一個(gè)自動(dòng)控制系統要能很好地完成任務(wù)，首先必須工作穩定，同時(shí)還必須滿(mǎn)足調節過(guò)程的質(zhì)量指標要求。即：系統的響應快慢、穩定性、最大偏差等。很明顯，自動(dòng)控制系統總希望在穩定工作狀態(tài)下，具有較高的控制質(zhì)量，我們希望持續時(shí)間短、超調量小、擺動(dòng)次數少。為了保證系統的精度，就要求系統有很高的放大系數，然而放大系數一高，又會(huì )造成系統不穩定，甚至系統產(chǎn)生振蕩。反之，只考慮調節過(guò)程的穩定性，又無(wú)法滿(mǎn)足精度要求。因此，調節過(guò)程中，系統穩定性與精度之間產(chǎn)生了矛盾。
如何解決這個(gè)矛盾，可以根據控制系統設計要求和實(shí)際情況，在控制系統中插入“校正網(wǎng)絡(luò )”，矛盾就可以得到較好解決。這種“校正網(wǎng)絡(luò )”，有很多方法完成，其中就有PID方法。
簡(jiǎn)單的講，PID“校正網(wǎng)絡(luò )”是由比例積分PI和比例微分PD"元件組"成的。為了說(shuō)明問(wèn)題，這里簡(jiǎn)單介紹一下比例積分PI和比例微分PD。
微分：
從電學(xué)原理我們知道，見(jiàn)圖2，當脈沖信號通過(guò)RC電路時(shí)，電容兩端電壓不能突變，電流超前電壓90°，輸入電壓通過(guò)電阻R向電容充電，電流在t1時(shí)刻瞬間達到最大值，電阻兩端電壓Usc此刻也達到最大值。隨著(zhù)電容兩端電壓不斷升高，充電電流逐漸減小，電阻兩端電壓Usc也逐漸降低，最后為0，形成一個(gè)鋸齒波電壓。這種電路稱(chēng)為微分電路，由于它對階躍輸入信號前沿“反應”激烈，其性質(zhì)有加速作用。
積分：
我們再來(lái)看圖3，脈沖信號出現時(shí)，通過(guò)電阻R向電容充電，電容兩端電壓不能突變，電流在t1時(shí)刻瞬間達到最大值，電阻兩端電壓此刻也達到最大值。電容兩端電壓Usc隨著(zhù)時(shí)間t不斷升高，充電電流逐漸減小，最后為0，電容兩端電壓Usc也達到最大值，形成一個(gè)對數曲線(xiàn)。這種電路稱(chēng)為積分電路，由于它對階躍輸入信號前沿“反應”遲緩，其性質(zhì)是“阻尼”緩沖作用。
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插入校正網(wǎng)絡(luò )的情況
現在我們首先討論自動(dòng)控制系統引入比例積分PI的情況，見(jiàn)圖4。曲線(xiàn)PI（1）對階躍信號的響應特性曲線(xiàn)，當t=0時(shí)，PI的輸出電壓很小，（由比例系數決定）當t>0時(shí)，輸出電壓按積分特性線(xiàn)性上升，系統放大系數Ue線(xiàn)性增大。這就是說(shuō)，當系統輸入端出現大的誤差時(shí)，控制輸出電壓不會(huì )立即變得很大，而是隨著(zhù)時(shí)間的推移和系統誤差不斷地減小，PI的輸出電壓不斷增加，既，系統放大系數Ue不斷線(xiàn)性增大。我們稱(chēng)這種特性為系統阻尼。決定阻尼系數因素是PI比例系數和積分時(shí)間常數。要不斷提高控制系統的質(zhì)量，就要不斷改變PI比例系數和積分時(shí)間常數。
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我們再討論控制系統引入比例微分PD的情況，見(jiàn)圖4。曲線(xiàn)PD（2）對輸入信號的響應特性曲線(xiàn)，當t=0時(shí)，PD使系統放大系數Ue驟增。這就是說(shuō)，當系統輸入端出現誤差時(shí)，控制輸出電壓會(huì )立即變大。我們稱(chēng)這種特性為加速作用�？梢钥闯�，過(guò)強的微分信號會(huì )使控制系統不穩定。所以在使用中，必須認真調節PD 比例系數和微分時(shí)間常數。
為妥善解決系統穩定性與精度之間的矛盾，往往將比例積分PI與比例微分PD組合使用，形成“校正網(wǎng)絡(luò )”，也稱(chēng)PID調節。PID調節特性曲線(xiàn)PID（3）（圖4），是PI、PD特性曲線(xiàn)合成的。適當的調節PI、PD上述各系數，就能保證控制系統即快又穩的工作。
結論：
PID調節器實(shí)際是一個(gè)放大系數可自動(dòng)調節的放大器，動(dòng)態(tài)時(shí)，放大系數較低，是為了防止系統出現超調與振蕩。靜態(tài)時(shí)，放大系數較高，可以蒱捉到小誤差信號，提高控制精度。
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