PID调节是过程控制中应用得十分普遍的一种控制方式，它是使控制系统的被控物理量能够迅速而准确地无限接近控制目标的基本手段。

PID调节的解释如下：比例运算（P）是指输出控制量与偏差的比例关系；积分运算（I）的目的是消除静差，只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动；比例作用和积分作用是对控制结果的修正动作，响应较慢；微分作用（D）是为了消除其缺点而补充的，微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程尽快恢复到原来的控制状态，微分时间是表示微分作用强度的单位。

与一般的以转速为控制对象的变频系统不同，涉及流体工艺的变频系统通常都是以流量、压力、温度、液位等工艺参数为控制量，实现恒量或变量控制，这就需要变频器工作于PID方式下，按照工艺参数的变化趋势来调节泵或风机的转速。

在大多数的流体工艺或流体设备的电气系统设计中，PID控制算法是设计人员常常采用的恒压控制算法。常见的PID控制器控制形式主要有3种：1）硬件型，通用PID控制器；2）软件型，使用离散形式的PID控制算法，在可编程序控制器上做PID功能块；3）使用变频器内置PID控制功能，相对前两者来说，第3）种叫内置型。

1.PID控制器

现在的PID控制器多为数字型控制器，具有位控方式、数字PID控制方式以及模糊控制方式，有的还具有自整定功能，如富士PXR系列温度PID控制器（见图4-2）、欧陆2200系列PID控制器就属此类型。此类PID控制的输入／输出类型都可通过设置参数来改变，考虑到抗干扰性，一般将输入／输出类型都设定为4～20mA电流类型。

图4-3所示为以PID调节器构成的闭环压力调节系统，压力的给定值由PID的面板设定，压力传感器将实际的压力变换为4～20mA的压力反馈信号，并送入PID温控器的输入端。PID温控器将输入的模拟电流信号经数字滤波、A／D转换后变为数字信号，一方面作为实际压力值显示在面板上，另一方面与给定值作差值运算。偏差值经数字PID运算器运算后输出一个数字结果，其结果又经D／A转换后，在PID温控器的输出端输出4～20mA的电流信号去调节变频器的频率，变频器再驱动水泵电动机，使压力上升。当给定值大于实际压力值时，PID控制器输出最大值20mA，压力迅速上升，当给定值刚小于实际压力值时，PID控制器输出开始退出饱和状态，输出值减小，压力超调后也逐渐下降，最后压力稳定在设定值处，变频器频率也稳定在某个频率附近。

图4-2 富士PXR温度PID控制器

图4-3 以PID调节器构成的闭环压力调节系统

这种PID控制形式的主要优点有：操作简单、功能强大、动态调节性能好，适用于选用的变频器性能不是很高的应用场合，同时控制器还具有传感器断线和故障自动检测功能。缺点是：PID调节过于频繁，稳态性能稍差，布线工作量大。

2.软件型PID

喜欢使用PLC指令编程的设计者通常自己动手编写PID算法程序，这样可以充分利用PLC的功能。在连续控制系统中，模拟PID的控制规律形式为

式中，e（t）为偏差输入函数；u（t）为调节器输出函数；K_p为比例系数；T_i为积分时间常数；T_D为微分时间常数。

由于式（4-1）为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。式（4-1）经离散化后的差分方程为

式中，T为采样周期；k为采样序号，k=0，1，2…i，…k；e（k）为采样时刻k时的偏差值；e（k－1）为采样时刻k－1时的偏差值。

软件型PID可采用与PLC直接连接的文本显示器或触摸面板输入参数和显示参数（见图4-4）。这种形式的PID控制器的优点是控制性能好、柔性好，在调节结束后，受控量十分稳定，信号受干扰小，调试简单，接线工作量少，可靠性高。不足是编程工作量增加，需增加硬件成本。

图4-4 软件型PID控制系统框图(www.daowen.com)

在软件型PID调试时，要尽量设置短的变频器的上升时间和下降时间。同时在编程设计中必须防止计算结果值溢出，以避免造成控制失控，而且还要编写校正传感器零点和判断其是否正常的功能程序。

3.变频器内置PID

正由于PID功能用途广泛、使用灵活，使得现在变频器的功能大都集成了PID，简称“内置PID”，使用中只需设定三个基本参数（K_p，T_i和T_d）即可。

变频器的内置PID控制原理如图4-5所示。

图4-5 变频器内置PID控制原理

在很多情况下，变频器内置PID并不一定需要全部比例、积分和微分三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。比如在恒压供水控制中，因为被控压力量不属于大惯量滞后环节，因此只需PI功能，D功能可以基本不用。

使用变频器的内置PID功能，首先必须设定PID功能有效，然后确定PID控制器的信号输入类型，如采用有反馈信号输入，则要求有设定值信号，设定值可以为外部信号，也可以是面板设定值；如采用偏差输入信号，则无须输入设定值信号。

图4-6 设定值为面板输入、反馈信号为电流信号的内置PID接线

以下是通用变频器的两种输入信号接线，如图4-6和图4-7所示。图中DI1与COM短接表示PID功能有效。

要使变频器内置PID闭环正常运行，必须首先选择PID闭环选择功能有效，同时至少有两种控制信号：1）给定量，它是与被控物理量的控制目标对应的信号；2）反馈量，它是通过现场传感器测量的与被控物理量的实际值对应的信号。图4-8所示就是通用变频器PID控制原理图。

PID调节功能将随时对给定量和反馈量进行比较，以判断是否已经达到预定的控制目的。具体地说，它将根据两者的差值，利用比例（P）、积分（I）、微分（D）的手段对被控物理量进行调整，直至反馈量和给定量基本相等，达到预定的控制目标为止。

图4-7 输入为差值的变频器内置PID接线

图4-8 通用变频器PID控制原理图

图4-9所示为通用变频器内置PID的控制校准过程。

要点

比较三种不同类型的PID，内置型PID的优点很明显，成本低，控制性能较好，设置的参数少，接线工作量较少，抗干扰性最好。缺点是这种PID也属软件型PID，响应较慢，易出现超调现象；压力的设置和显示不直观。调试应尽量设置短的变频器的上升时间和下降时间，使用面板设定设置值时，设定的是设置值与传感器量程的相对值，设置正确的PID动作方向。