PID控制器原理

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0295-02

工业生产自动化的过程控制调节装置是实现自动控制的重要工具。在自动化系统中，检测仪器把控制系统的参数变为电信号然后把信号传送给过程控制调节器，最终达到生产的自动控制，使过程参数合符预期的要求。

在工业生产应用中，PID调节器以其结构简单、稳定性好，控制方便、可靠性高的优点得到广泛应用。在现实中，选择控制系统方案时，对那些未能建立精确的数字模型式被控制对象的参数未能完全掌握（必须依靠经验和现场测定调整的时候）优先选用PID控制技术。PID控制器是根据系统的误差利用比例，积分、微分计算出控制量对系统实施控制。

一、PID调节规律

在定值自动调节系统中，由于扰动的因素，使被调节参数偏离给定值，即产生了偏差，这种偏差等放于产生被调值与给定值的差值：

式中为偏关，u被调节测定值，给定值。

为了使参数回到预定值，我们把偏差信号输入调节器，经规率运算后，给出输出信号进行调节，以补偿扰动的影响，使被调节参数回到给定值。输出信号随输入信号有规律地变化，它的特性决定了被调节参数能否准确地回到给定值，以及回位的时间，调节的质量如何等，以下是调节器调节规律的数字方式描述：

1、 微分方程式

PID控制器中各校正环节的作用如下：

（1）比例环节及时成比例地反映系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生调节作用，以减少偏差。

（2）和分环节主要用于消除静差提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间，越大积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节所反映偏差信号的变化趋势即偏差信号的变化率，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的调整速度。

根据模拟PID控制表达式（2-4）.通过将模拟PID表达式中的积分，微分运用数值计算方法来迫近，便可以实现数字PID控制。只要采样周期T取得足够小，这种迫近就可以相当精准。

三、PID调节器的组成

PID调节器主要由输入电路，运算电路和输出电路组成。输入信号一般来自变送器的测量信号。在输入电路中与给定值进行比较，生成的偏差信号通过PID调节器处理后经输出电路输出调节信号。该信号作为执器的调节信号。

1、输入电路

PID调节器的输入电路一般包括内外给定切换开关，正反作用开关及内给定稳压电源电路，偏差检测电路。给定电压可由稳压电源电路提供（内给定）也可用外来信号作给定信号。

PID调节器用正反作开关变换正作用特性和反作用特性。根据系统的要求PID调节器是有反作用特性，即在负偏差绝对值增大时增加PID调节器的输出，当系统要求PID调节器具有正作用特性时在正偏差增加大时增加PID调节器的输出。由于用同一个运算电路，故需设正反作用开头，以转换偏差信号的极性。

偏差检测电路是一个减法电路，它把PID调节器的输入信号Vi与给定信号进行比较，即Vo=Vi-Vp当Vo为正数时为正偏差，反之为负偏差。

2、PID调节器运算电路

PID调节器运算电路用以对偏差信号进行比例，、微分、积分的运算，它是PID调节器的核心。其作用和原理如前所述。

3、输出电路

PID调节器输出电路的任务是将运算输出的信号放大到执行部件所要求的功率。使PID调节器的输出与负载达到最佳的匹配。

四、PID控制器参数的选择

PID控制器的参数选择方法很多，参数的选择非常繁杂，需要经过反复的调整才能得满意的效果。总结起来有如下几方面：（1）选定PID比例数，（2）选定微分时间常数，（3）选定积分时间常数，（4）系统空载和负载联调。

PID控制器参数选定的方式有两大类：一是理论计算选定法。它主要依据系统的数字模型，经过理论计算确定控制器参数。这种数据还必须通过工程实际进行调整。二是工程选定方法，它主要依靠工程试验，直接在控制系统的试验中进行。通过对PID控制器的参数优选，提高被控过程的动态和稳态性能和系统的抗干扰能力实现对被控制对象的最佳控制。

总结

在控制理论中PID控制规律仍然是目前工业生产的只要控制方式。在实践中无论简单的控制或复杂的控制PID控制都能取得较好的成果。要求取得满意控制后果的关键是选择适当的参数。合适的参数可以得到各种输出响应。简言之在动态特性不随时间变化基本上线性的系统实施PID控制，必须正确设定Kp，Kt和Kd等参数。