Amesim中PID控制元件

PID 控制原理

PID 即比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）控制。比例环节根据偏差的大小成比例地对系统进行调节，偏差越大，调节作用越强。积分环节用于消除系统的稳态误差，它对偏差进行积分运算，只要存在偏差，积分作用就会持续累积，直到偏差为零。微分环节则根据偏差的变化率来调整控制量，能在偏差变化趋势变大之前就进行抑制，增强系统的稳定性和动态性能。

从比例控制（P）说起，它就像是一个敏锐的观察者。当系统出现偏差，也就是实际值与设定值之间有了差距时，比例控制环节会立即根据这个偏差的大小，成比例地输出一个控制信号。想象一下，偏差如同一个拉力，偏差越大，这个拉力就越强，它能快速地让系统朝着减小偏差的方向移动，仿佛是一个急于纠正错误的急性子。

接着是积分控制（I），这是一个坚韧不拔的纠错者。它对偏差进行积分运算，随着时间的积累，它会把之前所有的偏差都 “记在心里”。即使偏差很小，但只要存在，积分控制就会像一个不知疲倦的长跑者，持续地累积力量，直到把偏差彻底消除，让系统达到没有稳态误差的理想状态。

最后是微分控制（D），这是一个富有前瞻性的智者。它关注的不是偏差本身，而是偏差的变化率。当偏差刚开始变化，还没来得及造成大的影响时，微分控制就能提前察觉这个变化的趋势。就像一个有先见之明的舵手，在风浪还没完全到来之前，就提前调整航向，使系统更加稳定和平滑地运行，有效抑制超调现象。

这三个部分 —— 比例、积分、微分，就像一个默契的团队，协同工作，共同构成了 PID 控制这个强大的控制策略，为各种复杂的控制系统提供精准、稳定的控制。

优势：PID 控制具有结构简单、易于理解和实现的特点。它不需要精确的系统模型，对大多数线性和部分非线性系统都能有效控制。在稳定状态下，能保持较好的控制精度，使系统输出稳定在设定值附近。同时，PID 控制器具有很强的鲁棒性，对系统参数变化和外部干扰有一定的耐受能力。

劣势：PID 控制对于复杂的、高度非线性、时变的系统，其控制效果可能会变差。参数整定较为困难，需要丰富的经验或采用复杂的整定方法。并且，如果参数设置不当，可能会导致系统出现超调、振荡等不稳定现象。

应用场景：在工业领域，广泛应用于温度、压力、流量等过程控制。例如化工生产中的反应釜温度控制，通过 PID 控制器可以精确地维持反应温度。在自动化制造中，对机械臂的运动控制也常用到 PID，保证运动的精度和稳定性。在交通领域，汽车的定速巡航系统也是 PID 控制的典型应用，能使汽车速度稳定在设定值，应对不同路况的干扰。在航空航天领域，部分姿态控制系统也采用了 PID 控制原理，确保飞行器姿态的稳定。

Amesim中PID元件

Amesim中常用的PID控制元件有pid和resetpid。

如下图所示，pid元件与resetpid 两个元件中，在①controller type中可以选择PID应用的类型，其分为PI控制、PD控制、P控制和PID控制，选择相应的控制方式后，在下方会显示相应的参数设置选项。其中若单纯的想使用I控制，可以选择PI或PID控制后，只对I参数进行设置，其余两个参数设置为0即可。

参数中②处的limit output可以对PID的输出值限制进行设置，选择yes后，在③处会出现相应的最大与最小值限制。通过设置最大与最小值的数值大小，来控制PID的输出值范围。

而对于resetpid元件，相较于pid元件多一个重置端口，同时在参数设置中，会出现一个reset signal effect选项，其中有reset和reset and hold两个选项。

Reset：

重置：

The reset signal effect changes the effect of u2 on the dummy state variable for estimating derivative part (w) and the integral part (ipart). The possible effects are:

重置信号效果会改变 u2 对用于估计导数部分 （w） 和积分部分 （ipart） 的虚拟状态变量的影响。可能的效果是：

reset: ipart and w are reset to their initial values when u2 rises from a value lower than 0.5 to a value higher than 0.5.

重置：当 U2 从低于 0.5 的值上升到高于 0.5 的值时，iPart 和 W 将重置为其初始值。

reset and hold: ipart and w are reset and hold to their initial values when u2 rises from a value lower than 0.5 to value higher than 0.5, and until u2 becomes lower than 0.5.

重置并保持：当 U2 从低于 0.5 的值上升到高于 0.5 的值时，iPart 和 W 将重置并保持其初始值，直到 U2 低于 0.5。

参考元素

1 Amesim2304help

2 曾喆昭,刘文珏. "自耦PID控制器." 《自动化学报》 2(2021).

3  "PID控制器简介及参数整定方法." 科技信息 7(2011).