自18世紀(jì)末以來，負反饋就被用于連續(xù)過程控制。詹姆斯·瓦特(James Watt)使用飛球調(diào)速器在他著名的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降得過低時自動增加蒸汽，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升得過高時，自動節(jié)流蒸汽。
這個簡單的平衡行為仍然是今天過程控制器的基本功能:測量過程變量。從設(shè)定值中減去它就可以得到偏差。如果偏差為正，則應(yīng)用控制努力向上驅(qū)動過程變量;如果偏差為負，則應(yīng)用控制努力向下驅(qū)動過程變量。重復(fù)，直到偏差被消除。
PID控制器設(shè)計的棘手部分是計算出控制器在每種情況下應(yīng)該對過程應(yīng)用多少糾正動作。比例控制器只是簡單地將偏差乘以一個常數(shù)來計算它的下一個輸出。瓦特的飛球調(diào)速器是根據(jù)一個常數(shù)機械地做到這一點，這個常數(shù)是由設(shè)備的幾何形狀和一個可調(diào)節(jié)的固定螺釘?shù)奈恢脹Q定的。
不幸的是，比例控制器往往會在成功地將過程變量足夠接近設(shè)定值時停止工作。它將確定一個固定的輸出，使偏差處于一個小但非零的值。
積分作用
20世紀(jì)30年代，控制工程師發(fā)現(xiàn)，通過將設(shè)定值自動重置到一個人為的高值，可以完全消除這種偏差。這個想法是讓比例控制器追求人工設(shè)定值，這樣當(dāng)控制器停止工作時，實際偏差將為零。他們通過緩慢提高(或降低)人工設(shè)定值來實現(xiàn)這一點，只要實際偏差保持非零。
碰巧的是，這種自動重置操作在數(shù)學(xué)上等同于對偏差進行積分，并將其總和加到控制器的比例項的輸出中。結(jié)果是一個比例積分(PI)控制器將繼續(xù)產(chǎn)生一個不斷增加的輸出，直到偏差被消除。
不幸的是，積分作用并不能保證完美的反饋控制。如果積分動作過于激進，PI控制器可能導(dǎo)致閉環(huán)不穩(wěn)定。控制器可能會對一個偏差進行過度校正，并在相反的方向上創(chuàng)建一個更大的新偏差。當(dāng)這種情況發(fā)生時，控制器將最終開始在完全開啟和完全關(guān)閉之間來回驅(qū)動輸出，這種現(xiàn)象被稱為“振蕩”。
微分作用
有時可以通過添加微分作用來補救振蕩。在全比例-積分-微分(PID)控制器中，微分項只有在偏差發(fā)生變化時才有活動。如果設(shè)定值是常數(shù)，則只有當(dāng)過程變量開始遠離或接近設(shè)定值時，偏差才會發(fā)生變化。如果控制器之前的努力導(dǎo)致過程變量過快接近設(shè)定值，這將特別有幫助。由微分作用動作提供的減速減少了超調(diào)和振蕩的可能性。
不幸的是，如果微分作用特別激進，它可能會急剎車，導(dǎo)致自我振蕩。這種效應(yīng)在對控制器的努力做出快速反應(yīng)的過程中尤其明顯，如電機和機器人。
在由于新設(shè)定值而導(dǎo)致偏差突然變化的情況下，微分作用也傾向于在控制器的輸出中添加一個戲劇性的峰值或“沖擊”。這迫使控制器立即開始采取糾正行動，而無需等待積分或比例行動生效。與兩項PI控制器相比，一個完整的PID控制器甚至可以預(yù)測最終需要在新設(shè)定值上維持過程變量的努力程度。事實上，當(dāng)泰勒儀表著名的Fulscope第一次引入這三個術(shù)語時，微分項被標(biāo)記為“預(yù)動作”。
使用修正的為微分項消除了在設(shè)定值改變時微分作用中出現(xiàn)的尖峰。然而，如果設(shè)定值在階躍變化之間波動，修正的微分項將產(chǎn)生偏差的結(jié)果。
對于包含噪聲測量的應(yīng)用程序來說，微分作用也是一個問題。每當(dāng)過程變量出現(xiàn)變化時，微分項將對控制器的輸出作出貢獻。即使實際的過程變量已經(jīng)達到設(shè)定值，控制器也可能最終采取糾正措施。幾乎所有的現(xiàn)代控制器都提供了一個濾波選項，以呈現(xiàn)一個更加平滑的微分項的輸入。
總之，許多控制工程師認為微分作用的麻煩多于它的價值。盡管如此，到20世紀(jì)50年代中期，完全比例-積分-微分(PID)控制器已經(jīng)
成為最先進的控制器，并一直占據(jù)主導(dǎo)地位。它適用于大多數(shù)過程控制應(yīng)用(有或沒有微分作用)，相對容易實現(xiàn)，其基本工作原理很容易理解。
作者：馮少輝
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