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如何掌握PID重要知識點，這篇文章講得很全！

現在流程君為大家整理了系統講解PID控制及引數調節相關知識，歡迎大家一起探討補充。

在實際工程中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。

PID調節控制是一個傳統控制方法，它適用於溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現場，不同的現場，僅僅是PID引數應設定不同，只要引數設定得當均可以達到很好的效果。均可以達到0。1%，甚至更高的控制要求。

什麼是PID控制？

一、PID的故事

小明接到這樣一個任務：有一個水缸點漏水（而且漏水的速度還不一定固定不變），要求水面高度維持在某個位置，一旦發現水面高度低於要求位置，就要往水缸里加水。

小明接到任務後就一直守在水缸旁邊，時間長就覺得無聊，就跑到房裡看小說了，每30分鐘來檢查一次水面高度。水漏得太快，每次小明來檢查時，水都快漏完了，離要求的高度相差很遠，小明改為每3分鐘來檢查一次，結果每次來水都沒怎麼漏，不需要加水，來得太頻繁做的是無用功。幾次試驗後，確定每10分鐘來檢查一次。這個檢查時間就稱為取樣週期

開始小明用瓢加水，水龍頭離水缸有十幾米的距離，經常要跑好幾趟才加夠水，於是小明又改為用桶加，一加就是一桶，跑的次數少了，加水的速度也快了，但好幾次將缸給加溢位了，不小心弄溼了幾次鞋，小明又動腦筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，幾次下來，發現剛剛好，不用跑太多次，也不會讓水溢位。這個加水工具的大小就稱為比例係數

小明又發現水雖然不會加過量溢位了，有時會高過要求位置比較多，還是有打溼鞋的危險。他又想了個辦法，在水缸上裝一個漏斗，每次加水不直接倒進水缸，而是倒進漏斗讓它慢慢加。這樣溢位的問題解決了，但加水的速度又慢了，有時還趕不上漏水的速度。於是他試著變換不同大小口徑的漏斗來控制加水的速度，最後終於找到了滿意的漏斗。漏斗的時間就稱為積分時間

小明終於喘了一口，但任務的要求突然嚴了，水位控制的及時性要求大大提高，一旦水位過低，必須立即將水加到要求位置，而且不能高出太多，否則不給工錢。小明又為難了！於是他又開努腦筋，終於讓它想到一個辦法，常放一盆備用水在旁邊，一發現水位低了，不經過漏斗就是一盆水下去，這樣及時性是保證了，但水位有時會高多了。他又在要求水面位置上面一點將水鑿一孔，再接一根管子到下面的備用桶裡這樣多出的水會從上面的孔裡漏出來。這個水漏出的快慢就稱為微分時間。

看到幾個問取樣週期的帖子，臨時想了這麼個故事。微分的比喻一點牽強，不過能幫助理解就行了，呵呵，入門級的，如能幫助新手理解下PID，於願足矣。故事中小明的試驗是一步步獨立做，但實際加水工具、漏斗口徑、溢水孔的大小同時都會影響加水的速度，水位超調量的大小，做了後面的實驗後，往往還要修改改前面實驗的結果。

故事中小明的試驗是一步步獨立做，但實際加水工具、漏斗口徑、溢水孔的大小同時都會影響加水的速度，水位超調量的大小，做了後面的實驗後，往往還要修改改前面實驗的結果。

人以PID控制的方式用水壺往水杯裡倒印有刻度的半杯水後停下；

設定值：水杯的半杯刻度；

實際值：水杯的實際水量；

輸出值：水壺倒出水量和水杯舀出水量；

測量：人的眼睛（相當於感測器）

執行物件：人

正執行：倒水

反執行：舀水

（1）P比例控制

就是人看到水杯裡水量沒有達到水杯的半杯刻度，就按照一定水量從水壺裡王水杯裡倒水或者水杯的水量多過刻度，就以一定水量從水杯裡舀水出來，這個一個動作可能會造成不到半杯或者多了半杯就停下來。

說明：

P比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差訊號成比例關係。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state error）。

（2）PI積分控制

就是按照一定水量往水杯裡倒，如果發現杯裡的水量沒有刻度就一直倒，後來發現水量超過了半杯，就從杯裡往外面舀水，然後反覆不夠就倒水，多了就舀水，直到水量達到刻度。

說明：

在積分I控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號的積分成正比關係。對一個自動控制系統，如果在進入穩態後存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決於時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等於零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統在進入穩態後無穩態誤差。

（3）PID微分控制

就是人的眼睛看著杯裡水量和刻度的距離，當差距很大的時候，就用水壺大水量得倒水，當人看到水量快要接近刻度的時候，就減少水壺的得出水量，慢慢的逼近刻度，直到停留在杯中的刻度。如果最後能精確停在刻度的位置，就是無靜差控制；如果停在刻度附近，就是有靜差控制。

說明：

在微分控制D中，控制器的輸出與輸入誤差訊號的微分（即誤差的變化率）成正比關係。

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年曆史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控物件的結構和引數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以採用時，系統控制器的結構和引數必須依靠經驗和現場除錯來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全瞭解一個系統和被控物件﹐或不能透過有效的測量手段來獲得系統引數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

►PID引數

（1）比例（P）控制

P

就是比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差訊號成比例關係。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state error）。

它的作用最明顯，原理也最簡單。我們先說這個：

需要控制的量，比如水溫，有它現在的『當前值』，也有我們期望的『目標值』。

當兩者差距不大時，就讓加熱器“輕輕地”加熱一下。要是因為某些原因，溫度降低了很多，就讓加熱器“稍稍用力”加熱一下。

要是當前溫度比目標溫度低得多，就讓加熱器“開足馬力”加熱，儘快讓水溫到達目標附近。

這就是P的作用，跟開關控制方法相比，是不是“溫文爾雅”了很多

實際寫程式時，就讓偏差（目標減去當前）與調節裝置的“調節力度”，建立一個一次函式的關係，就可以實現最基本的“比例”控制了~

KP越大，調節作用越激進，KP調小會讓調節作用更保守。

要是你正在製作一個平衡車，有了KP的作用，你會發現，平衡車在平衡角度附近來回“狂抖”，比較難穩住。

（2）積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號的積分成正比關係。對一個自動控制系統，如果在進入穩態後存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決於時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等於零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統在進入穩態後無穩態誤差。

（3）微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號的微分（即誤差的變化率）成正比關係。

自動控

制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振盪甚至失穩。

其原因是由於存在有較大慣性元件（環節）或有滯後（delay）元件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落後於誤差的變化。

解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。

這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等於零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。

所以對有較大慣性或滯後的被控物件，比例+微分（PD）控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。

在PID引數進行整定時如果能夠有理論的方法確定PID引數當然是最理想的方法，但是在實際的應用中，更多的是透過湊試法來確定PID的引數。

增大比例係數P一般將加快系統的響應，在有靜差的情況下有利於減小靜差，但是過大的比例係數會使系統有比較大的超調，併產生振盪，使穩定性變壞。

增大積分時間I有利於減小超調，減小振盪，使系統的穩定性增加，但是系統靜差消除時間變長。

增大微分時間D有利於加快系統的響應速度，使系統超調量減小，穩定性增加，但系統對擾動的抑制能力減弱。

在湊試時，可參考以上引數對系統控制過程的影響趨勢，對引數調整實行先比例、後積分，再微分的整定步驟。

►

PID控制器引數整定的方法

PID控制器的引數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例係數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器引數整定的方法很多，概括起來有兩大類：

一、理論計算整定法

它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器引數。這種方法所得到的計算資料未必可以直接用，還必須透過工程實際進行調整和修改；

二、工程整定方法

它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易於掌握，在工程實際中被廣泛採用。PID控制器引數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是透過試驗，然後按照工程經驗公式對控制器引數進行整定。但無論採用哪一種方法所得到的控制器引數，都需要在實際執行中進行最後調整與完善。

現在一般採用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器引數的整定步驟如下：

（1） 首先預選擇一個足夠短的取樣週期讓系統工作；

（2） 僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振盪，記下這時的比例放大係數和臨界振盪週期；

（3） 在一定的控制度下透過公式計算得到PID控制器的引數。

PID引數的設定：是靠經驗及工藝的熟悉，參考測量值跟蹤與設定值曲線，從而調整P、I、D的大小。

常用口訣：

引數整定找最佳，從小到大順序查；

先是比例後積分，最後再把微分加；

曲線振盪很頻繁，比例度盤要放大；

曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；

曲線偏離回覆慢，積分時間往下降；

曲線波動週期長，積分時間再加長；

第一步、整定比例控制

將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。

第二步、整定積分環節

若在比例控制下穩態誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將上面步驟中選擇的比例係數減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然後減小積分時間，加大積分作用，並相應調整比例係數，反覆試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的引數。

第三步、整定微分環節

若經過以上步驟，PI控制只能消除穩態誤差，而動態過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例係數和積分時間，反覆試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制引數。

PID的15個基本概念

沒有金剛鑽，不攬瓷器活。為了能夠掌握並運用PID，我們非常有必要學習下基本概念來武裝自己，部分概念會配上實際工程中常用的表示方法，以“實：”開頭。

1 被調量：反映被調物件的實際波動的量值。被調量是經常變化的。

實：常用檢測到的反饋值表示，如yout（t）。

2 設定值：PID調節器設定值就是人們期待被調量需要達到的值。設定值可以是固定的，也可以是變化的。

實：人為設定，多用rin（t）表示。

3 控制輸出：PID調節器根據被調量的變化情況運算之後發出的讓外部執行結構按照它的要求動作的指令，即整個調節器的輸出。請注意與被調量yout（t）的區別，這兩個是完全不同的概念，經常有人在混淆這兩個概念。

實：你經常看到的公式“u（t）=kp［e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt］”中的u（t）。

4 輸入偏差：輸入偏差時被調量和設定值之間的差值。

實：error（t）=rin（t）-yout（t）。

5 P（比例）：P就是比例作用，簡單說就是輸入偏差乘以一個係數。

實：如kp，KP都是一樣的。

6 I（積分）：I就是積分，簡單說就是將輸入偏差進行積分運算。

實：如ki。

7 D（積分）：D就是微分，簡單說就是將輸入偏差進行微分運算。

實：如kd。

8 PID基本公式PID調節器引數整定過程通俗講就是先把系統調為純比例作用，逐步增強比例作用讓系統產生等幅振盪，記錄下比例作用和振盪週期，然後這個比例作用乘以0。6，積分作用適當延長

KP= 0。6*Km

KD= KP*π/4ω 或 KD= KP*tu/8

KI= KP*ω/π 或 KI= 2KP/tu

KP：比例控制引數；

KD：積分控制引數；

KI：微分控制引數；

Km：系統開始振盪時的比例值，通常稱為臨界比例值；

ω：等幅振盪時的頻率，tu為振盪週期。這裡 tuω =2π，而不是tuω=1，學過傅立葉和拉氏變換的同學應該明白這是為什麼，這裡不做深入探討。

9 單迴路：單迴路就是隻有一個PID的調節系統。

10 串級：一個PID不夠用，串級就是把兩個PID串接起來形成一個串級調節系統，也被成為雙迴路調節系統。串級調節系統裡PID調節器有主調和副調之分。

在串級調節系統中要調節被調量的PID叫做主調，輸出直接去指揮執行器動作的PID叫做副調，主調的控制輸出進入副調作為副調的設定值。主調選用單迴路PID調節器，副調選用外給定調節器。

11 正作用

對於PID調節器而言，控制輸出隨被調量增高而增高，隨被調量減少而減少的作用，叫做PID正作用。

12 負作用

對於PID調節器而言，控制輸出隨被調量增高而降低，隨被調量減少而增高的作用，叫做PID負作用。

13 動態偏差

在調節過程中，被調量和設定值之間的偏差隨時改變，任意時刻兩者之間的偏差叫做動態偏差。

14 靜態偏差

調節趨於穩定之後，被調量和設定值之間還存在的偏差交靜態偏差。消除靜態偏差是透過PID調節器積分作用來實現的。

15回撥

調節器調節作用顯示，使被調量開始由上升變為下降，或者由下降變為上升趨勢成為回撥。