pid自动控制算法应用（自动控制 pid）

今天我们就来说说如何通过实际的动态模型来讲解PID控制模式和参数调整方法！

例如：小明接到这样一个任务。有水箱漏水，漏水的速度不确定，但要求水面高度保持在一定位置。一旦发现水面高度低于要求的位置，他就必须向水箱加水。水。

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PID控制方式有哪几种？

起初，小明用勺子加水。水龙头距离水箱有十几米。他常常要跑好几次才能补充足够的水。于是小明改用水桶加水。他一加完，就装满了一个桶。行程次数变少，加水速度加快。快完成了，但是水箱溢出了好几次，我也好几次不小心弄湿了鞋子。小明再次尽力了。我没有用勺子或水桶，而是用了盆。几次之后，我发现刚刚好，不用跑太远。如此反复，就不会让水溢出来。这个检验时间称为抽样周期。起初，小明用勺子加水。水龙头距离水箱有十几米。他常常要跑好几次才能补充足够的水。于是小明改用水桶加水。他一加完，就装满了一个桶。行程次数变少，加水速度加快。快完成了，但是水箱溢出了好几次，我也好几次不小心弄湿了鞋子。小明再次尽力了。我没有用勺子或水桶，而是用了盆。几次之后，我发现刚刚好，不用跑太远。如此反复，就不会让水溢出来。这种加水工具的大小称为比例系数。小明还发现，水虽然不会溢出，但有时会高于要求的位置，仍然存在弄湿鞋子的危险。他想到了另一个办法，在水箱上安装一个漏斗。他每次加水的时候，都不会直接倒进水箱里，而是倒进漏斗里，让其慢慢添加。这样，溢出问题就解决了，但是加水的速度慢，有时跟不上漏水的速度。于是他尝试更换不同尺寸的漏斗来控制加水的速度，终于找到了一个自己满意的漏斗。漏斗的时间称为积分时间。小明终于松了口气，但任务的要求突然变得更加严格，水位控制的时效性要求大大提高。一旦水位太低，必须立即加水到需要的位置，不能太高，否则不发工资。小明又遇到麻烦了！于是他又开动了脑筋，终于让他想出了一个办法。他身边总是放一盆备用水。当他发现水位低时，他就直接倒一盆水下去，不经过漏斗。这样，时效性得到了保证，但有时水位会高很多。他在所需水面稍高的地方钻了一个水孔，然后将一根管子连接到下面的备用水桶上，这样多余的水就会从上面的孔中漏出。水漏出的速度称为微分时间。

故事中小明的实验是一步步独立完成的，但实际的加水工具、漏斗直径、溢流孔大小也会影响加水速度和水位超调量。做完后续的实验后，往往需要对之前的实验进行修改。实验结果。一个人通过PID控制将半杯印有刻度的水从水壶倒入水杯中，然后停止；

设置值：水杯半杯刻度；实际值：水杯的实际水量；输出值：从水壶中倒出的水量和从水杯中舀出的水量；测量：人眼（相当于传感器） 执行对象：执行人：倒水反执行：舀水

1P比例控制是指当人们看到水杯中的水量没有达到水杯的半杯标记时，就按照一定的水量将水壶中的水倒入水杯中。这一动作可能会导致杯子少于半杯或装满超过半杯。注：P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。当仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差。 2PI积分控制是指将一定量的水倒入杯中。如果发现杯子里的水量没有刻度，就继续倒。后来，如果发现水量超过半杯，你就会把杯子里的水舀出来。然后，如果不够，就再加点水。舀出水，直至水量达到刻度。注：在积分I 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（System with Steady-state Error）。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。 3PID微分控制是指人的眼睛看杯子里的水量与刻度的距离。当差异较大时，水壶中的水会倒出大量的水。当人看到水量接近刻度时，水壶中的水量就会减少。出水量慢慢接近刻度，直到停留在杯子中。如果能准确停在标尺位置，说明没有静差控制；如果停在刻度附近，说明有静差控制。注：在微分控制D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。

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。

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PID有哪些控制参数？

1 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。当仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差。 2 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（System with Steady-state Error）。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。 3 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。在整定PID参数时，理论上确定PID参数当然是最理想的方法，但在实际应用中，PID参数更多地是通过试错来确定的。

增大比例系数P一般会加快系统的响应速度，有利于在存在静差时减小静差。但比例系数过大，会导致系统出现较大的超调，产生振荡，从而改变稳定性。坏的。增大积分时间I有利于减小超调、减少振荡、增加系统的稳定性，但系统静误差消除时间变长。增大微分时间D有利于加快系统响应速度、减少系统超调、增加稳定性，但系统抑制扰动的能力减弱。测试时，可以参考上述参数对系统控制过程的影响趋势，实行先比例、再积分、再微分的整定步骤进行参数调整。 3

PID参数的整定方法有哪些？

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：一是理论计算整定法。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；

二是工程调优方法。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。采用该方法整定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。记下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节P、I、D的大小。

常用技巧：找到最佳的参数设置，从小到大的顺序查看；先用比例，再用积分，最后用微分；曲线振荡频繁，比例盘应加大；曲线漂浮在一个大海湾上，比例刻度盘应向下转动；如果曲线偏离且恢复缓慢，则积分时间会减少；如果曲线波动周期较长，则积分时间会较长；

个人认为，PID参数设置的大小一方面要根据控制对象的具体情况来确定；另一方面要根据控制对象的实际情况来确定。另一方面是经验。 P是解决振幅振荡问题。 P较大时，振幅振荡较大，但振荡频率较小，系统需要较长时间才能稳定。 D主要用于克服被控对象的滞后性。 D越大，响应速度越慢，反之亦然。它更快； I 消除静态误差。一般情况下，I设置比较小，对系统的影响也比较小。 1、设定比例控制，使比例控制效果由小变大，观察各响应，直至得到响应快、超调小的响应曲线。 2、如果在设定积分环节中比例控制下稳态误差不能满足要求，则必须增加积分控制。首先将上述步骤中选择的比例系数减小到原来的50-80%，然后将积分时间设置为较大的值并观察响应曲线。然后减少积分时间，增加积分效果，并相应调整比例系数。反复试验，直至获得较满意的响应，并确定比例和积分的参数。 3、如果在整定微分环节通过上述步骤，PI控制只能消除稳态误差，但动态过程不理想，则应加入微分控制，形成PID控制。先设定微分时间TD=0，逐渐增大TD，并相应改变比例系数和积分时间，反复尝试以获得满意的控制效果和PID控制参数。

审稿人：李茜