我們在科學研究中經常用到的一個實驗方法就是在不同溫度下測量材料的物理性質。一般地，我們以液氮或者液氦作為低溫介質，透過一個加熱器（一般是電阻或者電阻絲）通電流進行加熱便可以得到不同的溫度，這就是電加熱控溫。透過電加熱溫控我們可以得到室溫和液氮溫度或者液氦溫度之間的各種溫度，是一種很實用的測量手段。

控溫的方法一般有兩種，一種是手動控溫，還有一種就是自動控溫。手動控溫就是透過手動改變加熱器的電流來達到不同的溫度，自動控溫就是題主這裡提到的PID控溫。

圖1. PID控制示意圖

PID控制其實是控制系統中最常見也是很重要的一個控制方法，廣泛用於工業控制系統和各種其他需要連續調節控制的控制迴路反饋機構。 。這裡的PID分別指的是比例、積分和微分控制。每一部分的控制都有一定的作用。在負反饋的PID控制中，比例控制的輸出訊號和感溫元件的偏差成正比，這種調節方式的問題是會存在靜差，即得到的結果和設定值之間有一個固定的差值。如果這時候我們加入積分調節，輸出訊號便會隨時間緩慢上升，這相當於輸入訊號對時間的一種累積效果。用PI調節時，能消除靜差，而且調節過程平穩，但缺點是花費時間較長；這個時候我們再加入微分調節，便可以使調節過程加快，這時候帶來的問題是容易引起溫度的振盪。PID三種方式結合起來時，我們調節三種不同的引數，便可以使調節過程即平穩又迅速。

圖2. 一種老式的PID控制器

圖3. lakeshore生產的控溫儀

PID控溫其實是屬於閉環自動控制技術，那麼閉環自動控制技術都是基於反饋的概念以減少不確定性，反饋有三個元素，測量、比較和執行。測量關鍵的是被控變數的實際值，與期望值相比較，用這個偏差來糾正系統的響應，執行調節控制。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制即為PID控制。

PID是比例、積分、微分的簡稱，PID控制原理是被控物件的輸出會返送回來影響控制器的輸入，形成一個或多個閉環系統。PID控制系統有正反饋和負反饋，若反饋訊號與系統給定值訊號相反為負反饋，若極性相同為正反饋，一般PID控制系統均採用負反饋控制系統。

以PID控制爐溫控制來理解，用熱電偶檢測爐溫並反饋到溫控儀，用溫度顯示儀顯示溫度值。在溫控儀給上爐溫一個溫度給定值，並與爐溫反饋值比較，得到溫度的誤差值。然後溫控儀會自動調節加熱的電流，使爐溫保持在給定值附近。

溫度不比壓力、流量、液位被控變數的控制，因為溫度傳遞存在滯後性。其中就涉及到滯後時間這個物件特性，一般有純滯後、容量滯後。前者一般指工藝段物料傳輸需要時間引起的，後者一般指被控物件的熱交換、物料連續經過多個容器才能建立一個穩定訊號需要時間引起的。明瞭點就是溫度的真實值一下子反應不出來要等下才能顯示真實值。

在溫度閉環控制中，為了解決這個問題就要用PID溫度控制器。關鍵用的還是PID中的D（微分控制），微分控制的作用就是超前控制。假設現在有個物料溫度需要控制，想控制在35℃（35℃就是目標值）。PID控制有P、PI、PD、PID等控制，又考慮到被控變數是溫度，因此需要選用PID控制。

溫度感測器檢測到溫度，此時得到的溫度值會跟目標值（35°）比較得到偏差，然後控制器判斷快速做出處理判斷髮出訊號執行器調節溫度，此時會得到一個新的動態溫度穩態值，溫度感測器又會把此值訊號傳送給控制器跟目標值比較得到一個餘差，那麼需要I積分控制介入，溫度控制器處理判斷後再次發出訊號執行器調節溫度，達到新動態穩定後，把新的穩態值傳輸給控制器跟目標值比較後還是控制不理想需要D微分控制的介入。因此PID引數整定是一個枯燥無味的過程，有時想提高控制質量找到理想的PID三個控制引數值花費不少功夫。

要實現溫度控制動態穩定在35°附近，需要進行PID引數整定。先比例後積分，最後用微分。溫度控制儀可以自動整定PID，也可以手動整定PID。

這兩期節目解釋了PID控制爐溫的原理，可以說解釋得非常顯然啦。

說到PID，每個人心目中的第一個影象就是比例微體積的倒數。但直截了當地說，許多人並不是很瞭解它。事實上，我們應該根據每個值的定義來理解它。分離PID的三個引數：P、I和D，然後分別理解它們，從而瞭解PID溫度控制的原理。

PID模組的操作非常簡單。它可以透過設定以下四個引數來精確控制溫度：

1.溫度設定。

2.P值。

3.I值。

4.D值。

PID模組溫度控制精度主要受P、I、D三個引數的影響，P代表比例，I代表積分，D代表微分。PID模組的溫度控制精度主要受P、I和D三個引數的影響。P代表比例，I代表積分，D代表微分。

一種。

比例運算(P)

比例控制是一種與設定值(SV)有關的操作，其運算值(控制輸出)是根據偏差得到的。如果當前值(PV)較小，則操作值為100%。如果當前值在比例帶中，則根據偏差比率計算操作值，並逐漸減小直到SV和PV匹配(即，直到偏差為0)，然後操作值返回到上一個值(前饋操作)。如果發生靜態誤差(殘差)，可以用P法來減小殘差。如果P太小，它就會振盪。

積分運算(I)

採用積分與比例運算相結合的方法，使靜態誤差隨調整時間的延長而減小。積分強度用積分時間表示，積分時間等於積分操作值在階躍偏差響應下達到比例操作值所需的時間。積分時間越短，積分運算的校正時間越強。但是，如果積分時間值太小，校正效應將振盪，如果它太強。談論。

微分運算(D)

比例運算和積分運算都對控制結果進行了修正，因此不可避免地會出現響應時滯。差分運算可以彌補這些缺點。在突發擾動響應中，微分運算為恢復原始狀態提供了較大的運算值。微分操作由與偏差變化率(微分系數)成比例的運算值的校正來控制。微分運算的強度由微分時間表示，它相當於微分操作值在階躍偏差響應下達到比例操作值的函式所需的時間。微分時間值越大，微分運算的校正強度越強。

更為直截了當的是，PID測試不僅僅是現有的溫度，還包括一段時間內的溫度(以秒為單位)，溫度下降和上升的程度。因為它包含了溫度變化的“速度”，研究微積分的朋友知道有一個導數的概念。

PID真的很有意義，但是在這裡你會發現PID只是給了你一個指導的方向。但鍋爐中是否有足夠的水來實現這一目標則是另一回事。

換句話說，鍋爐的大小意味著咖啡機保持溫度的能力，而PID則是咖啡機保持溫度的智慧。但另一方面，它或多或少可以解釋，包括我在內的許多網際網路朋友會說，如果我們只煮一杯咖啡，使用合適的E61，並不一定會比高階的商業機會更糟糕。

有人哀嘆：“PID確實是一個很好的溫度控制系統，可惜很多商家打著PID的旗號誤導消費者。”希望其他朋友能讀懂這篇導論，對PID有更好的瞭解。

PID溫控的原理是什麼？

答：現在市面上的數字顯示溫控儀表都是帶智慧自整定PID工業調節器。所謂的PID溫控器就是一種採用設定值與目標值透過積體電路自動運算，達到模糊PID演算法，自動運算到快速到達最佳控制狀態的儀表。

其中它將不同的輸入分度號的溫度熱電偶、不同分度號的熱電阻，透過比例帶（P表示），積分時間（I表示），微分時間（D表示），見下圖所示

這些將PID進行分開後的解釋，叫做“控制器”，再由它將訊號傳遞給一個叫“執行器”電路，其中溫控器裡面可以人工設定一個叫“被控物件”的電路輸出。

在輸出的同時一路將訊號再次給測量變送器，再反饋給輸入目標或者說是偏差，這樣快速的來回運算，將會使溫控器達到最佳效果。

下面說一下PID引數的意義

P→比例帶

在PID調節中,它是輸出控制量的大小與測量值和設定值之間的偏差成比例關係,偏差越大,輸出越大,儀表比例引數P的設定值越大,控制靈敏度越低,穩定性越高;P的設定值越小,靈敏度越高,穩定性越低。例如，儀表的比例引數P設定為“5”，表示偏差值偏離給定值5%時，輸出控制量變化100%。

I→積分時間

積分運算的目的主要是消除靜態誤差,只要偏差存在,積分作用將控制量向使偏差消除的方向移動,積分時間是表示積分強度的單位,儀表設定的積分時間越短,儀表的積分作用越強。例如儀表的積分時間設為200S,表示對目前固定的偏差,積分作用的輸出達到和比例作用相同的輸出量要用到200S時間。

D→微分時間

積分作用是對控制結果的修正,動作響應速度較慢,微分作用是為了消除其缺點而補充的。

微分作用主要是根據偏差產生的速度對輸出量進行修正,使控制過程儘快回到原來的控制狀態,微分時間是表示微分強度的單位,儀表設定的微分時間越長;表示儀表的微分作用對控制量的修正越強。

由以上可以看的出,將比例作用的快速性,積分作用的徹底性,微分作用的超前性這三項優點結合起來就構成了理想的PID調節器。

其實它們三者之間存在一定的控制週期，我們把它用Ct表示，也就是說儀表完成一個PID週期所用的時間,控制週期越短則儀表的控制越精細,但在位式PID控制中,控制週期太小儀表的輸出部分動作可能特別頻繁,所以一般連續PID調節時Ct設定在2S左右,使用交流接觸PID調節時,Ct應設定在6S左右。

還有一個積分範圍，用SF表示，它是引入積分分離,消除穩態時的超調量,當SF= 1.0,抑制作用最大,響應速度慢;SF= 0.1,超調作用最小，響應速度快,SF= 0.0,超調抑制作用取消。

簡單理解P、I、D三個引數的作用說明:

P值越大，作用越小，P值越小，作用越大;

I值越大,作用越小,值越小,作用越大;

D值越大，作用越大，D值越小，作用越小。

♥最後說一說PID自整定

PID控制中,P、I、D等幾個引數的設定將直接影響到PID控制效果,這幾個引數又和控制系統本身有著密切的關係,所以很難給出一個任何系統都適用的固定值,為了減小使用者對這幾個引數的設定難度,一般溫控器儀表採用了最佳化的位式自整定演算法,透過自整定運算,儀表可以自己得到一組適合本系統的控制引數,自整定後的引數能適合大多數控制系統的要求,自整定結束後儀表自動轉到PID控制狀態。

啟動自整定:將儀表報警引數組中在項的設定為1,退出報警引數組後,此時儀表的在燈閃爍,儀表進入自整定狀態。

D自整定時儀表的SV值必須設定在常用值附近。如果自整定時儀表採用位式控制，此時系統會有大幅的震盪，對不允許大幅震盪的系統要慎用自整定。

D自整定狀態中，不應有異常的擾動，如斷開負載，感測器，執行機構等外部裝置。

口自整定的時間和控制系統有關，從幾分鐘到幾小時不等，按設定鍵可提前結束自整定。

最後是溫控器的自動手動無擾切換，當儀表由自動控制方式轉為手動控制方式時,儀表的控制輸出不變(如儀表在自動控制時的輸出 百分比為45%,當改為手動控制時,儀表的輸出百分比仍45%) 。當儀表由手動控制方式轉為自動 控制方式之前,透過手動調節輸出百分比使得儀表的測量值等於目標設定值後,再把儀表由手動控制轉為自動控制狀態。這樣就避免測量值的波動,使手/自動實現平穩轉換。

知足常樂2022.8.15日於上海