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1、PID功能详解一、PID控制简介PID（ Proportional Integral Derivative）控制是最早发展起来的控制策略 之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤 其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称PID控制，又称PID调节，它实际上是一种算法PID控制器问世至今已有 近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控 制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数 学模型 时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结
2、构和参数必须依 靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了 解一个系统 和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适 合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据 系统的误 差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。从信号变换的角度而言，超前校正、滞后校正、滞后超前校正可以总结为 比例、积分、微分三种运算与其组合。PID调节器的适用围：PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、 压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同， 只要参数设置得当均可以达到很好的效果。均可以达到0.1
3、%，甚至更高的控制要 求。PID控制的不足1. 在实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定，难以建立精确的数学模 型，常规的PID控制器不能达到理想的控制效果；2. 在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参 数往往整定不良、效果欠佳，对运行工况的适应能力很差。二、PID控制器各校正环节任何闭环控制系统的首要任务是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）的响 应命令。PID调整的主要工作就是如何实现这一任务。增大比例系数 P 将加快系统的响应，它的作用于输出值较快，但不能很好 稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差 出现，过大的比例系数会
4、使 系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修 整，减小稳态误差。微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微 分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着 显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。综上所述，P比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出，好比现在 (现在就起作用，快)，I积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，好比 过去(清除过去积怨，回到准确轨道)，D微分控制系统的稳定性，具有超 前控制作用，好比未来(放眼未来，未雨绸缪，稳定才能发展)。当然这个结
5、论也 不可一概而论，只是想让初学者更加快速的理解PID的作用。在调整的时候，你所要做的任务就是在系统结构允许的情况下，在这三个参 数之间权衡调整，达到最正确控制效果，实现稳快准的控制特点。比例控制可快速、与时、按比例调节偏差，提高控制灵敏度，但有静差，控 制精度低。积分控制能消除偏差，提高控制精度、改善稳态性能，但易引起震荡， 造成超 调。微分控制是一种超前控制，能调节系统速度、减小超调量、提高稳 定性，但其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大，过小则调节周期长、效果不 显著。比例、积分、微分控制相互配合，合理选择PID调节器的参数，即比例 系数KP、积分时间常数Ti和微分时间常数tD,可迅速、
6、准确、平稳的消除偏 差，达到良好的 控制效果。1.比例环节成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立即产生 控制作用，以减小偏差。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(St eady-s tate error)。P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。但实际系 统是有惯性的，控制输出变化后，实际y(t)值变化还需等待一段时间才会缓慢 变化。 由于实际系统是有惯性的，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系 统振荡不稳定。P参数的大小应在以上定量计算的基础上根据系统响应情况，现 场调试决定， 通常将 P 参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调(或无大的 超调
7、)为最正确参数。优点:调整系统的开环比例系数，提高系统的稳态精度，减低系统的惰性，加快 响应速度。缺点:仅用 P 控制器,过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大，而且会使 系统稳定裕度变小，甚至不稳定。2. 积分环节控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。主要用于消除静差，提高 系统的无差度。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， 反之则越强。为什么要引进积分作用？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。由于没有误差时输出为零，因此比例调节不可能 完全消除误差，不可能使被控的 PV 值达到给定值。必须存在一
8、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
9、，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
10、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
11、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
12、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，所以与时性更好，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
13、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。解决的方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，
14、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
15、系统设计的核心容。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
16、 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
