PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為
因此它的傳遞函數為：
它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設定三個(gè)參數（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。
首先，PID應用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線(xiàn)性或時(shí)變的，但通過(guò)對其簡(jiǎn)化可以變成基本線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統，這樣PID就可控制了。
其次，PID參數較易整定。也就是，PID參數Kp，Ki和Kd可以根據過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數就可以重新整定。
第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個(gè)改進(jìn)的例子。
在工廠(chǎng)，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過(guò)程在“自動(dòng)”模式下平穩工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費等問(wèn)題的困擾。PID參數自整定就是為了處理PID參數整定這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的�，F在，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統的一個(gè)標準。
在一些情況下針對特定的系統設計的PID控制器控制得很好，但它們仍存在一些問(wèn)題需要解決：
如果自整定要以模型為基礎，為了PID參數的重新整定在線(xiàn)尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過(guò)程中插入一個(gè)測試信號。這個(gè)方法會(huì )引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數自整定在工業(yè)應用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負載干擾引起的影響和過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區分開(kāi)來(lái)，因此受到干擾的影響控制器會(huì )產(chǎn)生超調，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應轉換。另外，由于基于控制律的系統沒(méi)有成熟的穩定性分析方法，參數整定可靠與否存在很多問(wèn)題。
因此，許多自身整定參數的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據開(kāi)環(huán)狀態(tài)確定的簡(jiǎn)單過(guò)程模型自動(dòng)計算PID參數。
PID在控制非線(xiàn)性、時(shí)變、耦合及參數和結構不確定的復雜過(guò)程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復雜過(guò)程，無(wú)論怎么調參數都沒(méi)用。
雖然有這些缺點(diǎn)，PID控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器
目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現代化水平的一個(gè)重要標志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機等。自動(dòng)控制系統可分為開(kāi)環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。一個(gè)控制系統包括控制器、傳感器、變送器、執行機構、輸入輸出接口�？刂破鞯妮敵鼋�(jīng)過(guò)輸出接口、執行機構，加到被控系統上；控制系統的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統，其傳感器、變送器、執行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要采用壓力傳感器。電加熱控制系統的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數自整定功能的智能調節器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數的自動(dòng)調整是通過(guò)智能化調整或自校正、自適應算法來(lái)實(shí)現。有利用PID控制實(shí)現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現PID控制的PC系統等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現其遠程控制功能。
1、開(kāi)環(huán)控制系統
開(kāi)環(huán)控制系統(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統中，不依賴(lài)將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。
2、閉環(huán)控制系統
閉環(huán)控制系統(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統被控對象的輸出(被控制量)會(huì )反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統給定值信號相反，則稱(chēng)為負反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱(chēng)為正反饋，一般閉環(huán)控制系統均采用負反饋，又稱(chēng)負反饋控制系統。閉環(huán)控制系統的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負反饋的閉環(huán)控制系統，眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統。另例，當一臺真正的全自動(dòng)洗衣機具有能連續檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統。
3、階躍響應
階躍響應是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統上時(shí)，系統的輸出。穩態(tài)誤差是指系統的響應進(jìn)入穩態(tài)后，系統的期望輸出與實(shí)際輸出之差�？刂葡到y的性能可以用穩、準、快三個(gè)字來(lái)描述。穩是指系統的穩定性(stability)，一個(gè)系統要能正常工作，首先必須是穩定的，從階躍響應上看應該是收斂的；準是指控制系統的準確性、控制精度，通常用穩態(tài)誤差來(lái)(Steady-state error)描述，它表示系統輸出穩態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統響應的快速性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。
4、PID控制的原理和特點(diǎn)
在工程實(shí)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，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調節。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統控制器的結構和參數必須依靠經(jīng)驗和現場(chǎng)調試來(lái)確定，這時(shí)應用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個(gè)系統和被控對象，或不能通過(guò)有效的測量手段來(lái)獲得系統參數時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時(shí)系統輸出存在穩態(tài)誤差（Steady-state error）。
積分（I）控制
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統，如果在進(jìn)入穩態(tài)后存在穩態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統是有穩態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著(zhù)時(shí)間的增加，積分項會(huì )增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進(jìn)入穩態(tài)后無(wú)穩態(tài)誤差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統在克服誤差的調節過(guò)程中可能會(huì )出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。
5、PID控制器的參數整定
PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗，直接在控制系統的試驗中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實(shí)際運行中進(jìn)行最后調整與完善�，F在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計算得到PID控制器的參數。
在實(shí)際調試中，只能先大致設定一個(gè)經(jīng)驗值，然后根據調節效果修改。
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