PID控制详细信息

一. PID控制概述

PID (proportionalintegralderivative )控制是发展最快的控制策略之一，由于算法简单、鲁棒性好、可靠性高，广泛应用于工业过程控制，可以建立特别精确的数学模型

在工程实际中，应用最广泛的调节器控制规则是比例、积分、微分控制，简称PID控制，也称为PID调节，它实际上是一种算法。 PID控制器问世已有近70年的历史，其结构简单、稳定性好、工作可靠、调试方便，已成为工业控制的主要技术之一。 如果不能完全掌握被控对象的结构和参数，或者得不到准确的数学模型，控制理论其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，此时应用PID控制技术比较好也就是说，在不完全理解一个系统和被控制对象，或者不能通过有效的测量手段得到系统参数的情况下，PID控制技术是最佳的。 PID控制，实际上还有PI和PD控制。 PID控制器根据系统误差，通过比例、积分、微分计算控制量进行控制。

从信号变换的观点来看，超前校正、滞后校正、滞后-超前校正可以归纳为比例、积分、微分三种运算及其组合。

PID调节器适用范围： PID调节控制是传统的控制方法，适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场。 根据现场的不同，只要PID参数的设定不同，适当设定参数就可以得到良好的效果。 均可达到0.1%，甚至更高的控制要求。

PID控件不足

1 .实际工业生产过程中具有非线性、时间不确定，难以建立准确的数学模型，常规PID控制器达不到理想的控制效果

2 .实际生产现场，由于参数整定方法的繁琐，常规PID控制器参数整定不佳，效果不佳，对运行工况适应能力差。

二、PID控制器各校准环节

闭环控制系统的首要任务是稳定、稳定、高速、准确的响应命令。 PID调整的主要工作是如何完成这项任务。

增大比例系数p会加快系统的响应，其作用是输出值快，但不能很好地稳定在理想值上。 较差的结果是，虽然可以有效克服干扰的影响，但出现了裕量差，过大的比例系数会给系统带来较大的超调，引起振动，恶化稳定性。 积分可以根据比例消除残差，可以修正稳定后有累积误差的系统，减小稳态误差。 微分有超前作用，对具有容量滞后的控制通道引入微分参与控制，微分项设置正确时，对提高系统动态性能指标有明显效果，它可以减少系统超调量，增加稳定性，减少动态误差

综上所述，P—比例控制系统的响应速度快作用于输出，“当前”(现在就作用，快作用)，I—积分控制系统的正确性，“过去”) (消除过去的累积误差) )消除过去的怨恨，回到正确的轨道)，d

调整时，你必须完成的任务是在系统结构允许的情况下，在这三个参数之间权衡调整，达到最佳的控制效果，实现稳定准确的控制特征。

比例控制可以快速、及时、按比例调节偏差，提高控制灵敏度，但存在静差，控制精度低。 积分控制可以消除偏差，提高控制精度，改善稳态性能，但容易引起振动，导致超调。 微分控制是调节系统速度、减少过冲量、提高稳定性的先进控制，但其时间常数过大，引入扰动，系统冲击大，过小时调节周期长，效果不明显。 结合比例、积分、微分控制，合理选择PID调节器的参数，即比例系数KP、积分时间常数i和微分时间常数D，可以快速、准确、平稳地消除偏差，达到良好的控制效果。

1 .比例环节

按比例反映控制系统的偏差信号e(t )，发生偏差时，控制器立即发挥控制作用以减小偏差。 仅比例控制时，系统输出中存在稳态误差(Steady-state error )。

p参数越大，比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。 但是，实际系统中存在惯性，从控制输出变化到实际的y(t )值变化需要时间。 实际系统具有惯性，比例作用不能太强。 比例作用过强会导致系统振动不稳定。 p参数的大小需要根据上述定量计算，根据系统的响应情况，在现场调试后决定。 通常，从大到小调整p参数，以最快的响应和无过冲(或无大过冲)为最佳参数。

优点：调整系统开环比例系数，提高系统稳态精度，减少系统惰性，加快响应速度。

缺点仅在：控制器中，开环比例系数过大不仅会增大系统超调量，而且会导致系统稳定裕度变小或不稳定。

2 .定点环

的输出与输入误差信号的积分成正比。 主要用于消除静差，提高系统的无差别度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数t，t越大积分作用越弱，反之越强。

为什么要引入积分作用？

比例作用的输出与误差的大小成正比，误差越大输出越大，误差越小输出越小，误差为零，输出为零。 由于在没有误差的情况下输出为零，所以比例调整不能完全消除误差，不能使控制的PV值为预定值

值。必须存在一个稳定的误差，以维持一个稳定的输出，才能使系统的PV值保持稳定。这就是通常所说的比例作用是有差调节，是有静差的，加强比例作用只能减少静差，不能消除静差(静差：即静态误差，也称稳态误差)。

   为了消除静差必须引入积分作用，积分作用可以消除静差，以使被控的y(t)值最后与给定值一致。引进积分作用的目的也就是为了消除静差，使y(t)值达到给定值，并保持一致。

   积分作用消除静差的原理是，只要有误差存在，就对误差进行积分，使输出继续增大或减小，一直到误差为零，积分停止，输出不再变化，系统的PV值保持稳定，y(t)值等于u(t)值，达到无差调节的效果。

   但由于实际系统是有惯性的，输出变化后，y(t)值不会马上变化，须等待一段时间才缓慢变化，因此积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配，惯性大、积分作用就应该弱，积分时间I就应该大些，反之而然。如果积分作用太强，积分输出变化过快，就会引起积分过头的现象，产生积分超调和振荡。通常I参数也是由大往小调，即积分作用由小往大调，观察系统响应以能达到快速消除误差，达到给定值，又不引起振荡为准。

   对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。PI控制器不但保持了积分控制器消除稳态误差的“记忆功能”，而且克服了单独使用积分控制消除误差时反应不灵敏的缺点。

　　优点：消除稳态误差。
　　
　　缺点：积分控制器的加入会影响系统的稳定性，使系统的稳定裕度减小。

　　3. 微分环节

   反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

　　为什么要引进微分作用？

   前面已经分析过，不论比例调节作用，还是积分调节作用都是建立在产生误差后才进行调节以消除误差，都是事后调节，因此这种调节对稳态来说是无差的，对动态来说肯定是有差的，因为对于负载变化或给定值变化所产生的扰动，必须等待产生误差以后，然后再来慢慢调节予以消除。

   但一般的控制系统，不仅对稳定控制有要求，而且对动态指标也有要求，通常都要求负载变化或给定调整等引起扰动后，恢复到稳态的速度要快，因此光有比例和积分调节作用还不能完全满足要求，必须引入微分作用。比例作用和积分作用是事后调节(即发生误差后才进行调节)，而微分作用则是事前预防控制，即一发现y(t)有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出现过冲或超调等。
D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。系统调试时通常把D从小往大调，具体参数由试验决定。

   如：由于给定值调整或负载扰动引起y(t)变化，比例作用和微分作用一定等到y(t)值变化后才进行调节，并且误差小时，产生的比例和积分调节作用也小，纠正误差的能力也小，误差大时，产生的比例和积分作用才增大。因为是事后调节动态指标不会很理想。而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误差的趋势就开始调节，是提前控制，所以及时性更好，可以最大限度地减少动态误差，使整体效果更好。但微分作用只能作为比例和积分控制的一种补充，不能起主导作用，微分作用不能太强，太强也会引起系统不稳定，产生振荡，微分作用只能在P和I调好后再由小往大调，一点一点试着加上去。

   自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PD控制只在动态过程中才起作用，对恒定稳态情况起阻断作用。因此，微分控制在任何情况下都不能单独使用。

　　优点：使系统的响应速度变快，超调减小，振荡减轻，对动态过程有“预测”作用。

   在低频段，主要是PI控制规律起作用，提高系统型别，消除或减少稳态误差；在中高频段主要是PD规律起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速度。因此，控制器可以全面地提高系统的控制性能。

三、PID控制器的参数整定

   PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

　　1. 理论计算整定法

   它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

　　2. 工程整定方法

   它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：

　　(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

　　(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

　　(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

　　PID调试一般原则

　　a.在输出不振荡时，增大比例增益P。
　　b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。
　　c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。

　　PID调试一般步骤

　　a. 确定比例增益P

　　确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。

　　b. 确定积分时间常数Ti

　　比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。

　　c. 确定微分时间常数Td

　　微分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。

　　d. 系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

   变速积分的基本思想是，设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢；反之则越快，有利于提高系统品质。

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大家再看看维基百科上面的PID的动图。

 

https://zh.wikipedia.org/wiki/PID%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8

维基百科上面讲的也比较清楚，结合起来看挺好。

多谢小伙伴更正了里面的小错误，步骤C为微分时间@lubingabby