PID、P&ID傻傻分不清楚

1.1 啥是PID？

PID，就是“比例（proportional）、積分（integral）、微分（derivative）”，是一種很常見的控制算法。

PID距今已經有107年的歷史了。

它并不是什么很神圣的東西，大家一定都見過PID的實際應用。

比如四軸飛行器，再比如平衡小車……還有汽車的定速巡航、3D打印機上的溫度控制器….

就是類似于這種：需要將某一個物理量“保持穩定”的場合（比如維持平衡，穩定溫度、轉速等），PID都會派上大用場。

1.1.1 kP

P就是比例的意思。它的作用最明顯，原理也最簡單。我們先說這個：

需要控制的量，比如水溫，有它現在的『當前值』，也有我們期望的『目標值』。

• 當兩者差距不大時，就讓加熱器“輕輕地”加熱一下。
• 要是因為某些原因，溫度降低了很多，就讓加熱器“稍稍用力”加熱一下。
• 要是當前溫度比目標溫度低得多，就讓加熱器“開足馬力”加熱，盡快讓水溫到達目標附近。

這就是P的作用，跟開關控制方法相比，是不是“溫文爾雅”了很多。

實際寫程序時，就讓偏差（目標減去當前）與調節裝置的“調節力度”，建立一個一次函數的關系，就可以實現最基本的“比例”控制了~

kP越大，調節作用越激進，kP調小會讓調節作用更保守。

要是你正在制作一個平衡車，有了P的作用，你會發現，平衡車在平衡角度附近來回“狂抖”，比較難穩住。

如果已經到了這一步——恭喜你！離成功只差一小步了~

1.1.2 kD

D的作用更好理解一些，所以先說說D，最后說I。

剛才我們有了P的作用。你不難發現，只有P好像不能讓平衡車站起來，水溫也控制得晃晃悠悠，好像整個系統不是特別穩定，總是在“抖動”。

你心里設想一個彈簧：現在在平衡位置上。拉它一下，然后松手。這時它會震蕩起來。因為阻力很小，它可能會震蕩很長時間，才會重新停在平衡位置。

請想象一下：要是把上圖所示的系統浸沒在水里，同樣拉它一下 ：這種情況下，重新停在平衡位置的時間就短得多。

我們需要一個控制作用，讓被控制的物理量的“變化速度”趨于0，即類似于“阻尼”的作用。

因為，當比較接近目標時，P的控制作用就比較小了。越接近目標，P的作用越溫柔。有很多內在的或者外部的因素，使控制量發生小范圍的擺動。

D的作用就是讓物理量的速度趨于0，只要什么時候，這個量具有了速度，D就向相反的方向用力，盡力剎住這個變化。

kD參數越大，向速度相反方向剎車的力道就越強。

如果是平衡小車，加上P和D兩種控制作用，如果參數調節合適，它應該可以站起來了~歡呼吧。

等等，PID三兄弟好像還有一位?？雌饋鞵D就可以讓物理量保持穩定，那還要I干嘛？

因為我們忽視了一種重要的情況：

1.1.3 kI

還是以熱水為例。假如有個人把我們的加熱裝置帶到了非常冷的地方，開始燒水了。需要燒到50℃。

在P的作用下，水溫慢慢升高。直到升高到45℃時，他發現了一個不好的事情：天氣太冷，水散熱的速度，和P控制的加熱的速度相等了。

這可怎么辦？

• P兄這樣想：我和目標已經很近了，只需要輕輕加熱就可以了。
• D兄這樣想：加熱和散熱相等，溫度沒有波動，我好像不用調整什么。

于是，水溫永遠地停留在45℃，永遠到不了50℃。

作為一個人，根據常識，我們知道，應該進一步增加加熱的功率?？墒窃黾佣嗌僭撊绾斡嬎隳?？

前輩科學家們想到的方法是真的巧妙。

設置一個積分量。只要偏差存在，就不斷地對偏差進行積分（累加），并反應在調節力度上。

這樣一來，即使45℃和50℃相差不太大，但是隨著時間的推移，只要沒達到目標溫度，這個積分量就不斷增加。系統就會慢慢意識到：還沒有到達目標溫度，該增加功率啦！

到了目標溫度后，假設溫度沒有波動，積分值就不會再變動。這時，加熱功率仍然等于散熱功率。但是，溫度是穩穩的50℃。

kI的值越大，積分時乘的系數就越大，積分效果越明顯。

所以，I的作用就是，減小靜態情況下的誤差，讓受控物理量盡可能接近目標值。

I在使用時還有個問題：需要設定積分限制。防止在剛開始加熱時，就把積分量積得太大，難以控制。

02 P&ID

2.1 啥是P&ID？

P&ID，也就是我們化工人常說的管道儀表流程圖了，是PIPING AND INSTRUMENTATION DIAGRAM的縮寫。P&ID的設計是在PFD的基礎上完成的。它是化工廠的工程設計中從工藝流程到工程施工設計的重要工序，是工廠安裝設計的依據。  

化工工程的設計，從工藝包、基礎設計到詳細設計中的大部分階段，P&ID 都是化工工藝及工藝系統專業的設計中心，其他專業（設備、機泵、儀表、電氣、管道、土建、安全等）都在為實現P&ID里的設計要求而工作。 P&ID的繪制如無特別規定及設計規范大多均可參考《HG20519-2009化工工藝設計施工圖內容和深度統一規定》。