PID控制器是如何工作的

上一篇我們說道了PID的基本的一些原理,今天我們來說一下PID是怎麼工作的，希望大家喜歡！

PID控制器如何工作是一個非常容易理解的概念。PID控制器查看誤差ε的當前值，在時間間隔∫ε上的誤差的積分以及誤差Δε的變化率，以確定應用多少校正。控制器繼續應用修正，直到在反饋上看到改變。根據錯誤計算更新速率（反過來，可能取決於讀取環路反饋的頻率），可以快速調整糾正措施- 例如，某些變頻器的模擬反饋每10毫秒更新一次。

PID控制器的工作是強制反饋與設定值相匹配。有時，反饋和設定值之間的誤差是由設定值變化引起的，但在大多數應用中，設定值不會被調整太多。更常見的是，迴路中的誤差是由測量的反饋中的干擾引起的。

在我們開始的例子中，巡航控制調節的干擾是在汽車行駛的道路上遇到的小山。其他一些干擾的例子是在壓力調節的建築物中打開雙門，或者在控制迴路工作時人們淋浴，以調節連接的水箱水位。

微調的技巧

調整控制迴路是將其控制參數（增益/比例帶，積分增益/複位，微分增益/速率）調整為目標響應的最佳值。調諧是環路設計的一部分，通常在系統振蕩太多，響應速度太慢，具有穩態誤差或不穩定的情況下才需要。

確定PID是否需要調諧時，必須小心：始終首先檢查硬體，因為這可能是問題，而不是需要調整的控制器。PID最有可能需要調整，如果：操作員認為控制器可以更好地執行?過程動力學在首次設定收益時不能很好地理解?動態變化?某些控制系統特性與方向有關?或者沒有仔細考慮收益單位和其他參數。另一方面，如果控制閥粘住，測量分接頭堵塞，感測器斷開，或者如果控制閥從高壓流中被抽出，問題可能與PID迴路調節無關。

有些系統具有多種多樣的交互作用，而且沒有單一的適用於所有循環的「最佳調整」定義，所以沒有一種方法可以優化所有循環過程或設定值變化的最佳行為取決於應用。一些過程不能允許過程變數的過沖，而另一些過程必須最小化在達到新的設定點時花費的能量。一般來說，響應必須是穩定的，並且系統不能隨著條件和設定點的任何組合而振蕩。循環調諧由於過程響應時間而變得更加複雜，因為設定值變化可能需要幾分鐘或幾小時才能產生穩定的效果。某些過程也表現出非線性，所以在滿載條件下工作良好的參數在空載啟動時不起作用。

有幾種方法可用於調整PID迴路;方法的選擇在很大程度上取決於環路是否可以離線進行調整，以及系統的響應速度。如果系統可以離線，那麼最好的調整方法通常包括對系統進行階躍變化的輸入，測量輸出作為時間的函數，並使用這個響應來確定控制參數。

如果系統必須保持在線狀態，則一種調諧方法是首先將I和D值設置為零，然後增加P，直到環路輸出振蕩 -然後增加I直到振蕩停止，然後增加D，直到環路達到其參考值為止。快速PID迴路調節通常會略微超調，以更快達到設定值。

另一種稱為Ziegler-Nichols方法，1942年由Taylor Instruments的JohnG.Ziegler和NathanielB.Nichols介紹。該技術還包括將I和D增益設置為零，然後增加P增益，直到環路輸出開始振蕩。在將P調整到0.5 之前記錄臨界增益Kc和輸出Pc的振蕩周期。K c，I為0.45 K c，D為0.6。Kc。這種經過驗證的在線方法適用於四分之一波衰減可接受的環路。

事實上，大多數工業設施不再用手動計算來調整迴路，而是使用調整和迴路優化軟體。這些軟體包收集數據，開發過程模型，提出最佳調整，甚至通過從參考變化中收集數據來開發調整。這可以在線和離線完成。它也可能包括閥門和感測器分析，以及下載之前的模擬。唯一的缺點：軟體有點昂貴，需要一些培訓。

分析方法涉及數學。PID迴路調節會在系統中產生脈衝，然後使用受控系統的頻率響應來設計PID迴路值。在響應時間為幾分鐘的循環中，推薦使用數學環路調整，因為嘗試和錯誤可能需要幾天才能找到一組穩定的循環值。最佳值很難找到，但可以為公司節省巨額資金。商業軟體有多種來源可供選擇，如果一個PID迴路運行大型或昂貴的流程，可以輕鬆支付。一些數字控制器甚至具有自整定功能，其中小的設定值變化被發送給過程，允許控制器自己計算最佳值也可以通過感覺調整，這是一個不需要數學的在線方法。這種方法的主要問題是它是不穩定的，不可重複的，可能是低效的。

調整的最後方法是稱為Cohen-Coon的質量過程模型，它是Ziegler-Nichols方法的修改版本。這種離線方法涉及到一些數學，但只適用於一階過程。在手動模式下，等待進程處於穩定狀態，然後在輸入中引入步進更改。從基於階躍測試的測量中，評估過程參數。基於這些，公式應該規定控制器設置。