PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)是什么？

經(jīng)常看到有關(guān)PID調(diào)節(jié)問題書籍，看來看去看不懂他們再說什么。還有一些技術(shù)員一提起PID調(diào)節(jié)，就搖頭，搞不懂呀！那么PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)是什么？通俗的概念是什么？我們通過圖1進(jìn)行分析。

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??? 一個自動控制系統(tǒng)要能很好地完成任務(wù)，首先必須工作穩(wěn)定，同時還必須滿足調(diào)節(jié)過程的質(zhì)量指標(biāo)要求。即：系統(tǒng)的響應(yīng)快慢、穩(wěn)定性、最大偏差等。很明顯，自動控制系統(tǒng)總希望在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，具有較高的控制質(zhì)量，我們希望持續(xù)時間短、超調(diào)量小、擺動次數(shù)少。為了保證系統(tǒng)的精度，就要求系統(tǒng)有很高的放大系數(shù)，然而放大系數(shù)一高，又會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。反之，只考慮調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性，又無法滿足精度要求。因此，調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定性與精度之間產(chǎn)生了矛盾。
??? 如何解決這個矛盾，可以根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求和實際情況，在控制系統(tǒng)中插入“校正網(wǎng)絡(luò)”，矛盾就可以得到較好解決。這種“校正網(wǎng)絡(luò)”，有很多方法完成，其中就有PID方法。
??? 簡單的講，PID“校正網(wǎng)絡(luò)”是由比例積分PI和比例微分PD"元件組"成的。為了說明問題，這里簡單介紹一下比例積分PI和比例微分PD。

微分：從電學(xué)原理我們知道，見圖2，當(dāng)脈沖信號通過RC電路時，電容兩端電壓不能突變，電流超前電壓90°，輸入電壓通過電阻R向電容充電，電流在t1時刻瞬間達(dá)到最大值，電阻兩端電壓Usc此刻也達(dá)到最大值。隨著電容兩端電壓不斷升高，充電電流逐漸減小，電阻兩端電壓Usc也逐漸降低，最后為0，形成一個鋸齒波電壓。這種電路稱為微分電路，由于它對階躍輸入信號前沿“反應(yīng)”激烈，其性質(zhì)有加速作用。
積分： 我們再來看圖3，脈沖信號出現(xiàn)時，通過電阻R向電容充電，電容兩端電壓不能突變，電流在t1時刻瞬間達(dá)到最大值，電阻兩端電壓此刻也達(dá)到最大值。電容兩端電壓Usc隨著時間t不斷升高，充電電流逐漸減小，最后為0，電容兩端電壓Usc也達(dá)到最大值，形成一個對數(shù)曲線。這種電路稱為積分電路，由于它對階躍輸入信號前沿“反應(yīng)”遲緩，其性質(zhì)是“阻尼”緩沖作用。
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插入校正網(wǎng)絡(luò)的情況: 現(xiàn)在我們首先討論自動控制系統(tǒng)引入比例積分PI的情況，見圖4。曲線PI（1）對階躍信號的響應(yīng)特性曲線，當(dāng)t=0時，PI的輸出電壓很小，（由比例系數(shù)決定）當(dāng)t>0時，輸出電壓按積分特性線性上升，系統(tǒng)放大系數(shù)Ue線性增大。這就是說，當(dāng)系統(tǒng)輸入端出現(xiàn)大的誤差時，控制輸出電壓不會立即變得很大，而是隨著時間的推移和系統(tǒng)誤差不斷地減小，PI的輸出電壓不斷增加，既，系統(tǒng)放大系數(shù)Ue不斷線性增大。我們稱這種特性為系統(tǒng)阻尼。決定阻尼系數(shù)因素是PI比例系數(shù)和積分時間常數(shù)。要不斷提高控制系統(tǒng)的質(zhì)量，就要不斷改變PI比例系數(shù)和積分時間常數(shù)。

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我們再討論控制系統(tǒng)引入比例微分PD的情況，見圖4。曲線PD（2）對輸入信號的響應(yīng)特性曲線，當(dāng)t=0時，PD使系統(tǒng)放大系數(shù)Ue驟增。這就是說，當(dāng)系統(tǒng)輸入端出現(xiàn)誤差時，控制輸出電壓會立即變大。我們稱這種特性為加速作用?？梢钥闯?，過強的微分信號會使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以在使用中，必須認(rèn)真調(diào)節(jié)PD比例系數(shù)和微分時間常數(shù)。為妥善解決系統(tǒng)穩(wěn)定性與精度之間的矛盾，往往將比例積分PI與比例微分PD組合使用，形成“校正網(wǎng)絡(luò)”，也稱PID調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)特性曲線PID（3）（圖4），是PI、PD特性曲線合成的。適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)PI、PD上述各系數(shù)，就能保證控制系統(tǒng)即快又穩(wěn)的工作。

結(jié)論：PID調(diào)節(jié)器實際是一個放大系數(shù)可自動調(diào)節(jié)的放大器，動態(tài)時，放大系數(shù)較低，是為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)與振蕩。靜態(tài)時，放大系數(shù)較高，可以捕捉到小誤差信號，提高控制精度。