模拟电路设计系列讲座二十四：PID控制策略
有人让讲一下控制系统中的pid，本文就简要介绍一下pid基本控制策略。pid控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛用于工业控制当中。
常规pid控制系统原理框图如下，该系统由模拟pid控制器以及被控对象组成。
pid控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差：
e(t)=r(t)-y(t)
将偏差的比例（p）、积分（i）和微分（d）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称pid控制器。其控制规律为：
式中：
kc - 比例系数
ti - 积分时间常数
td - 微分时间常数
一：pid 控制特点
原理简单，使用方便
适应性强：可以广泛应用于各个工业控制领域
鲁棒性强：即其控制品质对被控对象特征的变化不大敏感
二：pid比例环节
p调节对偏差信号e(t)能够及时作出反应，无任何丝毫的滞后。
输出u实际上是对起始值的增量，因此，当偏差e(t)为0时，u=0，并不意味着调节器没有输出，只说明此时u=u0。
u0的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。
简单来说，对于比例环节，偏差一旦产生，控制器就会立即产生控制作用，以减少偏差。
三：积分环节
i调节器的输出不仅与偏差信号的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。
只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化，直到偏差为零，调节器的输出才稳定下来不再变化。
所以积分调节作用能自动消除余差。
注意i调节的输出不像p调节那样随偏差为零而变到零。
积分调节的特点就是无差调节，只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就要动作到把被调量的静差完全消除为止。而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输出就保持不变。
积分调节具有滞后性质，对于同一个被控对象，i调节比p调节进行得要缓慢，除非积分速度无穷大，否则i调节就不能像p调节那样及时对偏差加以响应，而是滞后于偏差的变化，它的滞后性使其难以对干扰进行及时控制。
所以在工业控制中，积分环节通常和其他控制策略一起使用。
简单来讲，积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数ti，ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
p调节与i调节比较
p调节及时性强，但有余差；
i调节无余差，但超调大，不如p稳定。
四：微分环节
微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。
p和i是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作（即偏差的方向和大小进行调节）。
微分调节是根据偏差信号的微分，即偏差变化的速度而动作的。只要偏差一露头，调节器就立即动作，以求更好的调节效果，而偏差如没有变化，微分调节就不起作用。
微分调节只是对偏差的变化做出调节，而与偏差的大小无关，所以微分调节不能消除余差。因此微分调节不能单独使用。
简单来讲，微分环节能够反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
五：总结
pid是比例、积分、微分的缩写proportional-integral-differential。比例作用的输出与偏差大小成正比；积分作用的输出变化速度与偏差成正比；微分作用的输出与偏差变化速度成正比。
比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差。但是过大的比例，会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的振荡。
积分调节作用：是使系统消除稳态误差，积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越小，积分作用就越强。反之，积分作用就越弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用通常与另外两种调节规律结合，组成pi调节器或pid调节器。
微分调节作用：微分作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此可以改善系统的动态性能，在微分时间常数选择合适的情况下，可以减少超调减少调节时间。当然，微分调节对于噪声信号也有放大作用，因此过强微分调节，对系统抗干扰不利。另外微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。
下一节将介绍控制理论中很重要的一个环节，电流采样、比例放大以及电流采样环节的误差分析。
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