不是所有的PID控制器都是一样的

反馈控制的比例、积分、导数(PID)算法的优点在于它的简单性。控制器只需要计算被测过程变量与所需设定值之间的当前误差，然后计算该差值随时间变化的幅度和速度。然后，控制器可以结合所得到的比例、积分和导数项来产生适当的控制效果。

诀窍在于决定如何最好地结合这三个项或模式，以实现对过程变量的最有效调节。最明显的方法是使用简单的加权和，其中每个项乘以一个调谐常数或增益，然后将结果相加(见图1)。然后可以通过为比例增益(P)、积分增益(I)和导数增益(D)选择适当的值来调整每个项的相对贡献。

但这并不是大多数PID控制器在工业应用中的实际工作方式。商用PID控制器确实计算误差信号、其积分和导数，但它们通常使用稍微重新排列的公式和一组不同的整定参数来组合这三个量:控制器增益(K_p)，积分时间(T_我)，导数时间(T_d)，如图2所示。

标准算法的优点

标准PID算法中比例项、积分项和导数项的权重因子为K_pK_p/ T_我， K_px T_d,分别。这看起来可能很复杂，但这种疯狂是有方法的。将Kp配置为同样影响所有三个项，可以让控制工程师转动一个旋钮，使整个控制器更积极或更保守。

此外，标准PID算法的格式赋予了T_我和T_d这可以用一个概念性实验来最好地说明。想象一下，打开反馈回路，将控制器重置为零输出，并向控制器输入一个常数误差。比例项(比例动作)的输出将立即假设为恒定值，而积分项(积分动作)的输出将从零开始上升。积分作用的大小正好在T处赶上了比例作用_我秒。

因此，积分时间描述了比例动作和积分动作的相对强度，即每个动作所需的时间，以实现对整体控制努力的相同贡献。相对较弱的积分作用对应较长的T值_我反之亦然。类似地，相对较弱的导数作用对应较长的T值_d反之亦然(尽管证明这种相关性的概念性实验涉及向脱机控制器输入斜坡而不是恒定的错误)。

潜在的混淆

幸运的是，比较理论和标准PID算法并将P、I和D与K联系起来很容易_pT_我，和T_d如下:

比例增益P与控制器增益K相同_p，所以控制工程师不知道理论和标准PID算法之间的区别，也可能认为“积分增益”等同于“积分时间”，“导数增益”等同于“导数时间”。不幸的是，这个错误使得调整循环几乎不可能。

例如，假设一个没有经验的控制工程师确定了一个特定的反馈回路需要一个比例增益为3、积分增益为2和导数增益为1的理论控制器。将这三个值输入到一个标准的商用控制器中，在控制器增益、积分时间和导数时间的标题下，类似于设置:

控制器最终会得到期望的比例作用程度，但积分作用减少了25%(增益为1.5而不是2)，导数作用是工程师预期的三倍。

哪个是哪个?

第三种PID算法增加了混乱。一些商用控制器使用如图3所示的串联或串行形式。如果一个控制器恰好使用理论算法，另一个控制器使用标准算法，而第三个控制器使用级数算法，那么控制工程师试图在其他相同的循环中调优三个控制器将得到不同的结果。

更糟糕的是，理论算法和标准算法有时都被描述为理想算法，尽管它们是不同的。因此，一些调优理想控制器的技术并不适用于某些理想控制器。

另一方面，短语平行，理想平行，和独立似乎专门指的理论算法，其中的比例，积分，和导数项独立运作，平行而不是串联。具有讽刺意味的是，标准算法中的三个术语也是并行运行的，但标准和并行几乎从来不是同义词。

调优的术语

调优参数本身也有不同的标签，这取决于描述它们的人。当PID控制器首次开发时，导数项被称为预动作模式，因为它似乎先发制人，加速控制器的纠正努力，超出了比例项自己可以管理的范围。早期控制工程师通过选择更大或更小的预动作时间来增加或减少抢先(衍生)动作的程度。今天的PID供应商通常将控制器的导数动作描述为其速率。

积分作用最初被称为自动复位，因为积分项似乎可以自动将设定值调整到所需的精确值，以消除由比例项引起的稳态偏移(参见“PID的三面”)。控制工程， 2007年3月)。一些控制工程师在调整控制器的积分项时仍然指定重置时间，但更高的重置时间对应更少的积分动作，而不是更多。

另一方面，积分作用的程度有时用重置率来表示，重置率是重置时间的倒数，与导数率完全无关。混淆“重置”和“重置率”会导致控制工程师需要更少的积分动作，反之亦然。

同样地，在一些PID控制器中的比例增益是根据其逆称为比例带来指定的。更精确地说，比例频带是100除以比例增益，因此它表示误差信号中必要的百分比变化，以引起比例动作的全面变化。混淆“比例频带”和“比例增益”会导致控制工程师想要更多的时候减少比例作用，反之亦然。

更多的变化

这些年来，为了提高PID控制器的性能，人们开发了各种各样的临时增强功能(参见“修复PID”，控制工程，2012年11月，2014年5月，2015年12月）.

幸运的是，无论特定控制器使用哪种PID算法，所有这些修复都可以工作，并且大多数都可以作为大多数商业控制器的选项。另一方面，对于已经在运行的特定控制器，选择了哪些选项并不总是很明显。

例如，过程变量信号通常在进入PID计算之前进行滤波，以去除测量噪声，否则会导致控制效果不必要地波动(参见“数值滤波基础，"控制工程， 2008年10月)。

不幸的是，过滤过程变量也会使控制器看起来很迟钝。控制工程师没有意识到滤波器的存在，可能会试图通过提高控制器的增益来提高控制器的响应能力。期望的闭环性能可能是可以实现的，但滤波器和PID算法最终会相互矛盾。

由于当今使用的PID算法有如此多的变化，当重新调整或以其他方式修改现有控制器时，第一步必须准确地确定它是哪种PID控制器。

本文发表于应用自动化补充的控制工程而且设备工程．

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