当过程被控制时(图1)，过程的特性，如温度(调节变量)，与期望值或设定值进行比较。将差值或误差信号e(t)应用于控制器，控制器使用误差信号产生控制信号u(t)， u(t)操纵过程的物理输入(被操纵变量)，引起被调节变量的变化，从而稳定地减小误差。

一种常用的控制算子是比例-积分-导数(P-I-D，或PID)控制器。它对由误差得出的三项求和:简单增益，或比例项;积分项:与误差的积分成比例的项，或积分项;和一个与误差信号变化率成正比的项，或者导数项。在闭环中，比例项寻求与其瞬时值成比例地减小误差;积分项——累积误差——慢慢地使误差趋近于零(其存储的误差倾向于使误差超过零);导数项使用误差变化率来预测其未来值，加速对比例项的响应，并通过补偿积分项的滞后来改善回路稳定性。

这些术语的组合可以提供非常精确和稳定的控制。但控制项必须单独调整或“调谐”，以达到特定系统的最佳行为。由于具有许多滞后或实质上延迟响应的过程很难控制，因此简单的PID控制器最好用于对被操纵变量(通常控制添加到过程中的能量的数量或流量)的变化作出反应的过程。PID控制在负载持续变化的系统中是有用的，并且控制器被期望自动响应设定值的频繁变化或被调节变量的偏差(由于环境条件和时间的变化)。

对于慢过程，PID控制器的参数通常是通过对系统模型进行按比例放大来获得的。有许多先进的控制策略，但绝大多数工业控制系统使用PID控制器，因为它们是标准的，经过时间考验的，很好理解的工业组件。此外，由于过程的不确定性，对于给定过程，更复杂的控制方案不一定比调谐良好的PID控制器更有效。

PID术语在上面作了简要说明。这里有一个更完整的解释。

比例控制

比例控制采用与误差成比例的校正项。比例常数(K(P))称为控制器的比例增益。随着增益的增加，系统对设定值的变化响应更快，最终(稳态)误差更小，但系统变得不太稳定，因为它的欠阻尼越来越大。进一步增加增益将导致超调，振铃，最终，无阻尼振荡。

积分控制

虽然比例控制可以大幅度地减小误差，但它本身不能将误差减小到零。然而，通过在控制函数中加入一个积分项，可以将误差降低到零。闭环中的积分器必须设法将其平均输入保持在零(否则，其输出将无限增加，最终达到饱和或更糟)。积分增益常数K(I)越高，响应变化的误差越快趋近于零(甚至更高);所以设K(I)太高会引起振荡和不稳定。

微分控制

添加一个导数项——与误差信号的时间导数或变化率成比例——可以提高稳定性，减少在高增益下使用比例和/或积分项时出现的超调，并通过预测误差的变化来提高响应速度。它的增益或“阻尼常数”K(D)通常可以调整，以实现对设定值或被调节变量变化的临界阻尼响应。阻尼过小，比例控制的超调可能仍然存在;过多的阻尼可能导致不必要的缓慢响应。设计人员还应注意到，微分器会放大误差信号中出现的高频噪声。

综上所述，比例控制器(P)将减少上升时间，减少但永远不会消除稳态误差。比例积分(PI)控制器可以消除稳态误差，但会使暂态响应变差。比例-积分-导数控制器(PID)增加了系统的稳定性，减少了超调量，改善了系统的瞬态响应。增加闭环系统中给定项的影响总结在表1中。

表我。

这三项的和是

对应的操作传递函数为:

在图1的系统中，设定值与实际输出的差值用误差信号e(t)表示。将误差信号应用于PID控制器，PID控制器计算该误差信号的导数和积分，应用三个系数，并进行上述求和，形成信号u(t)。

数字PID控制

PID算法在工业过程控制中得到了广泛的应用，它最初是在气动控制器中被认可和应用了近一个世纪。在20世纪40年代和50年代，电子学首先用于控制系统设计中的PID控制模型，后来越来越多地参与到实际的过程控制回路中，首先作为控制器，后来作为数字控制器。软件实现PID算法与8位微控制器是有据可查的。

在本文中，我们展示了数字PID控制器的基本组件，然后展示了如何使用芯片上的数据采集系统MicroConverter 经济地实现过程控制。

可以考虑使用PID回路，例如，在空调或制冷系统中，使用连续监测和控制(与恒温开关控制相反)来精确地将温度保持在一个狭窄的范围内。图2显示了一个控制系统的基本框图，该系统通过不断调节风扇转速，增加或减少来自低温源的气流来调节温度。

系统需要保持室温尽可能接近用户选择的(设定值)值。为此，系统必须精确测量室温并调节风扇转速进行补偿。

在图2所示的系统中，精密电流源驱动电流通过电阻式温度传感器(热敏电阻或RTD-in串联参考电阻)，调整以表示所需的温度。数字转换器(ADC)将参考电压和热敏电阻电压之间的差数字化，作为温度误差的度量。采用8位微控制器处理ADC结果，并实现PID控制器。微控制器通过数字转换器(DAC)调节风扇速度。需要外部程序存储器和RAM来操作8位微控制器并执行程序。

如果单独使用比例控制(P)，则风扇运行的速率将与设定值的温度差直接相关。如前所述，这将留下一个稳态误差。

添加PI (integral term)会导致风扇转速随环境温度的升高或降低。它调节室内温度，以补偿由于白天环境温度升高而导致的误差，然后在晚上温度下降。因此，积分项消除了偏移量，但如果积分增益过高，则会引入围绕设定值的振荡。(注意，振荡是采用开关恒温器的温度控制系统固有的。)

通过加入微分项(PID)，可以大大降低这种振荡趋势。导数项响应于误差从设定值的变化率。它可以帮助系统迅速纠正由于门或窗被打开的瞬间突然变化。

为了简化该系统，最大限度地降低零件成本、组装成本和电路板面积，可以使用集成的片上系统(SOC)解决方案，如图3所示。

ADuC845微转换器包括62K字节的闪存/EE程序存储器，4K字节的闪存数据存储器和2K字节的RAM。闪存数据存储器可用于存储“调谐”PID回路的系数，而单周期核心提供足够的处理能力，同时实现PID回路并执行一般任务。

根据所选择的微转换器的不同，ADC的分辨率范围从12位到24位。在温度需要保持0.1°C精度的系统中，ADuC845的高性能24位sigma-delta ADC是理想的选择。

第二种类型的应用，其中PID控制回路是有用的设定值(伺服)电机控制。在这种应用中，电机需要移动到、保持并遵循由用户输入定义的角度位置(例如，电位器的旋转-图4)。

同样，这个系统可以使用许多分立的组件来实现，或者更简单地说，使用一个集成的解决方案。图5显示了使用MicroConverter构建的演示系统。电路板上的电路使指针跟随设定值输入电位器的旋转。

由于这些模块集成在ADuC842的紧凑形式中，零件和组装成本较低;计算电子学占用的空间要小得多，而且更可靠。图6显示了使用SOC方法的系统硬件的简单性。

除了ADuC842，该板还包括一个电位器缓冲放大器，一个驱动电机的输出功率放大器，一个用于低功耗电子器件的5 v低噪声稳压器，以及一个用于电机的更坚固的5 v稳压器(带散热器)。该板还包括状态led、RESET按钮、串行数据下载按钮和一些无源元件。

使用PC软件模拟系统的其余部分，图7显示了对不同级别系统调优的响应，并演示了积分项的重要性。

图8清楚地显示了使用完整PID回路实现时系统整体阶跃响应的改进。响应快速，准确，阻尼，无偏移，振荡或超调。

购买许可的设备I(2)C组件或其分许可的关联公司之一，向买方传达了根据飞利浦I(2)C专利权在I(2)C系统中使用这些组件的许可，前提是该系统符合飞利浦定义的I(2)C标准规范。