什么是PID控制器:工作及其应用

顾名思义，本文将为PID控制器的结构提供精确的思路。但详细介绍，让我们了解PID控制器的介绍。PID控制器位于各种工业过程控制的应用中。大约95％的闭环操作工业自动化扇区采用PID控制器。PID代表比例-积分-导数。这三个控制器以这样一种方式组合，它产生一个控制信号。作为一个反馈控制器，它提供控制输出在期望的水平。在微处理器发明之前，PID控制是通过模拟电子元件实现的。但是现在所有的PID控制器都是由微处理器处理的。可编程逻辑控制器还具有内置PID控制器指令。由于PID控制器的灵活性和可靠性，这些传统上用于过程控制应用中。

什么是PID控制器?

PID是比例积分导数的缩写，是工业应用中用来控制压力、流量、温度、速度等不同过程变量的一种装置。该控制器采用控制回路反馈装置对所有过程变量进行调节。

这种类型的控制用于在目标位置的方向上驱动系统。它几乎无处不在为温度控制，并用于科学工艺，自动化和无数化学品。在该控制器中，闭环反馈用于维护来自靠近诸如可能的附近输出的物镜的方法的真实输出。在本文中，讨论了PID控制器设计，如P，I＆D在其上使用的控制模式。

历史

PID控制器的历史是，在1911年，第一个PID控制器是由Elmer Sperry开发的。在那之后，TIC(泰勒仪器公司)在1933年实现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调整到某个错误值直到误差不为零来消除比例控制器中的稳态误差。

这种Reuning包括称为比例整体控制器的错误。之后，在1940年，第一个气动PID控制器是通过衍生作用而开发的，以减少过冲问题。

1942年，Ziegler＆Nichols引入了调整规则来发现和设置工程师PID控制器的合适参数。最后，自动PID控制器在1950年中段广泛应用于行业。

PID控制器框图

像PID控制器这样的闭环系统包括一个反馈控制系统。这个系统使用一个不动点来评估反馈变量，从而产生一个错误信号。在此基础上，它改变了系统输出。这个过程将一直持续到误差为零，否则反馈变量的值就等于一个不动点。

与ON / OFF类型控制器相比，该控制器提供了良好的效果。在ON / OFF类型控制器中，可以获得两个条件来管理系统。一旦过程值低于固定点，那么它就会打开。同样，一旦值高于固定值就会关闭它。在这种控制器中输出不稳定，它将经常在固定点的区域中摆动。但是，与开/关型控制器相比，该控制器更稳定，准确。

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，如完全打开或完全关闭。它用于有限的控制应用，在这两种控制状态足以达到控制目标。然而，这种控制的振荡性质限制了它的使用，因此它被PID控制器取代。

PID控制器维护输出，使得过程变量与闭环操作的设定值/期望输出之间存在零误差。PID使用以下三种基本控制行为。

P-控制器

比例或P-控制器给出与电流误差e (t)成比例的输出。它将期望或设定点与实际值或反馈过程值进行比较。由此产生的误差与比例常数相乘得到输出。如果误差值为零，则控制器输出为零。

当单独使用时，该控制器需要偏置或手动复位。这是因为它永远不会达到稳定状态。它提供了稳定的运行，但始终保持稳态误差。响应速度随比例常数Kc的增大而增大。

I-controller.

由于p-控制器总是存在过程变量与设定值之间的偏移，因此需要i -控制器，它提供了消除稳态误差的必要措施。它在一段时间内对误差进行积分，直到误差值为零。它将误差变为零的最终控制设备的值保持不变。

当出现负误差时，积分控制减少输出。它限制了系统的响应速度，影响了系统的稳定性。通过减小积分增益Ki来提高响应速度。

在上图中，随着I控制器的增益降低，​​稳态误差也降低。对于大多数情况而言，PI控制器特别用于不需要高速响应的位置。

在使用PI控制器的同时，I-Controller输出仅限于若要克服的范围积分了由于工厂中的非线性，整体输出即使在零误差状态下也增加的条件。

D-Controller

I-Controller没有能力预测错误的错误行为。因此，一旦设定点改变，它通常会反应。D-Controller通过预期错误的未来行为来克服这个问题。其输出取决于相对于时间的误差变化率，乘以导数常数。它给出了输出开始的启动，从而增加了系统响应。

在上图D的响应中，与PI控制器相比，控制器更多，输出的稳定时间也减少了。通过补偿i控制器引起的相位滞后，提高了系统的稳定性。增加导数增益可以提高响应速度。

最后我们观察到，通过这三个控制器的组合，我们可以得到系统的期望响应。不同的厂家设计不同的PID算法。

PID控制器的类型

PID控制器分为三种类型，如开/关，比例和标准类型控制器。这些控制器基于控制系统使用，用户可以使用控制器来调节该方法。

开/关控制

开关控制方法是用于温度控制的最简单的设备类型。设备输出可能在没有中心状态下是开/关的。一旦温度超过了固定点，这个控制器就会打开输出。限位控制器是一种特殊的使用闭锁继电器的开/关控制器。此继电器手动复位，并在达到一定温度时用来关闭方法。

比例控制

这种控制器的设计目的是消除通过开/关控制连接的循环。当温度达到定点时，这个PID控制器将减少正常的电源。

该控制器有一个功能，以控制加热器，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开启和关闭输出来实现少时间段。该时间比例将使比例从时刻改变为OFF时间来控制温度。

标准型PID控制器

这种PID控制器将通过积分和衍生控件合并成比例控制，以自动辅助设备补偿系统内的修改。这些修改，积分和衍生物以时间为基础的单位表示。

这些控制器也通过他们的往复式，速率和重置相应。PID的条款必须单独调整，否则调整到一个特定的系统与试验和错误。这些控制器将提供最精确和稳定的控制的3种类型的控制器。

实时PID控制器

目前市面上有各种各样的PID控制器可供选择。这些控制器用于工业控制要求，如压力、温度、液位和流量。一旦这些参数通过PID控制，选择包括利用一个单独的PID控制器或PLC。
在需要检查或控制一个或两个回路的情况下，这些独立的控制器被使用，否则，在通过更大的系统进入的右侧是复杂的条件下。

这些控制设备为独奏和双环控制提供了不同的选择。独立类型PID控制器提供了几种固定点配置，以产生自主的几个警报。
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、OMEGA、西门子和ABB的自动调谐控制器。

PLC在大多数工业控制应用中使用PID控制器，PID块的布置可以在PACS或PLC内完成，以提供精确的PLC控制的卓越选择。与单独的控制器相比，这些控制器更智能，并且与单独的控制器相比强大。每个PLC包括软件编程中的PID块。

调整方法

在PID控制器工作之前，它必须调整以适应被控制过程的动力学。设计人员为P、I和D项设置了默认值，这些值不能提供预期的性能，有时会导致不稳定和控制性能缓慢。不同类型的整定方法被开发来整定PID控制器，并要求操作者注意选择最佳的值的比例，积分和导数增益。下面给出了其中一些。

PID控制器用于大多数工业应用中，但应该知道该控制器的设置可以正确调整以生成首选输出。在这里，调整只不过是通过设置最佳比例增益，积分和衍生因子来接收来自控制器的理想回复的过程。

通过调谐控制器可以获得PID控制器的所需输出。有不同的技术可以获得来自控制器的所需输出，如试用和错误，Zeigler-Nichols和过程反应曲线。最常用的方法是试用和错误，Zeigler-Nichol等。

试验和错误方法：它是PID控制器调谐的简单方法。当系统或控制器正在运行时，我们可以调整控制器。在此方法中，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。一旦振荡，调整ki（积分术语），使振荡停止并最终调整d以获得快速响应。

工艺反应曲线技术:它是一种开环调整技术。当将步进输入应用于系统时，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。

然后我们需要计算曲线的斜率，死时间，上升时间，最后将这些值代入P, I, D方程中得到PID项的增益值。

Zeigler-Nichols方法:Zeigler-Nichols提出了PID控制器的闭环整定方法。那就是连续循环法和阻尼振荡法。两种方法的过程相同，但振荡行为不同。在这里，首先我们需要设置p-控制器常数Kp为一个特定的值，而Ki和Kd的值为零。比例增益不断增加，直到系统以恒定振幅振荡。

系统产生恒定振荡的增益称为最终增益（KU），振荡周期称为最终时段（PC）。一旦到达，我们可以通过Zeigler-Nichols表输入PID控制器中的P，I和D的值取决于像P，PI或PID的控制器，如下所示。

PID控制器结构

PID控制器由比例控制、积分控制和导数控制三部分组成。这三种控制器的联合运行为过程控制提供了一种控制策略。PID控制器控制过程变量，如压力、速度、温度、流量等。一些应用使用PID控制器在级联网络，其中两个或多个PID的实现控制。

上图显示了PID控制器的结构。它由一个PID块组成，它向进程块提供输出。过程/工厂包括最终控制装置，如执行器，控制阀，和其他控制装置，以控制工业/工厂的各种过程。

将来自处理设备的反馈信号与设定点或参考信号U（t）进行比较，并且相应的误差信号e（t）被馈送到PID算法。根据算法中的比例，积分和衍生控制计算，控制器产生应用于工厂控制设备的组合响应或受控输出。

所有控制应用程序都不需要所有三个控制元素。PI和PD控件等组合通常用于实际应用中。

应用程序

PID控制器应用程序包括以下内容。

最好的PID控制器应用是温度控制，其中控制器使用一个温度传感器的输入和它的输出可以联合到一个控制元素，如风扇或加热器。一般来说，这个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，必须对整个系统进行检查和考虑。

炉温控制

一般来说，熔炉用于加热，并在巨大的温度下保存大量的原材料。通常被占用的材料包括一个巨大的质量。因此，它需要很高的惯性&即使施加巨大的热量，材料的温度也不会迅速改变。这一特征产生了一个适度稳定的PV信号，并允许导数周期有效地纠正故障，而不对FCE或CO产生极端变化。

MPPT充电控制器

光伏电池的V-I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。所以，追踪高效光伏系统的最高演示文稿是非常重要的。PID控制器通过给PID控制器固定的电压和电流点来寻找最大功率跟踪点。一旦天气状况发生变化，跟踪器就会保持电流和电压稳定。

电力电子器件的转换器bob足球体育app

由于变频器是电力电子的一种应用，所以变频器大多采用PID控制器。bob足球体育app当一个转换器通过一个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，逆变器与负载相结合;一旦负载增加，就会产生巨大的电流。因此，电压和电流的参数是不稳定的，但它会根据需要改变。

在此状态下，该控制器将生成PWM信号以激活变频器的IGBT。基于负载内的变化，响应信号被提供给PID控制器，以便它产生n个错误。这些信号基于故障信号生成。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:闭环控制无刷直流电机

PID控制器接口

通过Arduino单片机实现PID控制器的设计和接口。在实验室中，使用Arduino UNO板、电子元件、热电冷却器设计了基于Arduino的PID控制器，本系统使用的软件编程语言为C或c++。该系统用于控制实验室内的温度。

物理上发现了特定控制器的PID参数。可以通过不同形式的控制器之间的随后对比度来实现各种PID参数的功能。
该接口系统可以有效地通过±0.6℃的误差计算温度，而仅通过与首选值的微小差异即可实现恒温调节。在该系统中使用的概念将提供廉价和精确的技术，以在实验室的首选范围内管理物理参数。

因此，本文讨论了PID控制器的概述，包括历史，框图，结构，类型，工作，调整方法，接口，优点和应用程序。我们希望我们能够为PID控制器提供基本且精确的知识。这是一个对你们所有人的一个简单问题。在不同的调谐方法中，优选使用哪种方法来实现PID控制器的最佳工作，为什么？

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