在zai自zi動dong控kong製zhi中zhong，一yi個ge係xi統tong的de運yun行xing要yao求qiu能neng夠gou滿man足zu給gei定ding的de性xing能neng指zhi標biao，具ju有you抗kang幹gan擾rao能neng力li和he穩wen定ding性xing。對dui於yu被bei控kong製zhi的de對dui象xiang
，其qi本ben身shen的de物wu理li結jie構gou和he工gong作zuo過guo程cheng是shi一yi定ding的de，在zai給gei定ding信xin號hao作zuo用yong時shi，對dui象xiang的de輸shu出chu並bing不bu一yi定ding能neng滿man足zu係xi統tong的de性xing能neng要yao求qiu，所suo以yi需xu要yao加jia入ru一yi個ge控kong製zhi器qi。控kong製zhi器qi與yu被bei控kong對dui象xiang以yi閉bi環huan的de形xing式shi構gou成cheng係xi統tong
，以yi幫bang助zhu整zheng個ge係xi統tong的de輸shu出chu滿man足zu給gei定ding的de性xing能neng指zhi標biao，而er控kong製zhi器qi運yun用yong的de控kong製zhi規gui律lv多duo種zhong多duo樣yang。

PID(Proportional Integral Derivative比例微分積分)控製是控製工程中技術成熟
，應用廣泛的一種控製策略，它經過長期工程實踐
，已形成了一套完整的控製方法和典型的結構。

 

    PID控製器結構簡單、穩定性好、工作可靠

、調tiao整zheng方fang便bian。當dang被bei控kong對dui象xiang的de結jie構gou和he參can數shu不bu能neng完wan全quan被bei掌zhang握wo，或huo得de不bu到dao精jing確que的de數shu學xue模mo型xing時shi
，控kong製zhi理li論lun的de其qi它ta技ji術shu難nan以yi采cai用yong，係xi統tong控kong製zhi器qi的de結jie構gou和he參can數shu必bi須xu依yi靠kao經jing驗yan和he現xian場chang調tiao試shi來lai確que定ding，這zhe時shi應ying用yongPID控製技術最為方便。因此當我們不能完全了解一個係統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得係統參數時，就是PID的用武之地（圖1）。

圖1 PID控製係統

 

    PID顧gu名ming思si義yi，就jiu是shi根gen據ju係xi統tong誤wu差cha利li用yong比bi例li

，微wei分fen，積ji分fen計ji算suan出chu控kong製zhi量liang進jin行xing控kong製zhi。比bi例li，積ji分fen，微wei分fen這zhe三san個ge環huan節jie又you相xiang互hu獨du立li，有you各ge自zi不bu同tong的de作zuo用yong，在zai現xian場chang也ye可ke以yi根gen據ju實shi際ji情qing況kuang來lai選xuan擇ze使shi用yong。

 

    如果控製器的輸出僅僅與誤差成正比關係，即u(t)=Kpε(t)，便構成了一個比例控製器，可見比例控製器實際上是一個增益可調的放大器（圖2）。比例控製器通過改變比例放大係數Kp調tiao節jie輸shu出chu，對dui誤wu差cha的de反fan應ying很hen快kuai，但dan是shi其qi輸shu出chu與yu期qi望wang值zhi之zhi間jian總zong是shi存cun在zai一yi個ge穩wen態tai誤wu差cha
，必bi須xu使shi用yong手shou動dong複fu位wei來lai消xiao除chu，在zai實shi際ji運yun用yong中zhong很hen不bu方fang便bian。提ti高gaoKp值可以增加係統的開環增益，使穩態誤差減小，還能夠增加係統的快速性
；但容易使係統的穩定程度變差
，振蕩變多。而當Kp值小時
，又會使係統動作變得緩慢，所以校正係統很少單獨使用P控製。

 

 

    由於P控製存在穩態誤差需要手動複位
，人們發現可以通過引入一個積分項來消除穩態誤差。積分控製器的輸出與誤差信號的積分成正比
，即 
，所以PI控製器的輸出有：

 

 

    積(ji)分(fen)項(xiang)對(dui)誤(wu)差(cha)進(jin)行(xing)積(ji)分(fen)，隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)增(zeng)加(jia)積(ji)分(fen)項(xiang)增(zeng)大(da)
，隻(zhi)要(yao)誤(wu)差(cha)還(hai)存(cun)在(zai)
，就(jiu)會(hui)不(bu)斷(duan)輸(shu)出(chu)。這(zhe)樣(yang)，即(ji)便(bian)誤(wu)差(cha)很(hen)小(xiao)，積(ji)分(fen)項(xiang)也(ye)會(hui)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)加(jia)大(da)，推(tui)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)增(zeng)大(da)使(shi)穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)進(jin)一(yi)步(bu)減(jian)小(xiao)
，直(zhi)到(dao)等(deng)於(yu)零(ling)，以(yi)達(da)到(dao)消(xiao)除(chu)穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)的(de)目(mu)的(de)。因(yin)此(ci)

，PI控(kong)製(zhi)器(qi)，可(ke)以(yi)使(shi)係(xi)統(tong)在(zai)進(jin)入(ru)穩(wen)態(tai)後(hou)無(wu)穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)。但(dan)是(shi)對(dui)時(shi)間(jian)的(de)積(ji)分(fen)必(bi)將(jiang)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)快(kuai)速(su)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)，對(dui)於(yu)一(yi)些(xie)係(xi)統(tong)會(hui)出(chu)現(xian)超(chao)調(tiao)過(guo)大(da)的(de)現(xian)象(xiang)

，嚴(yan)重(zhong)的(de)甚(shen)至(zhi)引(yin)起(qi)係(xi)統(tong)崩(beng)潰(kui)。

    D控製（微分控製）

    積分控製的動態性能不好，而微分項恰好可以彌補這點。微分控製器的輸出和誤差信號的微分成正比
，即 
，所以PD控製器的輸出有：

 

    weifenzuoyongfanyingdeshiwuchaxinhaodebianhualv
，suoyiduixitongkongzhijuyouyujianxing，nengyujianwuchadebianhuaqushi，yincinengchanshengchaoqiandekongzhizuoyong。shenzhizaiwuchaxingchengzhiqian
，kenengyibeiweifentiaojiezuoyongxiaochu。suoyiruguoweifenshijianxuanzeheshi，keyijianshaochaotiaohexitongtiaojieshijian，shixitongdedongtaixingnengdadatigao。weifenkongzhizaishijiyunyongzhongjingchangyonglaidixiaojifenkongzhichanshengdebuwendingqushi，danyinqifanyingdeshiwuchadebianhualv，suoyijinduidongtaiguochengzuoyong，tongchangbudandushiyong。erqieweifenkongzhiduizaoshengganraoyoufangdazuoyong，guoqiangditiaojieweifenxiangduixitongkangganraonenglibuli。

 

    PID控製即比例控製

、積分控製、微分控製的組合，綜合了3種控製器的優點。在實際運用中
，有時也不需要用到全部的3個部分，隻有比例控製單元是必不可少的。對於PID控製器，輸出為：

 

 

    PID控製實際就是根據經驗，對Ki，Kd這3個參數進行整定，以得到合適的輸出值對係統進行控製。具體如何整定，根據不同的現場有所不同。目前PID不僅應用廣泛

，發展也很快，已研究出很多對這3個參數進行自整定的智能控製器。在和計算機這樣的數字控製器結合後，還出現了數字PID的設計方法，不過具體原理還是遵循於傳統。

 

 

    美國國家儀器公司（簡稱NI）提供了在LabVIEW中使用的PID控製工具包，可幫助工程師結合NI數據采集設備快速有效地搭建一個數字PID控製器，精確可靠地完成係統需求。

    安裝NI光盤Tookit Software中的LabVIEW PID Control Tookit，即可在LabVIEW中生成該工具包。安裝完成後打開一個新的VI,右擊程序框圖
，在Functions Palette上選擇Control Design&Simulation，即可看到PID工具包
，該工具包由10個VI組成（圖3）

 

圖3 PID工具包

    利用PID.vi即可搭建一個簡單的PID控製器，在該vi的輸入端給入PID的3個參數值（PID gains），係統反饋值(process variable)
，實際期望值(setpoint)以及微分時間(dt)，便能得到需要的輸出值(output)。該vi還能控製輸出值的範圍（圖4）。

 

 

 圖4 PID.vi

 

    PID Advanced.vi是為專家PID設計的vi，增加了一些高級的功能
，如可以設定期望值的範圍（setpoint range）
，手動控製（manual control）
，線性化（linearity）等功能。PID Autotuning.vi是為需要自整定的PID係統設計的，在給出一些基本要求後
，具有自整定的功能（圖5）。

 

 

圖5 PID Autotuning.vi

 

    PID Lead/Lag.vi可以對PID控製器前端由係統反饋來的輸入信號做動態補償。PID Setpoint Profile.vi可以在期望值間斷性變化時使其變得平滑。PID Control Input Filter.vi是一個五階的低通濾波器，放在PID控製器的process variable前端，可以濾去小於采樣率十分之一的輸入值。PID Gain Schedule.vi可以寫入幾組增益參數，並給出條件，執行時當輸入信號達到條件

，便使用對應的一組參數給入到PID控製器的PID Gains上。PID Output Limiter.vi對PID控製器輸出信號的變化速率進行控製
，以保證外部接受控製信號部件的安全。PID EGU to %.vi和PID % to EGU.vi負責對實際數值和其在設定工程單元範圍內占的百分比進行轉換。

 

圖6 構建PID控製係統

 

    PID工具包提供的這10個VI
，可以滿足大多數場合的應用

，根據不同的現場需求，使用不同的VI搭建PID控製器，十分方便（圖6）。PID控製器輸出的精準還和前端的輸入信號是否精確密切相關，所以采集控製係統的前端輸出而得到的係統反饋尤其重要。NI的DAQ數據采集卡不僅工作穩定

，結合LabVIEW編程方便兼容性好
，且種類很多，可滿足工程師各類不同檔次上的需求。相信在NI軟硬件的配合下，能夠使搭建PID控製係統變得更加方便快速順利，起到事半功倍的效果。