PID控制器是如何工作的

PID控制器如何工作是一个非常容易理解的概念。PID控制器查看误差ε的当前值，在时间间隔∫ε上的误差的积分以及误差Δε的变化率，以确定应用多少校正。控制器继续应用修正，直到在反馈上看到改变。根据错误计算更新速率（反过来，可能取决于读取环路反馈的频率），可以快速调整纠正措施 - 例如，某些变频器的模拟反馈每10毫秒更新一次。

PID控制器的工作是强制反馈与设定值相匹配。有时，反馈和设定值之间的误差是由设定值变化引起的，但在大多数应用中，设定值不会被调整太多。更常见的是，回路中的误差是由测量的反馈中的干扰引起的。

在我们开始的例子中，巡航控制调节的干扰是在汽车行驶的道路上遇到的小山。其他一些干扰的例子是在压力调节的建筑物中打开双门，或者在控制回路工作时人们淋浴，以调节连接的水箱水位。

微调的技巧

调整控制回路是将其控制参数（增益/比例带，积分增益/复位，微分增益/速率）调整为目标响应的最佳值。调谐是环路设计的一部分，通常在系统振荡太多，响应速度太慢，具有稳态误差或不稳定的情况下才需要。

确定PID是否需要调谐时，必须小心：始终首先检查硬件，因为这可能是问题，而不是需要调整的控制器。PID最有可能需要调整，如果：操作员认为控制器可以更好地执行?过程动力学在首次设定收益时不能很好地理解?动态变化?某些控制系统特性与方向有关?或者没有仔细考虑收益单位和其他参数。另一方面，如果控制阀粘住，测量分接头堵塞，传感器断开，或者如果控制阀从高压流中被抽出，问题可能与PID回路调节无关。

有些系统具有多种多样的交互作用，而且没有单一的适用于所有循环的“最佳调整”定义，所以没有一种方法可以优化所有循环过程或设定值变化的最佳行为取决于应用。一些过程不能允许过程变量的过冲，而另一些过程必须最小化在达到新的设定点时花费的能量。一般来说，响应必须是稳定的，并且系统不能随着条件和设定点的任何组合而振荡。循环调谐由于过程响应时间而变得更加复杂，因为设定值变化可能需要几分钟或几小时才能产生稳定的效果。某些过程也表现出非线性，所以在满载条件下工作良好的参数在空载启动时不起作用。

有几种方法可用于调整PID回路; 方法的选择在很大程度上取决于环路是否可以脱机进行调整，以及系统的响应速度。如果系统可以脱机，那么最好的调整方法通常包括对系统进行阶跃变化的输入，测量输出作为时间的函数，并使用这个响应来确定控制参数。

如果系统必须保持在线状态，则一种调谐方法是首先将I和D值设置为零，然后增加P，直到环路输出振荡 - 然后增加I直到振荡停止，然后增加D，直到环路达到其参考值为止。快速PID回路调节通常会略微超调，以更快达到设定值。

另一种称为Ziegler-Nichols方法，1942年由Taylor Instruments的John G.Ziegler和Nathaniel B.Nichols介绍。该技术还包括将I和D增益设置为零，然后增加P增益，直到环路输出开始振荡。在将P调整到0.5 之前记录临界增益K c和输出Pc的振荡周期。K c，I为0.45 K c，D为0.6。K c。这种经过验证的在线方法适用于四分之一波衰减可接受的环路。

事实上，大多数工业设施不再用手动计算来调整回路，而是使用调整和回路优化软件。这些软件包收集数据，开发过程模型，提出最佳调整，甚至通过从参考变化中收集数据来开发调整。这可以在线和离线完成。它也可能包括阀门和传感器分析，以及下载之前的模拟。唯一的缺点：软件有点昂贵，需要一些培训。

分析方法涉及数学。PID回路调节会在系统中产生脉冲，然后使用受控系统的频率响应来设计PID回路值。在响应时间为几分钟的循环中，推荐使用数学环路调整，因为尝试和错误可能需要几天才能找到一组稳定的循环值。最佳值很难找到，但可以为公司节省巨额资金。商业软件有多种来源可供选择，如果一个PID回路运行大型或昂贵的流程，可以轻松支付。一些数字控制器甚至具有自整定功能，其中小的设定值变化被发送给过程，允许控制器自己计算最佳值也可以通过感觉调整，这是一个不需要数学的在线方法。这种方法的主要问题是它是不稳定的，不可重复的，可能是低效的。

调整的最后方法是称为Cohen-Coon的质量过程模型，它是Ziegler-Nichols方法的修改版本。这种离线方法涉及到一些数学，但只适用于一阶过程。在手动模式下，等待进程处于稳定状态，然后在输入中引入步进更改。从基于阶跃测试的测量中，评估过程参数。基于这些，公式应该规定控制器设置。