PID控制简述集合

  尽管不同类型的控制器，其结构

、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制
。这几种控制规律可以单独使用，但更多场合是组合使用。如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。

1. 比例（P）控制

  单独的比例控制也称“有差控制”


，输出变化与输入控制器的偏差成比例关系
，偏差越大输出越大
。实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定
，比例度太小，控制作用太弱
，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例度太大
，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡
。

对于反应灵敏

、放大能力强的被控对象
，为提高系统的稳定性

，应当使比例度稍小些
；而对于反应迟钝，放大能力较弱的被控对象
，比例度可选大一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相应减小余差。

单纯的比例控制适用扰动不大，滞后较小

，负荷变化小，要求不高，允许一定余差存在的场合
。工业生产中比例控制使用较为普遍。

2. 比例积分（PI）控制

  比例控制是最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时

、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用
。

积分控制的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这里的“积分”指的是“积累”的意思。积分控制器的输出不仅与输入偏差大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小）
，一直到偏差为零
，累积才会停止。所以
，积分控制可以消除余差。积分控制又称无差控制
。

积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间越小
，控制作用越强；反之，控制作用越弱。

积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差变化
，不能及时有效地克服干扰的影响
，难以使控制系统稳定下来。所以
，实用中一般不单独使用积分控制
，而是和比例控制结合起来
，构成比例积分控制
。这样取二者之长
，互相弥补
，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。

比例积分控制器是目前应用最为广泛的控制器

，多用于工业生产中液位、压力
、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差
，弥补了纯比例控制的缺陷
，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入
，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。

3. 比例微分（PD）控制

  比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。所谓“时间滞后”指的是
：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后
，此时比例积分控制显得迟钝、不及时
。为此，人们设想
：能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的大小来改变阀门的开度（比例作用）
，又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。这就是具有“超前”控制作用的微分控制规律
。微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度
。

微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小以及偏差是否存在与否无关。如果偏差为一固定值
，不管多大
，只要不变化
，则输出的变化一定为零
，控制器没有任何控制作用
。

微分时间越大
，微分输出维持的时间就越长
，因此微分作用越强
；反之则越弱。当微分时间为0时
，就没有微分控制作用了。同理，微分时间的选取
，也是需要根据实际情况来确定的。

微分控制作用的特点是
：动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不能消除余差

，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。因此，不能单独使用微分控制规律。

比例和微分作用结合
，比单纯的比例作用更快
。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。

4. 比例积分微分（PID）控制

  最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能
。

当偏差阶跃出现时

，微分立即大幅度动作
，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小
，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律
，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果
。

5. PID控制器调试方法

５.１　比例系数的调节

  比例系数P的调节范围一般是：0.1--100。如果增益值取 0.1，PID 调节器输出变化为十分之一的偏差值
。如果增益值取 100， PID 调节器输出变化为一百倍的偏差值
。

可见该值越大，比例产生的增益作用越大。初调时
，选小一些
，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再该调节积分或微分系数
。过大的P值会导致系统不稳定
，持续振荡；过小的P值又会使系统反应迟钝
。合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏
，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节
。

５.２ 积分系数的调节

  积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。积分时间设为 1秒，则输出变化 100%所需时间为 1 秒

。初调时要把积分时间设置长些
，然后慢慢调小直到系统稳定为止。

5.3  微分系数的调节

  微分值是偏差值的变化率。例如
，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。

大部分控制系统不需要调节微分时间
。因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数，如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响
。 如果通过比例
、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。

5.4  总结

  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的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类

：一是理论计算整定法。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。二是工程整定方法，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
。

在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

对于温度系统
：P（%）20--60
，I（分）3--10
，D（分）0.5--3

对于流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1

对于压力系统
：P（%）30--70，I（分）0.4--3

对于液位系统：P（%）20--80
，I（分）1--5

5.5  PID整定口诀　

参数整定找最佳，从小到大顺序查 ；

  先是比例后积分，最后再把微分加 。

  曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 ；

  曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 
。

  曲线偏离回复慢，积分时间往下降 ；

  曲线波动周期长，积分时间再加长 。

  曲线振荡频率快，先把微分降下来
；

  动差大来波动慢。微分时间应加长 
。

  理想曲线两个波，前高后低4比1 ；

  一看二调多分析，调节质量不会低
。