是PID还是不是PID

Proportional-integral-derivative (PID)循环是迄今为止最常见的反馈控制机制工业过程，反映在控制工程的编辑覆盖。其网站上提到“PID”或“比例-积分-导数”的有8900次，而其他控制方法加起来只有7600次。

为什么呢?首先，PID循环相对容易理解和实现。比例(P)，积分(I)和导数(D) PID算法的组件可以直观地预测，有时将设计过程简化为“这应该可行，让我们尝试一下”，然后是“这不是很正确，我们需要更多(或更少)比例(或积分或导数)”，最后以“足够好了”结束。

当流程已经启动并运行时，这种试错设计可能比需要使流程脱机进行测试的更具学术性的替代方案要方便得多。即使理论上更先进的控制技术可以提供更好的性能，所需要的额外努力和费用可能也不值得。

此外，工业控制工程师已经花费了70多年的时间来检查、改进和增强PID技术，并针对他们发现的缺点开发变通方法(参见“修复PID”，控制工程，2012年11月，2014年5月， 2015年12月)。

因此，PID已经成为事实上的标准——非专业人员如果要研究反馈控制，就可能会研究这个控制主题。即使是专家也倾向于在简单的应用程序中使用PID，因为它可以用更少的数学建模和分析来完成更高级的技术。

PID算法的历史流行反过来促使自动化供应商提供PID控制器作为一个现成的商品。其他反馈控制算法作为商业产品可用，但没有一个像PID这样广泛使用。

也广泛适用

PID的另一大优势是它能够处理整个过程工业范围内的广泛控制问题，前提是:

• 受控过程是合理的“行为良好的”。
• 控制器的唯一任务是强制流程变量“迟早”与设定值匹配。
• 负责执行控制器纠正动作的执行器对过程有足够的影响，以使设定值可实现。

在学术术语中，“表现良好”通常意味着过程是一阶或二阶的，相位最小的，线性的，定常的，开环稳定的或积分的。实际上，这意味着如果控制器继续推动进程，进程就会始终朝着正确的方向移动。如果控制器推得更狠，进程就会以可预测的速度更快地移动(参见图1)。

幸运的是，对于过程工业来说，许多(如果不是大多数)需要控制温度、压力、液位和流量的过程往往表现良好。尽管如此，PID仍然面临着一些常见的反馈控制问题，其中一些可以通过对基本算法的适当扩展来克服，其他的则没有那么多。

PID更难的问题

例如，考虑图2中描述的流程行为，其中流程变量不立即响应控制器的努力。它不只是在控制器想要的方向上移动缓慢，它在控制器开始推动很久之后才会移动。

如果控制器的努力和进程响应开始之间的延迟或死时间不是那么长，只要PID算法配置为缓慢而耐心地执行，就可以使用未经修改的PID控制器来调节进程。但如果死区时间特别长，或者应用程序需要较少的等待，PID控制器将不得不增加额外的智能(见“用史密斯预测器克服过程死时间”,控制工程2015年2月)。

图3中描述的流程行为是一个更困难的情况。在这里，当流程运行在接近100%容量时，流程变量对控制器的响应更显著。与将过程变量从0%提高到50%相比，将过程变量从50%提高到100%所需要的控制努力要少得多。在其他应用中，情况可能正好相反。

一个基本的PID控制器在调节这个过程时会遇到麻烦，因为当进程运行接近最大容量时，它的努力往往过于激进，而在另一个极端则过于保守。这个问题的经典解决方案被称为“增益调度”，它不需要向PID算法添加任何额外的智能，但它需要多个控制器，每个控制器只在过程变量处于一定范围内时才有活动。

具体来说，一个保守的控制器将被配置为在过程变量接近100%时接管，而一个激进的控制器将在过程变量接近0%时接管。过程变量也可以分为两个以上的范围，每个范围都有自己的PID控制器，以适应每个范围内的过程行为(参见“增益调度如何工作”，控制工程，2011年1月)。

另一方面，如果像这个例子这样的非线性过程恰好将其过程变量限制在一个狭窄的范围内，那么一个传统的PID控制器就足够了。在其他范围内，进程对控制器的努力变得更敏感或更不敏感，因为进程永远不会到达那里。幸运的是，在工业应用程序中，这是一种相当常见的情况，目标是将过程变量维持在固定的设定值上。

不适合PID

但是，尽管PID循环可能简单、流行和通用，一些反馈控制问题需要替代解决方案。有些时候，PID会过度。考虑，例如，一个开/关加热元件调节烤箱内的温度。只有在要求高精度时才需要PID回路。否则，像大多数家庭中的恒温控制器应该能够保持一个或多或少的恒定温度，只需在温度下降过低时打开加热器，或在温度上升过高时关闭加热器。

在另一个极端是控制问题，需要比PID提供更多的智能，如约束控制，控制器必须提前计划，以避免驱动控制努力或过程变量超出其可接受的范围。高级计划也是必需的多变量控制控制器必须协调多个执行器的工作，以同时控制多个过程变量(参见“探索多变量控制的基本概念”,控制工程2017年2月)。

PID回路可以强制适应这两种应用，但更先进的、定制设计的控制技术通常更具有成本效益，至少在最初是这样。但通常情况下，设计和实现它们的专家将转移到其他项目，留下非专业人员来维护过程及其控制器。因此，如果以后出现问题，可能没有足够的内部专业知识来解决问题。这种情况通常会导致高级控制器被PID取代或完全禁用，尽管这样会导致性能下降。还有一些控制问题，即使不是不可能，也很难用任何控制算法来解决。在任何形式的反馈控制工作之前，错位的传感器、尺寸过小的执行器、断开的连接等等都必须解决。

Vance VanDoren，体育博士是一个控制工程贡献内容专家。联络他的地址是controleng@msn.com．由CFE媒体内容经理杰克·史密斯编辑，控制工程，jsmith@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 历史知名度PID算法的缺陷促使自动化供应商将PID控制器作为一种现成的商品提供。
• 幸运的是在过程工业中，许多(如果不是大多数)需要控制温度、压力、液位和流量的过程往往表现良好。
• 有些时候PID会过度杀伤。

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