PID 控制器：现代工业自动化的支柱

比例积分微分 (PID) 控制器在当今工业中的大多数自动过程控制应用中使用，以调节流量、温度、压力、液位和许多其他工业过程变量。

它们的历史可以追溯到 1939 年，当时 Taylor 和 Foxboro 仪器公司推出了前两款 PID 控制器。现在所有的控制器都是基于那些原始的比例、积分和微分模式。

PID 控制器是现代过程控制系统的主力，因为它们可以自动执行原本必须手动完成的调节任务。虽然比例控制模式是控制器的主要驱动力，但每种模式都具有独特的功能。比例和积分控制模式对于大多数控制回路至关重要，而微分模式则非常适合运动控制。温度控制是使用所有三种控制模式的典型应用。

手动控制

图 1. 操作员执行手动控制

如果没有PID控制器，手动控制水温是一个繁琐的过程。例如，为了保持工业燃气加热器排出的水的温度恒定，操作员必须观察温度计并相应地调整燃气阀（图1）。如果水温过高，操作员必须关闭燃气阀，使温度恢复到所需值。如果水太冷，他就得打开煤气阀。

操作员完成的控制任务称为反馈控制，因为操作员根据过程通过温度计的反馈来改变燃烧速率。操作器、阀门、过程和温度计形成一个控制回路。操作员对燃气阀所做的任何更改都会影响温度，温度会反馈给操作员，从而关闭回路。

自动控制

要使用 PID 控制器实现自动温度控制，需要满足以下条件：

• 安装电子测温装置
• 通过添加执行器（或许还有定位器）来实现阀门自动化，以便以电子方式驱动阀门
• 安装控制器并将其连接到温度测量装置和自动控制阀

图2. PID控制器执行自动控制

操作员将 PID 控制器的设定点 (SP) 设置为所需温度，控制器的输出 (CO) 设置控制阀的位置。然后，温度测量值（称为过程变量 (PV)）传输到 PID 控制器，PID 控制器将其与设定值进行比较，并计算两个信号之间的差值或误差 (E)。根据误差和控制器的调节常数，控制器计算适当的控制器输出，将控制阀设置在正确的位置，从而将温度保持在设定点（图 2）。如果温度升至设定点以上，控制器将减少阀门位置，反之亦然。

控制器的三种模式中的每一种对错误的反应都不同。每种控制模式产生的响应量可通过更改控制器的调谐设置进行调整。

比例控制模式

比例控制模式根据误差按比例改变控制器输出。如果误差增大，控制作用也会成比例增大。

比例控制的可调设置称为控制器增益 (Kc)。较高的控制器增益会增加给定误差的比例控制作用量。如果控制器增益设置得太高，控制环路将开始振荡并变得不稳定。如果设置太低，控制回路将无法对干扰或设定点变化做出充分响应。

对于大多数控制器来说，调整控制器增益设置会影响积分和微分控制模式下的响应量。

纯比例控制器

通过关闭积分和微分模式，可以将 PID 控制器配置为仅产生比例作用。比例控制器易于理解且易于调整：控制器输出只是控制误差乘以控制器增益加上偏置。需要偏置，以便控制器可以在误差为零（设定点的过程变量）时保持非零输出。缺点是偏移，这是一个持续的误差，无法仅通过比例控制来消除。在仅比例控制下，偏移将一直存在，直到操作员手动更改控制器输出上的偏置以消除偏移。这称为控制器的手动重置。

积分控制模式

图 3.（左）非交互式 PID 控制器算法； （右）并行PID控制器算法

手动复位的需要导致了自动复位的发展，称为积分控制模式。积分控制模式的功能是只要存在任何错误（过程变量不在设定点），就会随着时间的推移递增或递减控制器的输出以减少误差。如果有足够的时间，积分作用将驱动控制器输出，直到误差为零。

如果误差较大，积分模式会快速递增/递减控制器输出；如果误差很小，变化就会很慢。对于给定的误差，积分作用的速度由控制器的积分时间设置（Ti）设定。积分时间设置过长，控制器会出现迟缓；如果设置太短，控制环路会振荡，变得不稳定。

大多数控制器使用以分钟为单位的积分时间作为积分控制的测量单位。有些控制器使用以秒为单位的积分时间，而一些控制器使用以每分钟重复次数为单位的积分增益 (Ki)。

比例+积分控制器

比例+积分控制器通常称为PI控制器，其输出由比例和积分控制作用之和组成。

发生干扰后，积分模式继续增加控制器的输出，直到消除所有偏移并使加热器出口温度回到设定点。

微分控制模式

微分控制很少用于控制过程，但经常用于运动控制。它对测量噪声非常敏感，使得试错调整更加困难，并且过程控制并不是绝对需要的。然而，使用控制器的微分模式可以使某些类型的控制回路（例如温度控制）比单独使用 PI 控制响应得更快。

微分控制模式根据误差的变化率产生输出。如果误差变化速度更快，它会产生更多的控制动作；如果误差没有变化，则微分作用为零。此模式有一个称为微分时间 (Td) 的可调设置。微分时间设置越大，产生的微分作用越多。然而，如果微分时间设置得太长，就会出现振荡，控制环路不稳定。 Td 设置为零可有效关闭微分模式。控制器的微分设置使用两种测量单位：分钟和秒。

比例+积分+微分控制器

图 4. P、PI 和 PID 控制器对扰动的响应

PID 控制器的输出由比例、积分和微分控制动作的总和组成。 PID控制算法有不同的设计，包括非交互式算法和并行算法。两者如图3所示。

在 PID 控制器中，微分模式比 P 或 PI 控制更快地提供更多控制动作。这可以减少干扰的影响并缩短液位返回到设定点所需的时间。

图4比较了P、PI、PID控制下燃气压力突变后过程加热器出口温度恢复时间。

控制器调整

PID 控制器需要进行调整，但当它们首次进入市场时，并没有明确的说明如何进行调整。调音一直是通过反复试验进行的，直到 1942 年，泰勒仪器公司的 J. G. Ziegler 和 N. B. Nichols 发表了两种调音方法。

这些调整规则适用于相对于死区时间而言具有很长时间常数的过程以及包含积分过程的液位控制环路。它们不适用于包含自调节过程的控制回路，例如流量、温度、压力、速度和成分。

自调节过程总是稳定在某个平衡点，这取决于过程设计和控制器输出；如果控制器输出设置为不同的值，过程将响应并稳定在新的平衡点。

大多数控制回路都包含自调节过程，并且已经为其开发了调整方法。例如，Cohen-Coon 调整规则几乎适用于所有具有自调节过程的控制回路。这些规则最初设计是为了提供非常快速的响应，但这导致了具有高振荡响应的循环。通过稍微修改规则，控制回路仍然可以快速响应，但不太容易出现振荡。如今有超过 100 种控制器调整方法，每种方法都是为了实现特定目标。

结论

如果没有 PID 控制器，现代过程控制系统就不可能存在，因为所有控制功能都必须手动完成。每种比例、积分和微分控制模式都具有独特的功能，并且已经开发了调整规则以确保对所有类型的回路和应用进行有效的过程控制。

本文由亚利桑那州图森市 Dataforth Corporation 首席执行官 Lee Payne 撰写。如需了解更多信息，请点击此处。

资源

有关 Dataforth 的 MAQ®20 工业数据采集和控制系统的信息，请下载目录。 

参考文献

• an122： PID控制简介
• an123： 调整控制循环以实现快速响应
• an124： 使用 IMC 调整方法调整控制环
• an125： 调整电平控制循环
• an126： 调整调压箱液位控制回路