PID控制简介
韩玉鑫（热控）
现代社会越来越重视工业生产的自动化，电力系统的工作当然也不例外，在对电厂各种各样参数的控制中，PID控制举足轻重，PID是“比例、积分、微分”的简称，但是PID控制是怎么实现对现场各种复杂参数的掌控,下面以下图这个最典型、最简单的自动控制系统为例给大家展开论述：
一、比例控制（P）
水池中有一定量的水，下方有一个疏水管，上方有一个给水管，给水管上装有一个调节阀，我们的目的是通过调节该阀的开度，来控制水箱液位维持在目标水位。
如果水池里的液位低了，就把调节阀开大；液位高了，把调节阀开小，不就可以很简单的控制水位了吗？没错，这种控制方式就是比例（P）控制。
比例控制是一种最简单的控制，其控制器的输出信号与输入的偏差信号成比例关系，对应上图的控制系统来说，调节阀的开度与水位的偏差成一定比例。也就是说：水位高的越多，调阀就关的越小，水位低的越多，调阀就开的越大。
通过上述了解，我们知道简单的比例调节，已经可以完成对水池水位的控制，但是这种简单的调节方式不能满足所有控制状况，现在阐述一下要积分和微分控制的作用：
二、积分控制（I）
单独的比例控制存在稳态偏差不能消除的缺点，所谓的稳态偏差，就是说实际水位已经不再变化，但是和目标水位还多多少少存在的一点偏差，消除稳态偏差，就能提高控制系统的准确性，所以，这里就需要积分控制了。
积分（I）控制的作用就是消除系统中的稳态偏差，其控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比，这里的积分是指输入的偏差信号对于时间的积分，输入的偏差信号可能很小，但是随着时间的推移，它对时间的积分就在逐步增加，控制器的输出也就随之变大。对应上图来说，当实际水位与目标水位存在一个很小的、比例作用无法消除的偏差时，积分作用就开始动作了，即使偏差非常小，积分作用也会随着时间的增加而增大，它推动调节阀的开度，使水位偏差进一步减小，直到等于零。
三、微分控制（D）
微分（D）控制的作用是超前调节，微分作用与输入信号的变化率有关，输入信号的变化率越大，微分作用就越强，这使得它有超前的控制作用，可能在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。
用上图来说，若工况突变，水位急剧下降，这时若只靠比例积分控制系统来调节，调节速度太慢，很容易产生水位报低警或者设备联动，但若加入微分调节，水位下降的趋势刚一出现，微分作用就已经通过控制器开大阀门，增大进水流量，保持水位在可控范围之内，确保了系统的稳定。需要注意的是，微分作用反应的是偏差的变化率，若水位有一定偏差，但是偏差并不变化，微分作用即为0，所以微分作用无法单独进行调节，必须配合比例、或者比例积分调节组成PI、PID调节控制。
四、PID控制
然而，在实际的生产过程中，单独使用一种控制方式的情况并不多见，在复杂工况情况下，很多时候我们都是选择PI、PD、PID的调节方式，这种组合调节方式可以大大提高调节系统的准确性、稳定性和快速性。
对于比例积分控制器来说，阶跃偏差产生，比例调节开始作用，然而随着时间的推移，偏差持续变化，这时，积分环节就开始逐渐加大调节力度，力争将实际水位控制在目标水位处。（如图a所示，上坐标系为阶跃偏差，下坐标系为PI控制器下的阶跃响应，下同）
比例积分控制器由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。
对于比例微分控制器来说，阶跃偏差产生，偏差产生的一瞬间，微分调节大幅度变化，然后迅速降为0，而比例调节部分始终做出同一定值的响应，PD控制器的理论阶跃响应曲线如图b所示。在实际应用中PD控制器的阶跃响应曲线应为图c所示。
比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。
比例积分微分控制器，也就是PID控制器，对于它来说，当偏差阶跃出现时微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。它的阶跃响应曲线比较像是PI曲线与PD曲线和叠加重合。如图d所示。
PID控制器肯定是最为理想的控制。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。
图a
图b
图c
图d
上面就是比例、积分、微分三种控制器的作用原理了，但了解这些原理还远远不够，在实际生产过程中，PID控制往往伴随着压力和温度的补偿，补偿值的确定和PID的整定才是自动控制中的难点，这些也都是建立在PID控制的理论基础之上的。
