瞭解 PID 控制器的原理、組件和類型

PID 控制器是任何控制系統的關鍵部件。它透過減少期望值與實際值之間的誤差，使過程接近設定值。設定目標後，控制器會調整控制以引導流程。工業界依賴 PID 控制器執行溫度、運動和流量控制等任務。事實上，約 95% 的工業自動化都使用 PID 控制器。 2.3 年，全球 PID 控制器市場規模達到 2023 億美元，預計未來將維持強勁成長。從直流馬達控制器到複雜的有刷直流馬達控制器，各種應用中都可以看到 PID 的身影。 Ziegler-Nichols 方法可協助您調整控制器以獲得最佳效果，如下表所示。

控制類型	比例增益（P）	積分時間（Ti）	微分時間 (Td)
P	0.5×千焦耳	不適用	不適用
PI	0.45×千焦耳	電腦/1.2	不適用
PID	0.60×千焦耳	0.5 × 件	電腦/8

關鍵要點

PID 控制器有助於保持穩定。它透過縮小期望值與實際值之間的差距來實現這一點。 PID 控制器採用三種作用：比例、積分和微分。
每個 PID 部分都有各自的功能。比例函數在出現錯誤時快速響應。積分函數用於修復持續很長時間的錯誤。微分函數用於預測下一步會發生什麼，以防止偏差過大。
不同類型的 PID 控制器適用於不同的任務。有些比較簡單，例如 P 控制器。完整的 PID 控制器可以處理更複雜的任務。高階類型的控制器在情況改變時可以提供更佳的控制。
PID 控制器應用廣泛，例如工廠、機器人和電力系統。人們之所以選擇 PID 控制器，是因為它們可靠且易於調節，即使在條件變化時也能保持良好的性能。
為了獲得最佳效果，請謹慎調整 PID 設定。每次更改一個設定。觀察系統運作情況。使用 Ziegler-Nichols 等工具或方法來輔助您。

PID 控制器基礎知識

定義

PID 控制器是一種幫助維持系統穩定的工具。它會檢查目標值與實際值之間的差異，然後調整控制參數以縮小差異。當您希望機器保持特定的速度或溫度時，可以使用它。 PID 控制器採用三種動作：比例、積分和微分。

PID 控制器工作在回授迴路。它測量輸出並將其與設定值進行比較。然後，它會改變輸入以更接近目標值。這個過程反覆進行，有助於系統保持穩定並且運作良好。

研究人員已在許多實際情況下測試了PID控制器。例如：

工程師發明了一種新方法來檢驗PID控制器的可靠性。他們觀察了控制器的長期運作情況，即使當時的條件改變。
在一次測試中，PID控制器控制著飛機的液壓系統。即使零件老化，系統仍然運作良好。
另一項測試使用PID控制器在壓井過程中保持壓力和流量穩定。結果表明，該控制器能夠處理高難度且多變的工作。

這些研究表明，在許多控制系統中，PID控制器都是值得信賴的。即使在重要且艱鉅的任務中，它也能有效發揮作用。

目的

使用 PID 控制器可以使製程接近目標。即使周圍環境發生變化，它也能正常運作。其主要作用是使設定值與實際值之間的誤差盡可能小。控制器透過智慧地改變控制訊號來實現這一點。它使用其設計中內建的三個動作。

PID 控制器之所以受歡迎，是因為它們適用於多種場合，而且易於使用。您無需了解系統的所有細節，只需測量輸出並找出誤差。剩下的工作交給控制器完成。這使得 PID 控制器成為工業、科學以及奈米技術等新興領域的首選。

NI LabVIEW 文章提到，PID 控制器可以保持穩定。它始終檢查輸出，發現錯誤並快速做出調整。這種簡單的方法適用於從工廠到實驗室的許多控制系統。

研究表明，超過 90% 的工業控制迴路都使用 PID 控制器。它們有助於解決延遲、突變和設備限制等問題。研究人員發現，PID 控制器的三個部分都能幫助系統快速反應並保持穩定。一項研究表明，PID 控制器能夠解釋人和機器適應方式的大多數變化。這表明它們非常實用。

您可以在很多地方看到 pid 控制器：

保持化學反應器的溫度穩定
控制機器人馬達的速度
管理工廠內的液體流動

PID 控制器為您提供了一種簡單且強大的控制系統設計方法。即使在複雜情況下，它也能出色地工作。您可以根據需求調整控制器。這使得它適用於多種設計。

PID 控制器的優勢	簡介
穩健的性能	妥善處理變化和問題
簡單的設計	易於設定並可在多種系統中使用
應用廣泛	從事工業、科學和技術工作
可靠的控制	經過測試和實際生活證明

PID 的工作原理

反饋迴路

使用回授迴路使 PID 控制器工作。在閉環系統中，控制器始終檢查過程。它將輸出與設定值進行比較。如果輸出與設定值不匹配，控制器將使用 PID 演算法來變更控制訊號。這使過程始終接近您的目標。

回饋迴路有三個主要步驟：

測量過程輸出。
將輸出與設定點進行比較。
使用pid演算法來調節控制訊號。

一份技術文件解釋了閉環系統的工作原理，它始終將輸出與設定值進行比較。 PID 控制器利用回饋進行調整。控制器使用比例、積分和微分作用來創建校正因子。您可以在框圖和實際範例中看到這一點，例如直流馬達控制器。

回饋迴路有助於維持製程穩定。控制器能夠適應變化。如果過程出現漂移，PID 演算法會將其恢復。這使得 PID 控制器成為任何控制系統的關鍵部分。回授迴路在許多地方都能找到，例如直流馬達控制器或溫度控制系統。

誤差計算

使用 PID 控制器需要知道誤差。誤差是設定值與製程輸出之間的差異。 PID 演算法會根據該誤差來決定如何改變控制訊號。

pid 演算法計算誤差如下：
error = set point - process output
然後控制器使用三個術語：
- 比例：對當前錯誤做出反應。
- 積分：將過去的錯誤加起來。
- 導數：預測未來的錯誤。

这 pid演算法將這三個項組合起來，形成控制訊號。學術研究表明，該模型效果良好。您可以使用諸如 Ziegler-Nichols 方法之類的調整方法來設定每個項目的最佳值。這些方法利用流程行為來幫助您調整控制器。

您可以信賴 PID 演算法，因為專家已在眾多系統中進行了測試。其誤差計算模型簡單但功能強大。從直流馬達控制器到複雜的製程工廠，每個 PID 控制器都可以使用它。

直流馬達控制器使用PID演算法將馬達轉速保持在設定值。控制器檢查過程輸出，尋找誤差並調整控制訊號。這可以使製程保持穩定，並使輸出接近目標值。

PID組件

比例項

比例項是PID控制器的第一部分。它會立即對設定值和製程輸出之間的誤差做出反應。控制器會將此誤差乘以一個稱為比例增益的數值。如果增加此增益，控制器的反應速度會更快。過程會快速朝著目標前進。但是，如果增益過高，過程可能會變得不穩定，開始來回擺動。比例項有助於降低穩態誤差，但並不能完全消除。例如，在熱水器中，當溫度下降時，比例項會快速響應。儘管如此，它可能無法將熱量精確地控制在設定值。

提示：緩慢變更比例增益。過大可能會導致過程擺動或變得不穩定。

積分項

積分項會考慮所有過去的誤差，並將誤差隨時間累積。這有助於消除穩態誤差。如果製程輸出始終低於設定值，積分項會持續使控制器進一步動作，直到輸出與目標值相符。這使得 PID 控制器非常適合需要精確控制的任務。測試表明，提高積分增益有助於過程達到設定值，同時也能降低穩態誤差。但過多的積分作用可能會導致過程過衝或變得不穩定。這個問題稱為積分飽和。您可以使用防飽和技巧來防止這種情況發生。

PID 項	主要效果	風險過高
成比例的	反應速度快，減少錯誤	振盪、不穩定
積分	消除穩態誤差	過衝、飽和
衍生	抑制振盪，預測誤差	噪音放大

導數項

微分項試著猜測誤差接下來會如何變化。它關注的是誤差變化的速度。使用微分作用時，控制器在接近設定值時會減慢速度。這有助於防止過衝，並降低過程的波動性。微分項使 PID 控制器更加穩定，尤其是在快速變化的情況下。但微分項也可能使過程中的雜訊更大。您應該使用濾波器或謹慎調整。如果微分時間設定得恰到好處，就可以使用更大的比例增益，同時仍保持穩定。

注意：微分項可能會使雜訊更加嚴重。使用濾波器可以幫助控制器保持穩定。

為了獲得最佳結果，PID 演算法中三個參數缺一不可。比例項作用迅速，積分項消除穩態誤差，微分項增強穩定性。調整這些參數可以幫助控制器保持製程輸出接近設定值，即使外部條件改變。

PID 控制器的類型

PID 控制器的使用方法多種多樣。每種類型都適用於特定的任務。如果您了解每種控制器的工作原理，您就能選擇合適的控制器。

P控制器

AP 控制器僅使用比例部分，適用於簡單的系統。當控制器偵測到錯誤時，它會改變輸出。如果您希望它反應更快，可以增加增益。在化工廠中，P 控制器可以保持反應器溫度穩定。這提高了產品品質並節省了能源。在煉油廠中，P 控制器有助於控制壓力並提高產量。這種控制器很簡單，但您仍然可能會看到穩態誤差。您必須謹慎調整增益。過高的增益會導致系統不穩定。

易於使用和設置
最適合不複雜的系統
可能需要你調整它來修復穩態誤差

PI控制器

PI 控制器增加了積分部分。這有助於消除穩態誤差。當您需要速度和精度時，可以使用它。研究表明，PI 控制器反應迅速，誤差低。但您可能會看到一些過衝。在直流馬達驅動器中，PI 控制器很常見。它們性能強大且易於調節。您可以使用簡單的模型來設定它們。如果您需要更好的控制，可以嘗試完整的 PID 控制器。

提示：PI 控制器適用於大多數工廠作業。您可以調整其速度和精度。

PD控制器

PD 控制器使用比例和微分部分。這有助於預測變化並防止過衝。 PD 控制器適用於需要快速反應和低延遲的系統。例如，在 DC-DC 降壓轉換器中，PD 控制器可以在電壓突變期間保持電壓穩定。在衛星中，PD 控制器有助於快速回應並處理問題。雖然可以獲得更好的穩定性，但仍可能出現穩態誤差。

全PID控制器

A 全PID控制器三個部件全部使用。這為您提供速度、精度和穩定性的最佳組合。您可以將其用於艱鉅或重要的工作。在放熱反應器中，完整的PID控制器可以確保溫度安全並阻止不良反應。您需要了解您的工藝過程才能對其進行良好的調整。您可以使用測試或電腦模型來幫助調整。進階調整可以幫助您處理不同類型的製程，並增強控制器的穩定性。

全 pid 控制器用於許多地方，例如工廠和機器人。
您可以對延遲或變化很大的進程使用特殊調整。
您可以透過進行小改動並觀察發生的情況來測試控制器。

進階類型

某些系統需要高階控制類型。級聯PID控制器允許一個控制器管理另一個控制器。蒸汽熱交換器中就體現了這一點。一個控制器保持壓力穩定，另一個控制器控制溫度。前饋控制可讓您在問題發生之前採取行動。增益調度會隨著製程的變化而改變設定。在發電廠中，您可以將PID與模型預測控制結合以獲得更好的結果。數位PID控制器使用計算機來運行演算法。這使得更改和添加新功能變得非常容易。

進階PID類型	在哪裡使用它	好處
級聯控制	機器人技術、製程控制	更高的準確性和穩定性
前饋控制	溫度、運動控制	更快地響應變化
增益調度	非線性過程	適應不斷變化的條件
模型預測控制	發電、工業	預測並預防錯誤

注意：根據您的流程需求和目標選擇正確的控制類型。

PID應用

工業用途

PID 控制器幾乎應用於所有工廠作業。超過 90% 的工業控制器使用 PID 或 PI 控制。在化工廠和煉油廠中，PID 控制器用於管理溫度、壓力、流量和液位。反饋系統有助於維持系統穩定運作。在工廠中，PID 循環可幫助您快速實現目標並最大程度地減少誤差。您可以透過查看上升時間、穩定時間和擬合分數來檢查 PID 控制器的運作情況。

公制	簡介
上升時間	達到設定點需要多長時間。
Settling Time	停留在設定點需要多長時間。
穩態誤差	設定值與最終值之間的差異。
維持評分	告訴您是否需要修理或更換控制器。
適合度評分	顯示 pid 調節如何保持事物穩定和快速。

PID 控制器的優點在於，您可以根據不同的任務來更換它們。您無需了解系統的所有細節。這使得 PID 成為許多用途的首選。

機器人與自動化

PID 控制器在機器人和機器中至關重要。您可以使用 PID 來控制直流馬達、機械手臂和CNC工具機的移動速度和位置。在每項工作中，PID 回饋有助於機器人平穩移動並保持在正確的軌道上。例如，PID 可以使機械手臂保持正確的角度，或幫助無人機以穩定的速度飛行。

研究表明，PID 控制器可以幫助機器人更好地遵循路徑，並防止機器人過度偏離目標。您可以調整控制器，使其運作速度更快、更穩定。在實際測試中，PID 控制器在速度和準確性方面優於其他控制器。 PID 控制器也易於與微控制器配合使用，因此您可以更輕鬆地建立機器人和機器。

提示：您可以在簡單或高階機器人中使用 pid。控制器會隨著負載或作業的變化而變化，因此它適用於許多任務。

電力和能源

PID 控制器有助於節能，並使電力系統更有效率地運作。 PID 控制器可用於控制空氣單元的溫度、空氣系統中的壓力以及微電網中的頻率。在每項工作中，PID 控制器都能保持系統穩定並降低能耗。

一家製藥廠的研究表明，調節PID溫度可節省23.35%的功耗。過程更快達到目標值，且能耗更低。在空氣系統中，PID使壓力接近目標值，從而節省了能耗。 PID是衡量許多電力作業能耗的有效方法。

PID 控制器讓您輕鬆控制速度、溫度和穩定性。您可以信賴 PID 控制器，它能幫助您完成許多重要的任務。

有刷直流馬達控制器

直流馬達控制器概述

直流馬達控制器可協助您運作有刷直流馬達。您可以使用它來啟動或停止馬達。它可以讓您改變馬達的旋轉方向，還可以調節馬達的轉速。控制器可以改變馬達的速度和強度。大多數控制器使用PWM（脈寬調變）來控制功率。 PWM代表脈衝寬度調變。透過改變PWM，您可以使馬達以不同的速度旋轉。控制器還可以防止馬達過熱或損壞。

有刷直流馬達控制器由多個重要零件組成，包括定子、轉子和換向器。控制器採用 H 橋電路，並配備功率開關（稱為 MOSFET）。這有助於電流以正確的方式流過馬達。您可以在機器人、印表機和CNC工具機中看到這些控制器。它們可以處理類比訊號和數位訊號。數位控制器使用微控制器來運行諸如 PID 之類的智慧控制方法。

方面	簡介
操作功能	啟動/停止、方向、速度、扭力、保護
功率調節	線性或開關（PWM）
控制類型	開環或閉環（附 pid）
電路元件	H橋、MOSFET、感測器
應用領域	機器人、CNC工具機、印表機、電動車

控制方法

您可以使用不同的方法來控制有刷直流馬達。最常用的方式是PWM（脈寬調變）。控制器向馬達發送PWM訊號。這會改變平均電壓並控制馬達的轉速。脈寬調變可以提供良好的控制並節省能源。您可以使用開環控制。在這種情況下，控制器不會檢查馬達的實際轉速。為了獲得更好的控制效果，您可以使用PID閉環控制。 PID控制器會檢查馬達轉速，將其與目標轉速進行比較，然後調整PWM以保持轉速穩定。

PID 在有刷直流馬達控制器中非常重要。使用 PID 可以減少誤差並保持速度穩定。研究表明，使用粒子群優化等智慧方法調整 PID 可以使速度環路更穩定，並降低穩態誤差。 MATLAB 測試表明，PID 控制器在速度控制方面比模糊邏輯控制器效果更好。您也可以使用時間序列分析來根據馬達老化或其他因素的變化調整 PID 設定。這可以使您的控制器更強大。

當您查看有刷直流馬達控制器和無刷直流馬達控制器時，您會發現很大的差異：

方面	有刷直流馬達控制	無刷直流馬達控制
減刑	機械（電刷、換向器）	電子（主動控制電子設備）
驅動電子設備	帶有PWM的簡單H橋	三相橋，先進換向
您的意見	不需要	需要（霍爾感測器或反電動勢）
控制複雜性	低	高（需微控制器或 DSP）
保養	刷子磨損	磨損更少，維護成本更低
性能	噪音更大，效率更低	更安靜、更高效率

有刷直流馬達控制器適用於簡單且經濟的馬達應用。而無刷直流馬達控制器則適用於安靜、有效率且維護成本低的馬達應用。兩種類型的馬達控制器都使用PWM和PID控制，但控制和設定有所不同。選擇合適的控制器並進行調校，您可以很好地控制有刷直流馬達的速度和強度。

現實生活中的實施

實用技巧

如果您遵循有效的步驟，使用 PID 控制器可以獲得良好的效果。首先，了解您的系統。進行開環測試。稍微改變控制器輸出並觀察結果。觀察過程需要多長時間才能做出反應。記下死區時間和變化速度。利用這些數字來確定您的 PID 設定。 Ziegler-Nichols 方法會給出初始值。一次更改一個設定。觀察系統的行為。進行一些小的更改，並檢查是否保持穩定。

提示：一次只更改一項設定。這樣您可以清楚地看到每項變更的效果。

您可以使用特殊工具來更快地調整控制器。這些工具使用規則或模型來選擇PID設定。為了獲得最佳效果，請將這些工具與您自己的知識結合。經常檢查您的控制迴路。尋找規律或突變。使用圖表可以儘早發現問題。

以下是一些現實生活中的例子：

在機器人中，PID 控制器可幫助精確移動手臂和夾爪。您可以控制關閉的動作和重複動作。
在汽車中，PID 可以保障您的安全。防鎖死煞車系統使用 PID 來改變煞車壓力，防止車輪鎖死。
在工廠中，PID 控制溫度、壓力和流量。這可以確保產品的一致性和安全性。

共同挑戰

使用 PID 控制器時，您可能會遇到一些問題。有時，您對系統了解不夠。這可能會導致 PID 控制器工作不正常。在進行調優之前，請務必先了解您的系統。調優不當會導致系統擺動或反應遲緩。如果您發現穩態誤差，請嘗試提高積分增益。微分增益過高會使雜訊更加嚴重。使用濾波器可以解決這個問題。

挑戰	影響	解決方案
流程知識匱乏	PID 效能不佳	研究過程
調音錯誤	搖擺不定、緩慢或偏離目標的控制	改變 pid 增益，再次調整
非線性	控制不穩定或奇怪	嘗試進階控制
噪音放大	輸出不穩定或有噪音	使用濾波器，降低導數

透過檢查資料並調整PID增益，您可以解決大多數問題。使用工具尋找問題所在。持續進行維護和培訓，以避免錯誤。在實際生活中，您可能會看到系統發生變化或以新的方式運作。自適應PID或模型預測控制可以幫助解決這些情況。

注意：當您仔細調整、經常檢查並熟悉您的系統時，Pid 控制器會發揮最佳作用。

的優點和缺點

優勢

控制器為您的系統帶來許多好處。它們可以幫助您更快地實現目標，確保流程穩定安全。控制器會檢查輸出並立即做出調整。即使情況發生變化，這也能幫助您的系統保持正常運作。您無需了解流程的每個細節。您可以使用同一個控制器處理不同的任務，從而節省您的時間和精力。

以下是一些主要優點：

您可以獲得更高精度的溫度、速度和流量。
您的流程將變得更加穩定，更加穩定。
您可以在許多系統中使用一個控制器設計。
由於您不需要為每項工作配備新的控制器，因此可以節省時間。
您無需付出很多額外的努力就能獲得良好的結果。

提示：調整控制器有助於您獲得系統的最佳精度。

限制

控制器也存在一些您應該了解的問題。有時，控制器無法解決所有問題。如果您的流程變化很大，您可能需要經常更改設定。系統中的噪音可能會影響準確性。某些控制器需要仔細調整，否則可能會導致系統擺動或運作緩慢。

查看下表了解常見問題：

局限性	對設計的影響
需要調整	需要時間設定
對噪音敏感	可能會降低準確率
並非對所有系統都適用	可能不適合每個設計
可能導致過衝	可能會損害準確性
需要定期檢查	為您的設計增添工作

注意：請務必在實際系統中測試控制器。這有助於確保獲得所需的精度和穩定性。

PID 的替代方案

開關控制

當您需要一種簡單的方法來使過程接近設定值時，可以使用開關控制。此方法可以像電燈開關一樣完全打開或關閉輸出。例如，家用恆溫器使用開關控制，在房間變冷時打開加熱器，在房間變暖時關閉加熱器。這種方法無法實現平滑的變化。過程經常在設定值上下波動。

小提示: 開關控制最適合不需要高精度的系統。

優點：

易於設置
無需調整
低成本

缺點：

引起振盪
不利於精確控制

模糊邏輯

模糊邏輯控制提供了一種處理難以建模的系統的方法。您可以使用基於人類思維而非數學的規則。例如，您可以設定這樣的規則：「如果溫度稍高，則稍微降低溫度。」當無法用簡單的方程式描述製程時，模糊邏輯非常有效。

獨特之處	模糊邏輯控制	PID控制
設置	使用規則	使用數學術語
靈活性	很高	媒材
調音	需要專家意見	使用公式

注意：在某些情況下，模糊邏輯可以比 PID 更好地處理雜訊和變化。

進階控制

您可以使用先進的控制方法處理複雜系統，包括模型預測控制 (MPC)、自適應控制和神經網路。 MPC 可以預測未來的變化，並在問題發生之前調整控制訊號。自適應控制會隨著系統的變化而改變其設定。神經網路可以從數據中學習，並隨著時間的推移而不斷改進。

Example: 
MPC controls a chemical plant by predicting how the process will react. 
It adjusts the valves before the process drifts away from the setpoint.

當您需要高效能或系統變化較大時，應選擇進階控制。這些方法需要更多的設定和運算能力，但它們可以提供比 PID 更好的結果。

PID 控制器在控制系統中非常重要。它們廣泛應用於工廠、機器人、汽車和發電廠。控制器的每個部分都有其功能。如果您了解它們的工作原理，您就能改進控制器。研究表明，PID 控制器有助於系統保持穩定並降低能耗，還能提高運行速度。您可以嘗試其他控制方法例如模糊邏輯或神經網絡，看看哪種方法效果最好。如果你經常調整控制器並進行檢查，你的系統就能運作良好。

常見問題

PID 代表什麼？

PID 代表比例、積分和微分。您可以使用這三個術語來控制系統對誤差的反應。每個部分都可以幫助您使過程接近目標。

如何調整 PID 控制器？

您可以透過變更 P、I 和 D 值來調整 PID 控制器。從小的調整開始。觀察系統的反應。使用像 Ziegler-Nichols 這樣的方法是一個不錯的起點。

提示：為了獲得最佳效果，請一次更改一個設定。

您在哪裡使用 PID 控制器？

PID 控制器的應用非常廣泛，例如工廠、機器人、汽車和發電廠。它們可以幫助您控制溫度、速度、壓力和流量。

應用類型	例
機器人	馬達速度控制
行業	溫度控制
電力系統	頻率調節

為什麼我的 PID 控制器會引起振盪？

如果增益過高，PID 控制器可能會引起振盪。您應該降低比例或積分增益。檢查系統中是否存在噪音。如有需要，請使用濾波器。

您可以將 PID 用於非線性系統嗎？

PID 可以用於某些非線性系統，但它可能並非對所有系統都適用。對於複雜系統，可以嘗試模糊邏輯或模型預測控制等高階控制方法。