什么是PID控制？PID控制器有什么優(yōu)點(diǎn)？
在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（也稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最廣泛的一種自動(dòng)控制器。
它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)選定比較簡(jiǎn)單、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象——“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。
PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（如可為PI調(diào)節(jié)、PD調(diào)節(jié)等）。
長(zhǎng)期以來(lái)，PID控制器被廣大科技人員及現(xiàn)場(chǎng)操作人員所采用，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。
PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量來(lái)進(jìn)行控制。
當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，或控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。
即當(dāng)人們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合采用PID控制技術(shù)。
（1）比例（P）控制
比例控制是一種最簡(jiǎn)單、最常用的控制方式，如放大器、減速器和彈簧等。
比例控制器能立即成比例地響應(yīng)輸入的變化量。
但僅有比例控制時(shí)，系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state Error）。
P就是比例，就是輸入偏差乘以一個(gè)系數(shù)；成比例地反映系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。
響應(yīng)速度快，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。
（2）積分（I）控制
在積分控制中，控制器的輸出量是輸入量對(duì)時(shí)間的積累。
對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。
為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。
積分項(xiàng)對(duì)誤差的運(yùn)算取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。
所以即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。
因此，采用比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。
其作用就是對(duì)輸入偏差進(jìn)行積分運(yùn)算；主要是消除偏差、提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
（3）微分（D）控制
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。
自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。
其原因是存在有較大的慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。
解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。
這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。
所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。
微分項(xiàng)對(duì)輸入偏差進(jìn)行微分運(yùn)算；能反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，在偏差信號(hào)變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，提高系統(tǒng)的快速性。
（4）閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)
控制系統(tǒng)一般包括開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-loop Control System）是指被控對(duì)象的輸出（被控制量）對(duì)控制器（controller）的輸出沒(méi)有影響，在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控制量返送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。
閉環(huán)控制系統(tǒng)（Closed-loop Control System）的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出（被控制量）會(huì)返送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。
閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋（Negative Feedback）；若極性相同，則稱為正反饋。
一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。
可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)。
（5）PID控制器的主要優(yōu)點(diǎn)
PID控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)。
①PID算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。
其中，比例（P）代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過(guò)程反應(yīng)迅速。
微分（D）在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表將來(lái)的信息。
在過(guò)程開始時(shí)強(qiáng)迫過(guò)程進(jìn)行，過(guò)程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。
積分（I）代表了過(guò)去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。
此三種作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過(guò)程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到良好的效果。
②PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)各種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，都可在不同的程度上應(yīng)用。
特別適于“一階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”和“二階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”的過(guò)程控制對(duì)象。
③PID算法簡(jiǎn)單明了，各個(gè)控制參數(shù)較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡(jiǎn)單，形成了完整的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。
④PID控制根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的PID算法。
例如，為了克服微分帶來(lái)的高頻干擾的濾波PID控制，為克服大偏差時(shí)出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制，為補(bǔ)償控制對(duì)象非線性因素的可變?cè)鲆鍼ID控制等。
這些改進(jìn)算法在一些應(yīng)用場(chǎng)合取得了很好的效果。
同時(shí)當(dāng)今智能控制理論的發(fā)展，又形成了許多智能PID控制方法。
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