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【正文】 先要做的是測(cè)量過(guò)程流體的出口溫度，這一任務(wù)由傳感器(熱電偶、熱電阻等 )完成。將傳感器連接到變送器上，由變送器將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為足夠大的信號(hào)傳送給控制器。控制器接收與溫度相關(guān)的信號(hào)并與期望值比較。根據(jù)比較的結(jié)果，控制器確定保持溫度為期望值的控制作用。基于這一結(jié)果，控制器再發(fā)一信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制蒸汽流量。 下面介紹控制系統(tǒng)中的 4種基本元件，分別是： (1)傳感器，也稱為一次元件。 (2)變送器，也稱二次元件。 (3)調(diào)節(jié) 器，控制系統(tǒng)的“大腦”。 (4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常是一個(gè)控制閥，但并不全是。其他常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有變速泵、傳送裝置和電動(dòng)機(jī)。 這些元件的重要性在于它們執(zhí)行每個(gè)控制系統(tǒng)中都必不可少的 3 個(gè)基本操作，即： (1)測(cè)量：被控量的測(cè)量通常由傳感器和變送器共同完成。 (2)決策：根據(jù)測(cè)量結(jié)果，為了維持輸出為期望值，控制器必須決定如何操作。 (3)操作 : 根據(jù)控器的處理 ,系統(tǒng)必須執(zhí)行某種操作 ,這通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成 . 如上所述 ,每個(gè)控制系統(tǒng)都有 M,D 和 A這 3種操作 . 有些系統(tǒng)的決策任務(wù)簡(jiǎn)單 ,而有些很復(fù)雜 .設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的工程師必須確保所采取確保所采取的操作能影響被控變量 ,也就是說(shuō) ,該操作要影響測(cè)量值 .否則 ,系統(tǒng)是不可控的 ,還會(huì)帶來(lái)許多危害 . PID 控制器可以是獨(dú)立控制器（也可以叫做單回路控制器），可編程控制器（ PLCs）中的控制器，嵌入式控制器或者是用 Vb或 C編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)程序軟件。 PID 控制器是過(guò)程控制器，它具有如下特征： 連續(xù)過(guò)程控制； 模擬輸入（也被稱為“測(cè)量量”或“過(guò)程變量”或“ PV”）； 模擬輸出（簡(jiǎn)稱為“輸出”）； 基準(zhǔn)點(diǎn)（ SP）； 比例、積分以及 /或者 微分常數(shù)； “連續(xù)過(guò)程控制”的例子有溫度、壓力、流量及水位控制。例如：控制一個(gè)容器的熱量。對(duì)于簡(jiǎn)單的控制，你使用兩個(gè)具有溫度限定功能的傳感器 (一個(gè)限定低溫，一個(gè)限定高溫 )。當(dāng)?shù)蜏叵薅▊鞲衅鹘油〞r(shí)就會(huì)打開(kāi)加熱器，當(dāng)溫度升高到高溫限定傳感器時(shí)就會(huì)關(guān) 加熱器。這類似于大多數(shù)家庭使用的空調(diào)及供暖系統(tǒng)的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器。 反過(guò)來(lái)， PID 控制器能夠接受像實(shí)際溫度這樣的輸入，控制閥門(mén)，這個(gè)閥門(mén)能夠控制 進(jìn)入加熱器的氣體流量。 PID 控制器自動(dòng)地找到加熱器中氣體的合適流量，這樣就保持了溫度在基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定。溫度穩(wěn)定了，就不會(huì)在高低兩點(diǎn)間上下跳動(dòng)了。如果基準(zhǔn)點(diǎn)降低， PID控制器就會(huì)自動(dòng)降低加熱器中氣體的流量。如果基準(zhǔn)點(diǎn)升高， PID 控制器就會(huì)自動(dòng)的增加加熱器中氣體的流量。同樣地，對(duì)于高溫，晴朗的天氣 (當(dāng)外界溫度高于加熱器時(shí) )及陰冷，多云的天氣， PID 控制器都會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)。 模擬輸入 (測(cè)量量 )也叫做“過(guò)程變量”或“ PV39?！Ｄ阆Ｍ?PV 能夠達(dá)到你所控制過(guò)程參數(shù)的高精確度。例如，如果我們想要保持溫度為 +1 度或 — 1度，我們至少要為此努力，使其 精度保持在 0． 1度。如果是一個(gè) 12位的模擬輸入，傳感器的溫度范圍是從 0 度到 400 度，我們計(jì)算的理論精確度就是 4096 除 400 度=0． 097656 度。我們之所以說(shuō)這是理論上因?yàn)槲覀兗俣囟葌鞲衅鳎娋€及模擬轉(zhuǎn)換器上沒(méi)有噪音和誤差。還有其他的假定。例如，線性等等。即使是有大量的噪音和其他問(wèn)題，按理論精確度的 1／ 10 計(jì)算， 1度精確度的數(shù)值應(yīng)該很容易得到的。 模擬輸出經(jīng)常被簡(jiǎn)稱為“輸出”。經(jīng)常在 0％到 100％之間給出。在這個(gè)熱量的例子中閥門(mén)完全關(guān)閉 (0％ )，完全打開(kāi) (100％ )。 基準(zhǔn)點(diǎn) (SP)很簡(jiǎn) 單，即你想要什么樣的過(guò)程量。在這個(gè)例子中一你想要過(guò)程處于怎樣的溫度。 PID 控制器的任務(wù)是維持輸出在一個(gè)程度上，這樣在過(guò)程變量 (PV)和基準(zhǔn)點(diǎn)(SP)上就沒(méi)有偏差 (誤差 )。 在圖 3中，閥門(mén)用來(lái)控制進(jìn)入加熱器的氣體，冷卻器的制冷，水管的壓力，水管的流量，容器的水位或其他的過(guò)程控制系統(tǒng)。 PID 控制器所觀察的是 PV和 SP 之間的偏差 (或誤差 )。它觀察絕對(duì)偏差和偏差變換率。絕對(duì)偏差就是一 39。PV 和 SP 之間偏差大還是小。偏差變換率就是 ——PV和 SP 之間的偏差隨著時(shí)間的變化是越來(lái)越小還是越來(lái)越大。 如果存在過(guò)程擾動(dòng)，即過(guò)程變量或基準(zhǔn)點(diǎn)變化時(shí)一 PID 控制器就要迅速改變輸出，這樣過(guò)程變量就返回到基準(zhǔn)點(diǎn)。如果你有一個(gè) PID控制的可進(jìn)入的冷凍裝置，某個(gè)人打開(kāi)門(mén)進(jìn)入，溫度 (過(guò)程變量 )將會(huì)迅速升高。因此， PID 控制器不得不提高冷度 (輸出 )來(lái)補(bǔ)償這個(gè)溫度的升高。 一旦過(guò)程變量等同于基準(zhǔn)點(diǎn)，一個(gè)好的 PID 控制器就不會(huì)改變輸出。你所要的輸出就會(huì)穩(wěn)定 (不改變 )。如果閥門(mén) (發(fā)動(dòng)機(jī)或其他控制元件 )不斷改變，而不是維持恒量，這將造成控制元件更多的磨損。 這樣就有了兩個(gè)矛盾的目標(biāo)。當(dāng)有“過(guò)程擾動(dòng)”時(shí)能 夠快速反應(yīng) (快速改變輸出 )。當(dāng) PV 接近基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)就緩慢反應(yīng) (平穩(wěn)輸出 )。 我們注意到輸出量經(jīng)常超過(guò)穩(wěn)定狀態(tài)輸出使過(guò)程變量回到基準(zhǔn)點(diǎn)。比如，一個(gè)制冷器通常打開(kāi)它的制冷閥門(mén)的 34％，就可以維持在零度 (在制冷器關(guān)閉和溫度降低后 )。如果某人打開(kāi)制冷器，走進(jìn)去，四處走，找東西，然后再走出來(lái)，再關(guān)上制冷器的門(mén) PID 控制器會(huì)非常活躍，因?yàn)闇囟瓤赡軐⑸仙?20度。這樣制冷閥門(mén)就可能打開(kāi) 50％， 75％甚至 100％ —— 目的是趕快降低制冷器的溫度 —— 然后慢慢關(guān)閉制冷閥門(mén)到它的 34％。 讓我們思考一 下如何設(shè)計(jì)一個(gè) PID 控制器。 我們主要集中在過(guò)程變量 (PV)和基準(zhǔn)點(diǎn) (SP)之間的偏差 (誤差 )上。有三種定義誤差的方式。 絕對(duì)偏差 他說(shuō)明的是 PV 和 SP之間的偏差有多大。如果 PV和 SP之間偏差小 —— 那我們就在輸出時(shí)作一個(gè)小的改變。如果 PV和 SP之間偏差大 —— 那我們就在輸出時(shí)作一個(gè)大的改變。絕對(duì)偏差就是 PID 控制器的比例環(huán)節(jié)。 累積誤差 給我們點(diǎn)兒時(shí)間，我們將會(huì)明白為什么僅僅簡(jiǎn)單地觀察絕對(duì)偏差 (比例環(huán)節(jié) )是一個(gè)問(wèn)題。累積誤差是很重要的，我們把它稱為是 PID 控制器的積分環(huán)節(jié)。每次我們運(yùn)行 PID 算法時(shí)，我們總會(huì)把最近的誤差添加到誤差總和中。換句話說(shuō)，累積誤差二誤差 1+誤差 2+誤差 3+誤差 4+?。 滯后時(shí)間 滯后時(shí)間指的是 PV 引起的變化由發(fā)現(xiàn)到改變之間的延時(shí)。典型的例子就是調(diào)整你的烤爐在合適的溫度。當(dāng)你剛剛加熱的時(shí)候，烤爐熱起來(lái)需要一定時(shí)間。這就是滯后時(shí)間。如果你設(shè)置一個(gè)初始溫度，等待烤爐達(dá)到這個(gè)初始溫度，然后你認(rèn)為你設(shè)定了錯(cuò)誤的溫度，烤爐達(dá)到這個(gè)新的溫度基準(zhǔn)點(diǎn)還需要一段時(shí)間。這也就被認(rèn)為是 PID 控制器的微分環(huán)節(jié)。這就抑制了某些將來(lái)的變化因?yàn)檩敵鲋狄呀?jīng)發(fā)生了改變，但并不是受過(guò)程變量的影 響。 絕對(duì)偏差／比例環(huán)節(jié) 有關(guān)設(shè)計(jì)自動(dòng)過(guò)程控制器，人們最初想法之一是設(shè)計(jì)比例環(huán)節(jié)。意思就是，如果 PV 和 SP 之間的偏差很小 —— 那么我們就在輸出處作一個(gè)小的修改；如果PV和 SP 之間的偏差很大 那么我們就在輸出處作一個(gè)大的修改。當(dāng)然這個(gè)想法是有意義的。 我們?cè)?MicrosoftExcel 僅對(duì)比例控制器進(jìn)行仿真。圖 4 是顯示首次仿真結(jié)果的表格。 (滯后時(shí)間二 0，只含比例環(huán)節(jié) ) 比例、積分控制器 PID 控制器中的積分環(huán)節(jié)是用來(lái)負(fù)責(zé)純比例控制器中的補(bǔ)償問(wèn)題的。我們有另外一個(gè) Excel 的擴(kuò)展表格 ，表格上仿真的是一個(gè)具有比例積分功能的 PID 控制器。這里 (Pig． 5)是比例積分控制器最初的仿真表格 (滯后時(shí)間＝ 0，比例常數(shù)二0． 4)。 眾所周知，比例積分控制器要比僅有比例功能的比例控制器好得多，但是等于 0 的滯后時(shí)間并不常見(jiàn)。 微分控制 微分控制器考慮的是：如果你改變輸出，那么要在輸入 (PV)處反映這個(gè)改變就需要些時(shí)間。比如，讓我們拿烤爐的加熱為例。 如果我們?cè)龃髿怏w的流量，那么從產(chǎn)生熱量，熱量分布烤爐的四周，到溫度傳感器檢測(cè)升高的溫度都將需要時(shí)間。 PID 控制器中微分環(huán)節(jié)具有抑制功能， 因?yàn)橛行囟仍隽繒?huì)在以后不需要的情況下產(chǎn)生了。正確地設(shè)置微分系數(shù)有利于你對(duì)比例系數(shù)和積分系數(shù)的確定。