PID控制的原理和特点是什么（pid控制的原理和特点有哪些）

PID是比例微积分调节。具体可以参考自动控制课程详细介绍！温度控制的正效应和负效应是，当正效应是加热时，反应是制冷控制。

PID控制简介

目前，工业自动化水平已成为衡量各行业现代化水平的重要标志。同时，控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型例子有模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。控制系统包括控制器、传感器、发射器、执行器以及输入和输出接口。控制器的输出通过输出接口和执行器加到被控系统中；控制系统的受控量通过输入接口通过传感器和变送器发送至控制器。不同的控制系统有不同的传感器、发射器和执行器。例如，压力控制系统使用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）的出现较多，产品已广泛应用于工程实践中。 PID控制器产品多种多样，各大公司都开发了PID控制器。具有参数自整定功能的智能调节器，通过智能调节或自校正、自适应算法实现PID控制器参数的自动调节。有采用PID控制的压力、温度、流量、液位控制器，可以实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），可以实现PID控制的PC系统等。

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开环控制系统

开环控制系统是指被控对象（被控变量）的输出对控制器的输出没有影响。在该控制系统中，不依赖返回受控变量来形成任何闭环。

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闭环控制系统

闭环控制系统的特点是系统被控对象（被控变量）的输出会被反馈影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈。如果反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（NegativeFeedback）。如果极性相同，则称为正反馈。通常，闭环控制系统使用负反馈。也称为负反馈控制系统。闭环控制系统的例子有很多。例如，人类是一个带有负反馈的闭环控制系统。眼睛是传感器并起到反馈作用。人体系统通过不断的修正，最终能够做出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有反馈回路，就变成了开环控制系统。再比如，当一台真正的全自动洗衣机能够不断地检查衣服是否洗完，并且能够在洗完后自动切断电源时，它就是一个闭环控制系统。

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阶跃响应

阶跃响应是指当向系统添加阶跃输入（阶跃函数）时系统的输出。稳态误差是指系统响应进入稳态后的期望输出与实际输出之间的差异。控制系统的性能可以用三个词来形容：稳定、准确、快速。稳定性是指系统的稳定性。一个系统要正常工作，首先要稳定，从阶跃响应上应该是收敛的；精度是指控制系统的准确度和控制精度。通常使用稳定性。用Steady-stateerror来描述，它代表系统输出的稳态值与期望值之间的差异；快是指控制系统响应的快速程度，通常用上升时间来定量描述。

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PID控制原理及特点

在工程实践中，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PID调节。 PID 控制器已经问世近70 年了。它以其结构简单、稳定性好、运行可靠、调节方便而成为工业控制的主要技术之一。当不能完全掌握被控对象的结构和参数，或不能得到精确的数学模型，且难以采用控制理论的其他技术时，系统控制器的结构和参数必须根据经验和现场确定。现场调试。这时候应用PID控制技术是最方便的。即当我们对一个系统和被控对象不完全了解，或者无法通过有效的测量方法获得系统参数时，PID控制技术是最合适的。 PID控制，实际中还有PI和PD控制。 PID控制器利用比例、积分、微分根据系统误差计算控制量。

比例（P）控制

比例控制是最简单的控制方法。其控制器的输出与输入误差信号成正比。当只有比例控制时，系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

积分(I) 控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比。对于自动控制系统，如果进入稳态后存在稳态误差，则称该控制系统存在稳态误差或简称为有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入“积分项”。误差的积分项取决于时间的积分。随着时间的增加，积分项将会增加。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，从而促使控制器的输出增大，进一步减小稳态误差，直至等于零。因此，比例+积分（PI）控制器可以使系统进入稳态后不产生稳态误差。

微分(D) 控制

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。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不稳定。原因是存在较大的惯性分量（环节）或延迟分量，它们具有抑制误差的作用，它们的变化总是滞后于误差的变化。解决的办法是让抑制误差效果的变化“超前”，即当误差接近于零时，抑制误差的效果应该为零。也就是说，在控制器中仅仅引入“比例”项往往是不够的。比例项的作用只是放大误差的幅度。现在需要添加的是“微分项”，它可以预测误差变化的趋势。这样，比例+微分的控制器就可以使抑制误差的控制效果提前为零甚至负值，从而避免被控量的严重超调。因此，对于惯性较大或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器可以改善系统在调节过程中的动态特性。

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PID控制器参数整定

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。 PID控制器参数整定的方法有很多种，概括起来可以分为两类：

首先是理论计算和设定方法：

它主要根据系统的数学模型，通过理论计算确定控制器参数。该方法得到的计算数据不能直接使用，必须通过实际工程进行调整和修改。

第二种是工程调优方法：

主要依靠工程经验，直接在控制系统的试验中进行。该方法简单易掌握，在工程实践中得到广泛应用。 PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法、响应曲线法和衰减法。三种方法各有特点，但共同点是通过实验调整控制器参数，然后根据工程经验公式。但无论采用哪种方法，所获得的控制器参数最终都需要在实际运行中进行调整和改进。

目前普遍采用临界比例法。使用该方法整定PID控制器参数的步骤如下：

(1) 首先，预先选择一个足够短的采样周期以使系统能够工作；

(2) 仅添加比例控制环节，直至系统对输入的阶跃响应出现临界振荡。记录此时的比例放大系数和临界振荡周期；

(3)在一定的控制程度下，通过公式计算PID控制器的参数。 PID参数的设定：依靠经验和对过程的熟悉程度，参考测量值跟踪和设定值曲线来调整PID的大小。

对于PID控制器参数的工程整定，可以参考以下各种调节系统中P.I.D参数的经验数据：

温度T:P=20~60%, T=180~600s, D=3-180s

压力P:P=30~70%, T=24~180s,

液位L:P=20~80%，T=60~300s，

流量L:P=40~100%，T=6~60s。

书中常用的公式：

寻找最佳参数设置，从小到大顺序搜索

先求比例，再求积分，最后求微分

曲线振荡频繁，需要放大比例刻度盘。

曲线围绕海湾浮动，比例刻度盘变小。

当曲线偏离时，恢复缓慢，积分时间减少。

曲线波动周期较长，积分时间也会较长。

曲线振荡频率快，所以首先减小微分

大的动态差异导致缓慢的波动。应延长分化时间

理想的曲线有两个波浪，前高后低，4比1

你再看第二次调整，多分析一下，调整的质量不会低。

这里有一个经验方法。这种方法本质上是一种试错法。它是生产实践中总结出来的行之有效的方法，在现场得到了广泛的应用。

该方法的基本流程是首先根据运行经验确定一组调节器参数，使系统进入闭环运行，然后人为地添加阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察调节器的给定值。调整数量或规定。转换器输出的阶跃响应曲线。如果认为控制质量不理想，则根据各设定参数对控制过程的影响来改变调节器参数。重复此操作，直到您满意为止。

经验法简单可靠，但需要一定的现场操作经验，设置时容易出现主观片面性。使用PID调节器时，整定参数较多，重复试验次数增多，难以获得最佳整定参数。

下面以PID调节器为例具体说明经验法的整定步骤：

设调节器参数积分系数S0=0，实际微分系数k=0。控制系统进入闭环运行。将比例系数S1由小变大，让扰动信号发生阶跃变化，观察控制过程，直至得到满意的控制。直到过程。

以比例系数S1为当前值乘以0.83，将积分系数S0从小到大增大，同时也让扰动信号进行阶跃变化，直至得到满意的控制过程。

(3) 保持积分系数S0不变，改变比例系数S1，观察控制过程是否有改善。如果有改善，继续调整，直到满意为止。否则，增大原比例系数S1，然后调整积分系数S0来改进控制过程。重复此过程，直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0。

引入适当的实微分系数k和实微分时间TD。此时，可以适当增大比例系数S1和积分系数S0。与前面的步骤类似，微分时间的设置也需要反复调整，直到控制过程满意为止。

注：仿真系统中使用的PID调节器与传统工业PID调节器不同。各参数相互隔离，互不影响。因此，用它来遵守监管规则是非常方便的。

PID参数是根据控制对象的惯量确定的。惯性大，如：大型烘房的温度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。小惯量，如小电机带水泵进行压力闭环控制，一般只采用PI控制。 P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些需要在现场调试时修正。

我提供了一个增量PID供大家参考

U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

A=Kp(1+T/Ti+Td/T)

B=Kp(1+2Td/T)

C=KpTd/T

T 采样周期Td 微分时间Ti 积分时间

您可以使用上述算法构建自己的PID算法。

U(K)=U

审稿人：彭静