位置式PID与增量式PID的区别

一、引言

PID（比例-积分-微分）控制器作为工业自动化领域中的核心控制算法，广泛应用于各种需要精确控制的系统中。在PID控制器的实现中，有两种主要的控制模式：位置式PID和增量式PID。虽然两者在原理上都是基于PID控制理论，但在实际应用中，它们具有显著的差异。本文将详细探讨位置式PID与增量式PID的不同之处，以便读者能更深入地理解并正确选择使用。

二、位置式PID与增量式PID概述

位置式PID

位置式PID是一种基于当前系统偏差来计算控制输出的方法。它根据系统当前的实际输出与期望输出之间的偏差，通过比例、积分和微分三个环节进行计算，直接输出控制量，以驱动执行机构达到期望的位置或状态。位置式PID控制器输出的控制量直接对应执行机构的位置或状态，因此适用于需要精确位置控制的场合，如舵机控制、温度控制等。

增量式PID

增量式PID则是一种基于偏差的增量来计算控制输出的方法。它根据系统当前的实际输出与期望输出之间的偏差，以及前几次的偏差和控制输出，通过比例、积分和微分三个环节进行计算，得出控制量的增量。增量式PID控制器输出的控制量是相对于前一次控制输出的增量，因此适用于需要连续调节的场合，如电机转速控制、液位控制等。

三、位置式PID与增量式PID的区别

输出形式与控制对象

位置式PID控制器输出的控制量直接对应执行机构的位置或状态，因此它适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀等。而增量式PID控制器输出的控制量是相对于前一次控制输出的增量，因此它适用于执行机构带积分部件的对象，如步进电机等。

误差处理与计算量

位置式PID控制器的输出与整个过去的状态有关，用到了误差的累加值。这意味着在计算当前控制输出时，需要考虑之前所有的误差值，因此计算量相对较大。同时，由于误差的累加作用，当系统出现较大误差时，可能会导致控制输出产生较大的波动。而增量式PID控制器只与当前拍和前两拍的误差有关，因此计算量相对较小。同时，由于它只关注误差的增量，因此当系统出现较大误差时，控制输出相对较为稳定。

积分饱和与误动作影响

位置式PID控制器在积分作用下，当系统的控制量已经达到最大值时，误差依然会在积分的作用下继续累加。这可能导致积分饱和现象的产生，即当误差开始反向变化时，系统需要较长时间才能从饱和区退出。而增量式PID控制器没有积分作用，因此不会出现积分饱和现象。此外，当计算机出现故障时，位置式PID控制器的误动作影响较大，因为其输出直接对应执行机构的位置或状态；而增量式PID控制器的误动作影响较小，因为即使计算机出现故障，执行机构本身有记忆功能，可以保持原位或缓慢变化。

适用范围与灵活性

位置式PID控制器适用于需要精确位置控制的场合，如舵机控制、温度控制等。由于它直接输出控制量到执行机构，因此具有较快的响应速度和较高的控制精度。而增量式PID控制器适用于需要连续调节的场合，如电机转速控制、液位控制等。由于它只输出控制量的增量，因此可以实现更加平滑和稳定的控制过程。此外，增量式PID控制器还易于实现手动/自动无扰动切换和参数调整等功能，具有较高的灵活性和适应性。

四、总结

位置式PID与增量式PID在输出形式、误差处理、积分饱和、误动作影响以及适用范围等方面存在显著的区别。在选择使用哪种PID控制器时，需要根据具体的控制需求和应用场景进行综合考虑。对于需要精确位置控制的场合，可以选择位置式PID控制器；而对于需要连续调节和较高灵活性的场合，则可以选择增量式PID控制器。同时，还需要注意PID控制器的参数整定和调试方法，以确保系统能够稳定运行并达到预期的控制效果。