PID调节是什么意思(pid控制中的pid分别表示什么)

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　　经常看关于PID调节的书，好像听不懂他们说什么。有一些技术人员一提到PID调节就摇头。我不明白！那么PID调节的本质是什么呢？流行的概念是什么？边肖将给你分析今天PID调节意味着什么。我们先来看看概念图。

　　 PID是比例、积分、微分的缩写。PID控制的难点不在于编程，而在于控制器的参数设置。参数设置的关键是正确理解各参数的物理意义，手动控制炉温即可理解PID控制的原理。

　　 1.比例控制

　　有经验的操作人员可以手动控制电加热炉的温度，这样可以获得非常好的控制品质。PID控制与手动控制有许多相似之处。

　　下面介绍操作人员如何用比例控制的思想手动控制电加热炉的温度。假设用热电偶检测炉温，用数字仪表显示温度值。在控制过程中，操作者用眼睛读取炉温，与炉温给定值进行比较，得到温度的误差值。然后用手操作电位器调节加热电流，使炉温保持在给定值附近。

　　操作人员知道炉温稳定在给定值时电位器的大概位置(我们称之为位置L)，根据当时的温度误差值调整控制加热电流的电位器角度。当炉温小于给定值时，误差为正。在位置L的基础上，顺时针增加电位计的角度以增加加热电流。当炉温大于给定值时，误差为负值。以位置L为基准，逆时针减小电位器的角度，使角度与位置L之差与误差成正比。上述控制策略为比例控制，即PID控制器输出的比例部分与误差成比例。

　　闭环中有各种各样的延迟效应。比如调整电位器的角度后，当温度上升到新角度对应的稳态值时，会有很大的时间延迟。由于存在延迟因素，调节电位器角度后不能立即看到调节效果，所以闭环控制系统调节困难的主要原因是系统中的延迟效应。

　　如果控制的比例系数过小，即调整后电位器的角度和位置L之差过小，调整的力度不够，使系统的输出变化缓慢，调整所需的总时间过长。如果比例系数过大，即电位器的角度与调节后的位置L相差过大，调节力度过大会导致调节过度，甚至温度来回波动。

　　增加比例系数可以使系统反应灵敏，加快调节速度，减小稳态误差。但如果比例系数过大，超调量增大，振荡次数增加，调整时间延长，动态性能变差。如果比例系数过大，闭环系统甚至会不稳定。

　　单纯的比例控制很难保证适当的调节和完全消除误差。

　　 2.积分控制

　　 PID控制器中的积分对应于图1中误差曲线和坐标轴所包围的区域(图中灰色部分)。PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。计算机程序使用图1中矩形区域的总和来近似精确积分，其中TS是采样周期。

　　图1整体操作示意图

　　每次PID运算，在原有积分值的基础上，增加与当前误差值ev(n)成比例的微小部分。当误差为负时，积分增量为负。

　　手动调节温度时，积分控制相当于根据当时的误差值周期性微调电位器的角度，每次调节的角度增量值与当时的误差值成正比。当温度低于设定值时，误差为正，积分项增大，使得加热电流逐渐增大，反之积分项减小。，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分效应而不断变化。平差的“大方向”是正确的，积分项可以减少误差。直到系统处于稳态，当误差恒定为零，比例部分和微分部分都为零时，积分部分不再变化，正好等于稳态所需的控制器输出值，对应于上述温控系统中电位器角度的位置L。所以积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，一般是必须的。

　　 PID控制器输出的积分部分与误差的积分成比例。因为积分时间TI在积分项的分母中，TI越小，积分项变化越快，积分效果越强。

　　 3.PI控制

　　控制器输出中的积分项与当前误差值和历次误差值的累积值成正比，积分本身具有严重的滞后特性，对系统的稳定性不利。如果积分项的系数设置不好，它的负面效应很难被积分效应本身快速修正。比例项没有延迟，只要误差一出现，比例部分就会立即工作。所以积分函数很少单独使用。它通常与比例和微分功能结合使用，形成PI或PID控制器。

　　而PID控制器既克服了简单比例调节带来的稳态误差的缺点，又避免了简单积分调节带来的响应慢、动态性能差的缺点，得到了广泛的应用。

　　如果控制器具有积分功能(如PI或PID控制)，积分可以消除阶跃输入的稳态误差，然后可以将比例系数调小。

　　如果积分效应过强(即积分时间过短)，相当于每个微调电位器的角度值过大，其累积效应会恶化系统输出的动态性能，增加超调量，甚至使系统不稳定。如果积分效果太弱(即积分时间太长)，消除稳态误差的速度太慢，积分时间的取值要适中。

　　 4.差动作用

　　误差的微分就是误差的变化率。误差变化越快，其微分的绝对值就越大。当误差增大时，其微分为正；当误差减小时，其微分为负。控制器输出的微分部分与误差的微除成正比，反映了被控量的变化趋势。

　　有经验的操作人员根据温度上升过快但尚未达到设定值时的温度变化趋势，预计温度将超过设定值，出现超调。然后调整电位器角度，提前降低加热电流。这相当于士兵射击远处移动目标时，考虑到子弹的运动时间，有一定的提前量。

　　图2阶跃响应曲线

　　图2中的C ()是被控量c (t)的稳态值或被控量的期望值，误差e(t)=c ()-c (t)。在

　　图2中启动过程的上升阶段，当时，被控量尚未超过其稳态值。因为误差e(t)不断减小，误差的微分和控制器输出的微分部分为负值，减小了控制器的输出量，相当于提前给出了制动作用，以阻碍被控量的上升，所以可以减少超调量。微分控制具有超前和预测的特性，在超调尚未出现之前，就能提前给出控 用。

　　闭环控制系统的振荡甚至不稳定的根本原因在于有较大的滞后因素。因为微分项能预测误差变化的趋势，这种“超前”的作用可以抵消滞后因素的影响。适当的微分控 用可以使超调量减小，增加系统的稳定性。

　　对于有较大的滞后特性的被控对象，如果PI控制的效果不理想，可以考虑增加微分控制，以改善系统在调节过程中的动态特性。如果将微分时间设置为0，微分部分将不起作用。

　　微分时间与微分作用的强弱成正比，微分时间越大，微分作用越强。如果微分时间太大，在误差快速变化时，响应曲线上可能会出现“毛刺”。

　　微分控制的缺点是对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的能力降低。为此可在微分部分增加惯性滤波环节。

　　5.采样周期

　　PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。采样周期越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使PID控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将采样周期取得过小。

　　应保证在被控量迅速变化时(例如启动过程中的上升阶段)，能有足够多的采样点数，不致因为采样点数过少而丢失被采集的模拟量中的重要信息。

　　6.PID参数的调整

　　在整定PID控制器参数时，可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的 来调节控制器的参数。有经验的调试人员一般可以较快地得到较为满意的调试结果。在调试中最重要的问题是在系统性能不能令人满意时，知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小。

　　为了减少需要整定的参数，可以采用PI控制器。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号，根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。应根据PID参数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。

　　如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量，被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。

　　如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。

　　反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。

　　7.PID校正网络分析

　　一个自动控制系统要能很好地完成任务，必须工作稳定，还必须满足调节过程的质量指标要求。即系统的响应快慢、稳定性、最大偏差等。很明显，自动控制系统总希望在稳定工作状态下，具有较高的控制质量，我们希望持续时间短、超调量小、摆动次数少。为了保证系统的精度，就要求系统有很高的放大系数，放大系数一高，又会造成系统不稳定，甚至系统产生振荡。反之，只考虑调节过程的稳定性，又无法满足精度要求。，调节过程中，系统稳定性与精度之间产生了矛盾。

　　如何解决这个矛盾，可以根据控制系统设计要求和实际情况，在控制系统中插入“校正网络”，矛盾就可以得到较好解决。这种“校正网络”，有很多 完成，其中就有PID 。简单的讲，PID“校正网络”是由比例积分PI和比例微分PD"元件组"成的。

　　微分

　　从电学原理我们知道，见图2，当脉冲信号通过RC电路时，电容两端电压不能突变，电流超前电压90°，输入电压通过电阻R向电容充电，电流在t1时刻瞬间达到最大值，电阻两端电压Usc此刻也达到最大值。随着电容两端电压不断升高，充电电流逐渐减小，电阻两端电压Usc也逐渐降低，为0，形成一个锯齿波电压。这种电路称为微分电路，由于它对阶跃输入信号前沿“反应”激烈，其性质有加速作用。

　　积分

　　我们再来看图3，脉冲信号出现时，通过电阻R向电容充电，电容两端电压不能突变，电流在t1时刻瞬间达到最大值，电阻两端电压此刻也达到最大值。电容两端电压Usc随着时间t不断升高，充电电流逐渐减小，为0，电容两端电压Usc也达到最大值，形成一个对数曲线。这种电路称为积分电路，由于它对阶跃输入信号前沿“反应”迟缓，其性质是“阻尼”缓冲作用。

　　插入校正网络的情况

　　现在我们讨论自动控制系统引入比例积分PI的情况，见图4。曲线PI(1)对阶跃信号的响应特性曲线，当t=0时，PI的输出电压很小，(由比例系数决定)当t 0时，输出电压按积分特性线性上升，系统放大系数Ue线性增大。这就是说，当系统输入端出现大的误差时，控制输出电压不会立即变得很大，而是随着时间的推移和系统误差不断地减小，PI的输出电压不断增加，既，系统放大系数Ue不断线性增大。我们称这种特性为系统阻尼。决定阻尼系数因素是PI比例系数和积分时间常数。要不断提高控制系统的质量，就要不断改变PI比例系数和积分时间常数。

　　我们再讨论控制系统引入比例微分PD的情况，见图4。曲线PD(2)对输入信号的响应特性曲线，当t=0时，PD使系统放大系数Ue骤增。这就是说，当系统输入端出现误差时，控制输出电压会立即变大。我们称这种特性为加速作用。可以看出，过强的微分信号会使控制系统不稳定。所以在使用中，必须认真调节PD比例系数和微分时间常数。

　　为妥善解决系统稳定性与精度之间的矛盾，往往将比例积分PI与比例微分PD组合使用，形成“校正网络”，也称PID调节。PID调节特性曲线PID(3)(图4)，是PI、PD特性曲线合成的。适当的调节PI、PD上述各系数，就能保证控制系统即快又稳的工作。

　　结论

　　PID调节器实际是一个放大系数可自动调节的放大器，动态时，放大系数较低，是为了防止系统出现超调与振荡。静态时，放大系数较高，可以蒱捉到小误差信号，提高控制精度。

　　，PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必须的。

　　pid是什么意思

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