足控制目标。然而，这种控制的振荡性质限制了它的使用，因此它正在被
PID 控制器所取代。
PID 控制器通过闭环操作保持输出，使得过程变量和设定值/期望输出之间的误差为零。PID 使用下面解释的三种基本控制行为。
P-控制器
比例控制器或 P 控制器提供与电流误差 e (t)
成比例的输出。它将期望值或设定值与实际值或反馈过程值进行比较。产生的误差乘以比例常数得到输出。如果误差值为零，则该控制器输出为零。
P-控制器
该控制器单独使用时需要偏置或手动复位。这是因为它永远不会达到稳态条件。它提供稳定的操作，但始终保持稳态误差。当比例常数 Kc 增加时，响应速度会增加。
P-控制器响应
控制器
由于 p 控制器的限制，在过程变量和设定值之间总是存在偏移，因此需要 I
控制器，它提供必要的动作来消除稳态误差。它在一段时间内对误差进行积分，直到误差值达到零。它将误差为零的值保存到最终控制装置。
PI 控制器
当出现负误差时，积分控制会降低其输出。它限制了响应速度，影响了系统的稳定性。通过减小积分增益 Ki 可以提高响应速度。
PI 控制器响应
在上图中，随着 I 控制器增益的减小，稳态误差也继续减小。在大多数情况下，PI 控制器特别适用于不需要高速响应的情况。
在使用 PI 控制器时，I 控制器的输出被限制在一定范围内，以克服积分结束条件，即使在零误差状态下，由于工厂的非线性，积分输出也会继续增加。
D-控制器
I-controller 没有能力预测错误的未来行为。因此，一旦更改设定值，它就会正常反应。D-controller
通过预测错误的未来行为来克服这个问题。它的输出取决于误差相对于时间的变化率，乘以导数常数。它为输出提供了启动，从而增加了系统响应。
PID控制器
在上图中 D 的响应中，控制器比 PI 控制器更多，并且输出的稳定时间也减少了。它通过补偿 I
控制器引起的相位滞后来提高系统的稳定性。增加微分增益会增加响应速度。
PID 控制器响应
所以最后我们观察到，通过组合这三个控制器，我们可以获得系统所需的响应。不同的制造商设计不同的PID算法。
PID控制器的类型
PID 控制器分为开/关型、比例型和标准型控制器三种类型。这些控制器都是基于控制系统使用的，用户可以使用控制器来调节方法。
开/关控制
开关控制方法是用于温度控制的最简单类型的设备。设备输出可以通过无中心状态打开/关闭。一旦温度超过固定点，该控制器将打开输出。限位控制器是一种使用自锁继电器的特殊开/关控制器。该继电器手动复位并用于在达到一定温度后关闭方法。
比例控制
这种控制器设计用于去除通过开/关控制连接的循环。一旦温度达到固定点，该 PID 控制器将减少提供给加热器的正常功率。
该控制器具有一个功能来控制加热器，使其不会超过固定点，但它将达到固定点以保持稳定的温度。
这种比例行为可以通过在小时间段内打开和关闭输出来实现。此时间比例将改变从 ON 时间到 OFF 时间的比率以控制温度。
标准型PID控制器
这种PID控制器将通过积分和微分控制合并比例控制，以自动辅助单元补偿系统内的修改。这些修改、积分和导数以基于时间的单位表示。
这些控制器也相应地通过它们的倒数、RATE 和 RESET 来引用。PID
的条款必须单独调整，否则会根据试验和错误调整到特定系统。这些控制器将提供三种控制器中最精确和稳定的控制。
实时 PID 控制器
目前，市场上有多种PID控制器可供选择。这些控制器用于压力、温度、液位和流量等工业控制要求。一旦通过 PID 控制这些参数，选择包括使用单独的 PID
控制器或 PLC。这些单独的控制器用于需要检查一个或两个回路的地方，以及在通过较大系统进入权复杂的条件下进行控制的地方。
这些控制设备为单回路和双回路控制提供了不同的选择。独立型 PID 控制器提供多个定点配置以产生自主的多个警报。 这些独立控制器主要包括霍尼韦尔的 PID
控制器、横河的温度控制器、欧米茄、西门子的自动调谐控制器和 ABB 控制器。
在大多数工业控制应用中，PLC 与 PID 控制器一样使用 PID 块的排列可以在 PAC 或 PLC 内完成，从而为精确的 PLC
控制提供更好的选择。与单独的控制器相比，这些控制器更智能且功能更强大。每个 PLC 在软件编程中都包含 PID 块。
调整方法
在 PID 控制器工作之前，必须对其进行调整以适应要控制的过程的动态。设计人员为 P、I 和 D
项提供了默认值，这些值无法提供所需的性能，有时会导致不稳定和控制性能缓慢。开发了不同类型的调整方法来调整 PID
控制器，并且需要操作员非常注意选择比例、积分和微分增益的最佳值。其中一些在下面给出。
PID
控制器用于大多数工业应用，但应该知道该控制器的设置以正确调整它以生成首选输出。在这里，调整只不过是通过设置最佳比例增益、积分和微分因子从控制器接收理想响应的过程。
PID 控制器的期望输出可以通过调节控制器来获得。有不同的技术可用于从控制器获得所需的输出，例如试错法、Zeigler-Nichols
和过程反应曲线。最常用的方法是反复试验、Zeigler-Nichols 等。
试错法：这是一种简单的 PID 控制器整定方法。当系统或控制器工作时，我们可以调整控制器。在这种方法中，首先，我们必须将
Ki 和 Kd 值设置为零并增加比例项 (Kp) 直到系统达到振荡行为。一旦开始振荡，调整 Ki（积分项）使振荡停止，最后调整 D 以获得快速响应。
过程反应曲线技术：它是一种开环调整技术。当阶跃输入应用于系统时，它会产生响应。最初，我们必须手动向系统应用一些控制输出，并且必须记录响应曲线。
之后，我们需要计算曲线的斜率、死区时间、上升时间，最后将这些值代入 P、I 和 D 方程，得到 PID 项的增益值。
过程反应曲线
Zeigler-Nichols 方法：Zeigler-Nichols 提出了用于调整 PID
控制器的闭环方法。这些是连续循环法和阻尼振荡法。两种方法的程序相同，但振荡行为不同。在此，首先，我们必须将 p 控制器常数 Kp 设置为特定值，而 Ki 和
Kd 值为零。增加比例增益，直到系统以恒定幅度振荡。
系统产生恒定振荡的增益称为极限增益（Ku），振荡周期称为极限周期（Pc）。一旦达到，我们可以通过 Zeigler-Nichols 表在 PID
控制器中输入 P、I 和 D 的值，这取决于所使用的控制器，如 P、PI 或 PID，如下所示。
齐格勒-尼科尔斯表
PID控制器结构
PID控制器由三项组成，即比例控制、积分控制和微分控制。这三个控制器的组合操作给出了过程控制的控制策略。PID
控制器操纵过程变量，如压力、速度、温度、流量等。一些应用在级联网络中使用 PID 控制器，其中两个或多个 PID 用于实现控制。
PID控制器的结构
上图显示了 PID 控制器的结构。它由一个 PID
块组成，该块将其输出提供给进程块。过程/工厂由最终控制设备组成，如执行器、控制阀和其他控制设备，以控制工业/工厂的各种过程。
将来自过程工厂的反馈信号与设定点或参考信号 u(t) 进行比较，并将相应的误差信号 e(t) 馈送到 PID
算法。根据算法中的比例、积分和微分控制计算，控制器产生组合响应或受控输出，应用于工厂控制设备。
所有控制应用程序都不需要所有三个控制元素。PI 和 PD 控制等组合在实际应用中经常使用。
应用
PID 控制器应用包括以下内容。
最好的 PID
控制器应用是温度控制，其中控制器使用温度传感器的输入，其输出可以与风扇或加热器等控制元件相关联。通常，该控制器只是温度控制系统中的一个元件。在选择正确的控制器时，必须检查和考虑整个系统。
炉温控制
通常，熔炉用于包括加热以及在极高温度下容纳大量原材料。占用的材料通常包括一个巨大的质量。因此，它需要大量的惯性，即使施加大量热量，材料的温度也不会迅速改变。此功能可产生适度稳定的
PV 信号，并允许微分周期有效地纠正故障，而不会对 FCE 或 CO 进行极端更改。
MPPT充电控制器
光伏电池的 VI 特性主要取决于温度范围和辐照度。根据天气情况，电流和工作电压会不断变化。因此，跟踪高效光伏系统的最高 PowerPoint
具有极其重要的意义。PID 控制器用于通过给 PID 控制器提供固定的电压和电流点来找到 MPPT。一旦天气条件发生变化，跟踪器就会保持电流和电压稳定。
电力电子转换器
我们知道变流器是电力电子的一种应用，所以变流器中多使用PID控制器。每当转换器通过基于负载变化的系统连接时，转换器的输出就会发生变化。例如，逆变器与负载相关联；一旦负载增加，就会提供巨大的电流。因此，电压和电流的参数并不稳定，但会根据需要而变化。
在这种状态下，该控制器将产生 PWM 信号来激活逆变器的 IGBT。根据负载内部的变化，将响应信号提供给 PID 控制器，使其产生 n
误差。这些信号是基于故障信号生成的。在这种状态下，我们可以通过类似的逆变器获得可变的输入和输出。
PID控制器的应用：无刷直流电机的闭环控制
PID 控制器接口
PID控制器的设计和接口可以使用Arduino微控制器完成。在实验室中，基于 Arduino 的 PID 控制器是使用 Arduino UNO
板、电子元件、热电冷却器设计的，而该系统中使用的软件编程语言是 C 或 C++。该系统用于控制实验室内的温度。
特定控制器的 PID 参数是在物理上找到的。各种PID参数的功能可以通过后续不同形式控制器的对比来实现。
该接口系统可以通过±0.6℃的误差有效地计算温度，而通过与首选值的微小差异来实现恒定温度调节。该系统中使用的概念将提供廉价且精确的技术来管理实验室内优选范围内的物理参数。
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2022年03月10日 于上海
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