关于PID问题的探讨

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前面有网友发过类似讨论贴，认为PID控制中往往只需要用PI架构的程序，PID架构显得有些多余。确实在一些恒压恒流的项目工程中，PI架构的程序显得比PID的调试过程更顺畅，调试结果也能满足控制要求。我这里分享两个用PID结构的程序案例，两个PI结构的程序案例(简单介绍），供大家交流探讨一下。

项目1（PID)：这个项目是我之前发的贴子中的其中一个类似的工程，基本工艺是差不多的：用风机PID控制管路中介质电位值的项目，有两台风机一用一备，管路中介质为沼气，此系统主要是为了处理沼气的杂质，使沼气性质稳定后为燃烧发电提供燃料，管路中安装了一台电位计来测试电位值，风机的作用就是增压空气，将空气抽进管路参与生物反应，使得管路中电位值达到工艺要求。此系统刚一开始尝试过用PI架构，调试很多天，发现控制始终是慢一拍，想了很多办法均不奏效，后来改用PID架构，才最终达到控制要求。其余的不罗嗦了，因为本文主要目的是探讨两个架构的区别。这个类型的项目PID结构与PI结构最大的区别在于，PID结构程序可以提前预判过程值出现波动的时间点，这个提前预判非常关键，因为整个自整定参数的周期时间非常长，现场过程值干扰源也比较多，且现场环境复杂（潮湿微酸）环境，过程值量程大（-500，0）采用的是电流信号4-20mA,生物反应时间不稳定，测量的位置又是一个介质流动速度较快且不均匀的位置，这些因素都会影响过程值采集的精度。前期我们用的是普通规格探针，后来没多久探针就被腐蚀了，后来改用了进口铂金探针。下图为流程图。

项目2(PID)：这个项目是用调功器控制加热的功率来达到控制溶液温度的目的。这个不同于一般的加热器项目，不是直接控制加热棒，而是控制调功器的输出功率，功率给定值就是PID的输出值，为4-20MA的模拟量信号这个项目的温度过程值为0-300，也是4-20的电流信号。在参数的整定过程中，温度上升很慢，需要的溶液温度要在180到200摄氏度，由于温度过程值采集点液体流动速度非常快导致温度值不稳定（这个程序中做了一定的数据处理），整个参数自整定的过程长达一个小时以上，有时候超过两个小时（由于环境温度影响）。用PI结构的话，无法对温度过程值变化提前捕捉预判，用PID结构后，很明显效果好很多。以下为简易流程图，TT01为温度过程值检测。

项目3（PI）：这是一个上海某银行楼宇系统冷却水供水的项目，也就是众所周知的恒压供水。此控制采用PI结构，供水压力为过程值，变频器频率给定为PID程序的模拟量输出。这个控制简单直接，整定过程也很快，PI结构效果很好，检测值也比较精准，几乎没有花太多的心思在程序上。

项目4（PI):这是一个安徽某自来水厂的项目，同样也是恒压供水。大体情况与项目3差不多，用的是老款200的plc。参数自整定过程非常快捷顺畅，PI结构程序完全达到控制要求。

个人总结：PI结构的程序适合用于输出控制量与过程值变化呈现非常明显的线性关系，或者环境比较可控的情况下，例如恒压供水，变频器频率升高，压力过程值几秒钟就会上升，非常简单直接。PID结构则适用于过程值与控制量的关系比较难以捕捉，环境复杂，不可控因素相对较多的情况。其实不同的调试场合都会有区别于其它项目的个例情况，调试要做到因地制宜。

以上是个人调试过的几个项目，供大家讨论，特别欢迎大咖们给出指导意见。

来源：西门子工业技术论坛

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其实，前两个PID实例的共同特点就是反馈回路中的实际值延迟滞后（元件的时间常数太大、滤波处理等原因）。
而后两个PI实例的共同点就是反馈回路的实际值延迟滞后很小。
这个延迟滞后实际上将导致相位变大（波特图），当延迟接近180度时，就变成正反馈了。系统就会震荡。
所以，这里加入微分环节，是起到校正的作用（相位前移）。
后面PI调节系统，假定：其他不变，仅实际值传感器测量信号延迟，比如某种低速通讯，500毫秒才能送达，一去一回1秒；这时，单纯的PI可能就震荡了。加入微分环节去矫正，会起到一定的作用。

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微分的作用就是制造一个瓶颈环节。它可以与受控过程本身的实际物理瓶颈匹配，使能量的注入符合过程的时间特性。微分用来滤波也是利用它的瓶颈作用。
如果是比较刚性，也就是能量传输通畅的过程，微分就不用了。
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如果忽略过程值反馈的干扰因素，也就是过程值可以认为是真实的，那么误差的变化就可以被看作是PID的能量输出驱动的结果。
现实的受控过程，都是能量注入、传输和做功的物理过程。而能量的传输都存在泄露和滞留。
如果这些阻碍因素对于PID驱动的功率等级而言，是无法忽略的，那么它们就会明显表现为过程值变化的延迟，也就是过程的反应会表现迟滞。
也就是说，当前的误差变化，是先前一段时间的PID输出积累的结果，而这一点P和I都是不考虑的。所以单纯的P和I输出分量会与当前的实际需求脱节。
所说的微分的预测作用，就是当前的P和I的输出分量与实际需求的差距，原本会在一段时间之后才表现出来，而D的作用就是提前把它们抵消或增强一部分，消除这个差距。
延迟的场景中，单纯的PI会产生振荡。也就是当前需要输出变小的时候，它却在增大。等它增大了，当前的实际需求却是要它变小，总是差一拍对不上。D就是补偿这个。
动态控制或者体育运动中的很多带反馈或者互动的场景，如果没有预判，会把情形怼死，陷入动态僵持。这样的情况不少见，也是类似的道理。
动态过程的频率特性，反映的是相位与空间的匹配程度。也就是动态变化中的能量，在时间中的分布形式，对于变化所处空间的特征是非常敏感的。
振荡和阻尼都是能量的表现形态。