在自動(dòng)控制中，一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行要求能夠滿足給定的性能指標(biāo)，具有抗干擾能力和穩(wěn)定性。對(duì)于被控制的對(duì)象，其本身的物理結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程是一定的，在給定信號(hào)作用時(shí)，對(duì)象的輸出并不一定能滿足系統(tǒng)的性能要求，所以需要加入一個(gè)控制器�？刂破髋c被控對(duì)象以閉環(huán)的形式構(gòu)成系統(tǒng)，以幫助整個(gè)系統(tǒng)的輸出滿足給定的性能指標(biāo)，而控制器運(yùn)用的控制規(guī)律多種多樣。
PID(Proportional Integral Derivative比例微分積分)控制是控制工程中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一種控制策略，它經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。
PID 控制
PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全被掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用，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。因此當(dāng)我們不能完全了解一個(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)，就是PID的用武之地（圖1）。
圖1 PID控制系統(tǒng)
PID顧名思義，就是根據(jù)系統(tǒng)誤差利用比例，微分，積分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。比例，積分，微分這三個(gè)環(huán)節(jié)又相互獨(dú)立，有各自不同的作用，在現(xiàn)場(chǎng)也可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇使用。
P 控制（比例控制）
如果控制器的輸出僅僅與誤差成正比關(guān)系，即u(t)=Kpε(t)，便構(gòu)成了一個(gè)比例控制器，可見(jiàn)比例控制器實(shí)際上是一個(gè)增益可調(diào)的放大器（圖2）。比例控制器通過(guò)改變比例放大系數(shù)Kp調(diào)節(jié)輸出，對(duì)誤差的反應(yīng)很快，但是其輸出與期望值之間總是存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差，必須使用手動(dòng)復(fù)位來(lái)消除，在實(shí)際運(yùn)用中很不方便。提高Kp值可以增加系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，還能夠增加系統(tǒng)的快速性；但容易使系統(tǒng)的穩(wěn)定程度變差，振蕩變多。而當(dāng)Kp值小時(shí)，又會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作變得緩慢，所以校正系統(tǒng)很少單獨(dú)使用P控制。
I 控制（積分控制）
由于P控制存在穩(wěn)態(tài)誤差需要手動(dòng)復(fù)位，人們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)引入一個(gè)積分項(xiàng)來(lái)消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制器的輸出與誤差信號(hào)的積分成正比，即 ，所以PI控制器的輸出有：
積分項(xiàng)對(duì)誤差進(jìn)行積分，隨著時(shí)間的增加積分項(xiàng)增大，只要誤差還存在，就會(huì)不斷輸出。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，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，以達(dá)到消除穩(wěn)態(tài)誤差的目的。因此，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。但是對(duì)時(shí)間的積分必將影響系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于一些系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)過(guò)大的現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至引起系統(tǒng)崩潰。
D控制（微分控制）
積分控制的動(dòng)態(tài)性能不好，而微分項(xiàng)恰好可以彌補(bǔ)這點(diǎn)。微分控制器的輸出和誤差信號(hào)的微分成正比，即 ，所以PD控制器的輸出有：
微分作用反映的是誤差信號(hào)的變化率，所以對(duì)系統(tǒng)控制具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)誤差的變化趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。甚至在誤差形成之前，可能已被微分調(diào)節(jié)作用消除。所以如果微分時(shí)間選擇合適，可以減少超調(diào)和系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能大大提高。微分控制在實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)常用來(lái)抵消積分控制產(chǎn)生的不穩(wěn)定趨勢(shì)，但因其反應(yīng)的是誤差的變化率，所以僅對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程作用，通常不單獨(dú)使用。而且微分控制對(duì)噪聲干擾有放大作用，過(guò)強(qiáng)地調(diào)節(jié)微分項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力不利。
PID 控制
PID控制即比例控制、積分控制、微分控制的組合，綜合了3種控制器的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)用中，有時(shí)也不需要用到全部的3個(gè)部分，只有比例控制單元是必不可少的。對(duì)于PID控制器，輸出為：
PID控制實(shí)際就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Ki，Kd這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定，以得到合適的輸出值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。具體如何整定，根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)有所不同。目前PID不僅應(yīng)用廣泛，發(fā)展也很快，已研究出很多對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行自整定的智能控制器。在和計(jì)算機(jī)這樣的數(shù)字控制器結(jié)合后，還出現(xiàn)了數(shù)字PID的設(shè)計(jì)方法，不過(guò)具體原理還是遵循于傳統(tǒng)。
使用NI DAQ設(shè)備和LabVIEW構(gòu)造PID控制系統(tǒng)
美國(guó)國(guó)家儀器公司（簡(jiǎn)稱NI）提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，可幫助工程師結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備快速有效地搭建一個(gè)數(shù)字PID控制器，精確可靠地完成系統(tǒng)需求。
安裝NI光盤(pán)Tookit Software中的LabVIEW PID Control Tookit，即可在LabVIEW中生成該工具包。安裝完成后打開(kāi)一個(gè)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(gè)VI組成（圖3）
圖3 PID工具包
利用PID.vi即可搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的PID控制器，在該vi的輸入端給入PID的3個(gè)參數(shù)值（PID gains），系統(tǒng)反饋值(process variable)，實(shí)際期望值(setpoint)以及微分時(shí)間(dt)，便能得到需要的輸出值(output)。該vi還能控制輸出值的范圍（圖4）。
圖4 PID.vi
PID Advanced.vi是為專家PID設(shè)計(jì)的vi，增加了一些高級(jí)的功能，如可以設(shè)定期望值的范圍（setpoint range），手動(dòng)控制（manual control），線性化（linearity）等功能。PID Autotuning.vi是為需要自整定的PID系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，在給出一些基本要求后，具有自整定的功能（圖5）。
圖5 PID Autotuning.vi
PID Lead/Lag.vi可以對(duì)PID控制器前端由系統(tǒng)反饋來(lái)的輸入信號(hào)做動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。PID Setpoint Profile.vi可以在期望值間斷性變化時(shí)使其變得平滑。PID Control Input Filter.vi是一個(gè)五階的低通濾波器，放在PID控制器的process variable前端，可以濾去小于采樣率十分之一的輸入值。PID Gain Schedule.vi可以寫(xiě)入幾組增益參數(shù)，并給出條件，執(zhí)行時(shí)當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到條件，便使用對(duì)應(yīng)的一組參數(shù)給入到PID控制器的PID Gains上。PID Output Limiter.vi對(duì)PID控制器輸出信號(hào)的變化速率進(jìn)行控制，以保證外部接受控制信號(hào)部件的安全。PID EGU to %.vi和PID % to EGU.vi負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)際數(shù)值和其在設(shè)定工程單元范圍內(nèi)占的百分比進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
圖6 構(gòu)建PID控制系統(tǒng)
PID工具包提供的這10個(gè)VI，可以滿足大多數(shù)場(chǎng)合的應(yīng)用，根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)需求，使用不同的VI搭建PID控制器，十分方便（圖6）。PID控制器輸出的精準(zhǔn)還和前端的輸入信號(hào)是否精確密切相關(guān)，所以采集控制系統(tǒng)的前端輸出而得到的系統(tǒng)反饋尤其重要。NI的DAQ數(shù)據(jù)采集卡不僅工作穩(wěn)定，結(jié)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控制系統(tǒng)變得更加方便快速順利，起到事半功倍的效果。
