什么是PID控制器？PID控制器積分控制介紹

PID，就是“比例(proportional)、積分(integral)、微分(derivative)”，是一種很常見的控制算法。



一、PID控制器

PID控制理念最早提出是在1932年，出生于瑞典后移民美國(guó)的物理學(xué)家哈利奈奎斯特(H Nyquist)，在他的一篇論文當(dāng)中提出了采用圖形的方法來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在他的基礎(chǔ)上，荷蘭裔科學(xué)家亨伯德(H W Bode)(對(duì)就你想的那個(gè)“伯德圖/波特圖”創(chuàng)始人)等人建立了一整套在頻域范圍設(shè)計(jì)反饋放大器的方法，后被用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，這也是PID算法最早從書面走向?qū)嵺`。

與此同時(shí)，反饋控制原理開始應(yīng)用于工業(yè)過程中。1936年英國(guó)的考倫德(A Callender)和斯蒂文森(A Stevenson)等人給出了 PID控制器的方法，自此PID算法正式形成了，并且后來在自動(dòng)控制技術(shù)中占有非常重要的地位。

大家一定都見過PID的實(shí)際應(yīng)用。

比如四軸飛行器，再比如平衡小車......還有汽車的定速巡航、3D打印機(jī)上的溫度控制器....就是類似于這種：需要將某一個(gè)物理量“保持穩(wěn)定”的場(chǎng)合(比如維持平衡，穩(wěn)定溫度、轉(zhuǎn)速等)，PID都會(huì)派上大用場(chǎng)。

二、PID控制器積分控制

控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T，T越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

為什么要引進(jìn)積分作用?

比例作用的輸出與誤差的大小成正比，誤差越大，輸出越大，誤差越小，輸出越小，誤差為零，輸出為零。

由于沒有誤差時(shí)輸出為零，因此比例調(diào)節(jié)不可能完全消除誤差，不可能使被控的PV值達(dá)到給定值。必須存在一個(gè)穩(wěn)定的誤差，以維持一個(gè)穩(wěn)定的輸出，才能使系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定。這就是通常所說的比例作用是有差調(diào)節(jié)，是有靜差的，加強(qiáng)比例作用只能減少靜差，不能消除靜差。

為了消除靜差必須引入積分作用，積分作用可以消除靜差，以使被控的y(t)值最后與給定值一致。引進(jìn)積分作用的目的也就是為了消除靜差，使y(t)值達(dá)到給定值，并保持一致。 積分作用消除靜差的原理是，只要有誤差存在，就對(duì)誤差進(jìn)行積分，使輸出繼續(xù)增大或減小，一直到誤差為零，積分停止，輸出不再變化，系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定，y(t)值等于u(t)值，達(dá)到無差調(diào)節(jié)的效果。

但由于實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的，輸出變化后，y(t)值不會(huì)馬上變化，須等待一段時(shí)間才緩慢變化，因此積分的快慢必須與實(shí)際系統(tǒng)的慣性相匹配，慣性大、積分作用就應(yīng)該弱，積分時(shí)間I就應(yīng)該大些，反之而然。如果積分作用太強(qiáng)，積分輸出變化過快，就會(huì)引起積分過頭的現(xiàn)象，產(chǎn)生積分超調(diào)和振蕩。通常I參數(shù)也是由大往小調(diào)，即積分作用由小往大調(diào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)以能達(dá)到快速消除誤差，達(dá)到給定值，又不引起振蕩為準(zhǔn)。

對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)(System with Steady-state Error)。

為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。

因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。PI控制器不但保持了積分控制器消除穩(wěn)態(tài)誤差的“記憶功能”，而且克服了單獨(dú)使用積分控制消除誤差時(shí)反應(yīng)不靈敏的缺點(diǎn)。

審核編輯：劉清