什么是pid(系统理解PID控制)

在实际工程中，应用最广泛的调节器控制规律是比例、积分和微分控制，简称PID控制，也称PID调节。PID控制器因其结构简单、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。

PID控制是一种传统的控制方法，几乎适用于温度、压力、流量和液位等所有场合。在不同的场所，只需对PID参数进行不同的设置，只要参数设置得当，就能取得良好的效果。可以达到0.1%甚至更高的控制要求。

今天，我给大家一个理论上的解释。在下一篇文章中，我将解释西门子S7-200、S7-300和薄涂PLC如何使用PID控制，以及如何编程和注意。

如果你喜欢，请注意！

那么什么是PID控制呢？

先给大家举个例子！

一、PID的故事

小明接到这样一个任务:一个水箱漏水(而且漏水的速度不一定恒定)，要求水面高度保持在一定位置。一旦发现水面高度低于所需位置，应向水箱加水。

接到任务后，小明一直待在水箱旁。时间长了，他觉得无聊，就跑到房间里看小说，每30分钟检查一次水位。水漏得太快了。小明每次来检查，水都漏了出来，离要求的高度还很远。小明每3分钟换一次检查。这样一来，水每次都不会漏得很厉害，也就不用加水了。他经常做的事毫无用处。几次测试后，确保每10分钟检查一次。这个检验时间称为取样周期。

起初，小明用勺子加水。水龙头离水箱十几米远，经常要走好几趟才能加够水。于是小明改用水桶加水。一加是一个桶。跑步次数少，加水速度快。然而，有几次，水箱溢出来了，鞋子不小心弄湿了。小明又动了动脑子。我不需要勺子或水桶。老子用了一盆。几趟下来，发现刚刚好，不需要跑太多次。这个浇水工具的大小叫做比例因子。

小明还发现，虽然水不会过度溢出，但有时会高于所需位置，仍有湿鞋的危险。他想到了另一种在水箱里安装漏斗的方法。每次都不是直接往水箱里倒水，而是倒进漏斗里，让它慢慢加。这个溢出的问题已经解决了，但是加水的速度比较慢，有时候跟不上漏水的速度。于是他尝试更换不同大小的漏斗来控制加水的速度，最终找到了一个满意的漏斗。漏斗时间称为积分时间。

小明终于松了一口气，但任务的要求突然变得严格起来，水位控制的时效性大大提高。一旦水位过低，必须立即将水加到要求的位置，不能过高，否则不发工资。小明又尴尬了！于是他再次努力，终于让它想出了一个办法。他经常在旁边放一盆备用水。当他发现水位低的时候，他会带着一盆水下去，不用经过漏斗，所以时效性是有保证的，但有时候水位会高很多。他在略高于所需水位的水中凿了一个洞，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洞里漏出来。这种漏水的速度被称为微分时间。

看到几个帖子询问采样周期，暂时想到了这个故事。微分的类比有点牵强，但是可以帮助理解，呵呵，入门级，如果能帮助新手理解PID，就足够了。故事中，小明的实验是一步一步独立完成的，但实际加水工具、漏斗直径、溢流孔大小都会同时影响加水速度和水位超调大小。在做了后面的实验之后，前面实验的结果往往会被修改。

故事中，小明的实验是一步一步独立完成的，但实际加水工具、漏斗直径、溢流孔大小都会同时影响加水速度和水位超调大小。在做了后面的实验之后，前面实验的结果往往会被修改。

采用PID控制的方式，用水壶将半杯水倒入杯中，然后停止；

设定值:水杯半杯刻度；

实际值:杯子中的实际水量；

输出:水壶倒水，杯子舀水；

测量:人眼(相当于传感器)

执行人:人

执行:倒水。

反向:舀水

(1)比例控制

也就是人们看到水杯里的水量没有达到水杯刻度的一半，就按照一定的水量或者水杯里的水量超过刻度，从水壶里的国王水杯里倒水，用一定的水量从水杯里舀水。此操作可能会导致少于半杯或多于半杯停止。

描述:

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

(2)PI积分控制

也就是往杯子里倒一定量的水。如果你发现杯子里的水没有刻度，你会一直倒下去。后来发现水量超过半杯，就会从杯子里舀水到外面，不够的话再反复倒水，太多的时候再舀，直到水量达到刻度。

描述:

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，如果进入稳态后有稳态误差，则称控制系统有稳态误差或简称有稳态误差的系统。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入“积分项”。积分项对的误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增加。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而增加，这将推动控制器的输出增加，进一步减小稳态误差，直到它等于零。因此，比例积分控制器可以使系统进入稳态后没有稳态误差。

(3)PID微分控制

也就是人们的眼睛看杯子里的水量和刻度之间的距离。当有大的缺口时，他们会用水壶里的大量水来倒水。当人们看到水的量接近刻度时，他们会减少水壶中的水量，慢慢接近刻度，直到停留在杯子中的刻度处。最后，如果它能准确地停在标尺的位置，那就不是静态误差控制；如果你停在标尺附近，就有静态误差控制。

描述:

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律是比例、积分和微分控制，简称PID控制，也称PID调节。PID控制器已有近70年的历史。由于其结构简单、稳定性好、运行可靠、调节方便，已成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或不能得到精确的数学模型，以及控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须通过经验和现场调试来确定。此时应用PID控制技术最为方便。也就是说，当我们不能完全理解一个系统和被控对象，或者不能通过有效的测量手段得到系统参数时，PID控制技术是最适合的。PID控制，其实也有PI和PD控制。PID控制器是根据系统误差，利用比例、积分和微分计算控制量来控制的。

PID参数

(1)比例(P)控制

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

(2)积分(一)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比例。对于自动控制系统，如果进入稳态后有稳态误差，则称控制系统有稳态误差或简称有稳态误差的系统。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入“积分项”。积分项对的误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增加。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而增加，这将推动控制器的输出增加，进一步减小稳态误差，直到它等于零。因此，比例积分控制器可以使系统进入稳态后没有稳态误差。

(3)差动控制

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。在克服误差的调节过程中，自动控制系统可能会振荡甚至失去稳定性。原因是存在较大的惯性分量(环节)或延迟分量，可以抑制误差，其变化总是滞后于误差的变化。解决办法是“提前”误差抑制函数的变化，即当误差趋近于零时，误差抑制函数应为零。也就是说，仅仅在控制器中引入“比例”这个术语往往是不够的。比例项的作用只是放大误差的幅度，但目前需要加入的是“微分项”，可以预测误差的变化趋势。这样，比例+微分的控制器可以使抑制误差的控制效果提前等于零甚至为负，从而避免被控量的严重超调。因此，对于大惯性或大滞后的被控对象，比例微分控制器可以改善系统在调节过程中的动态特性。

如果说在调节PID参数时，有一种理论方法可以确定PID参数，当然是最理想的方法。然而，在实际应用中，更多的是采用试错法来确定PID参数。

增大比例系数p一般会加快系统的响应速度，有静态误差时有助于减小静态误差。但如果比例系数过大，系统会有较大的超调，产生振荡，使稳定性变差。

增加积分时间I有利于减小超调和振荡，增加系统的稳定性，但系统静态误差的消除时间变长。

增加微分时间d有利于加快系统的响应速度，减小系统的超调量，增加稳定性，但系统抑制扰动的能力减弱。

在试运行中，可以参考上述参数对系统控制过程的影响趋势，实施先比例后积分再微分的设置步骤进行参数调整。

PID控制器参数调整方法

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。根据被控过程的特点，确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间。整定PID控制器参数的方法有很多，可以归纳为两类:

一、理论计算及设定方法

主要是根据系统的数学模型，通过理论计算确定控制器参数。用这种方法得到的计算数据不能直接使用，必须通过实际项目进行调整和修改。

二、工程设置方法

主要依靠工程经验，直接在控制系统的测试中进行。该方法简单易掌握，在工程实践中应用广泛。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。它们的共同点是控制器参数通过测试后根据工程经验公式进行整定。然而，无论采用哪种方法，在实际操作中，控制器参数最终都需要调整和改进。

现在一般用临界比法。用这种方法整定PID控制器参数的步骤如下:

(1)首先，预选一个足够短的采样周期，以便系统工作；

(2)只加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，并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，用公式计算PID控制器的参数。

PID参数的设定:是依靠经验和对工艺的熟悉，参照测量值跟踪和设定值曲线，来调整P、I、D的大小。

通用公式:

找到最佳参数设置，从小到大顺序检查；

先比例后积分，最后加微分；

曲线振荡频繁，比例带有待扩大；

曲线绕大湾浮动，比例带盘转小拉；

曲线偏差恢复慢，积分时间减少；

曲线波动周期越长，积分时间越长；

第一步，设置比例控制

将比例控制函数由小变大，观察各个响应，直到得到响应快、超调小的响应曲线。

第二步，积分环节

如果比例控制下稳态误差不能满足要求，应加入积分控制。首先将上一步选择的比例系数降低到初始值的50 ~ 80%，然后将积分时间设置为更大的值，观察响应曲线。然后，减少积分时间，增加积分函数，相应调整比例系数，反复尝试，直到得到满意的响应，从而确定比例和积分的参数。

第三步是调整差速器连杆。

如果通过以上步骤，PI控制只能消除稳态误差，动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，形成PID控制。首先设定微分时间TD=0，逐渐增加TD，同时相应改变比例系数和积分时间，反复尝试，获得满意的控制效果和PID控制参数。

PID的15个基本概念

没有金刚钻，没有瓷器作品。为了掌握和应用PID，我们学习基本概念来武装自己是非常必要的。有些概念会与实际项目中常用的表达相匹配，从“real:”开始。

1调整数量:反映调整对象实际波动的数量。调节量总是在变化。

实际:通常由检测到的反馈值指示，如yout(t)。

2设定值:PID调节器的设定值是人们期望调节量达到的值。设定值可以是固定的或可变的。

实际的:人工设定的，通常用rin(t)表示。

3控制输出:PID调节器根据被调节量的变化，即整个调节器的输出，进行运算后，发出指令，使外部执行结构按其要求动作。请注意与调整后的数量的差异。这两个概念是完全不同的，人们经常混淆这两个概念。

其实:你经常看到公式“u(t)= KP[e(t)+1/ti∫e(t)dt+TD * de(t)/dt]”中的u(t)。

4输入偏差:输入偏差时调整量与设定值的差值。

实际上:误差(t)=rin(t)-yout(t)。

P(比例):P是比例作用，简单来说就是输入偏差乘以一个系数。

现实:和kp一样，KP也是一样的。

I(积分):I是积分，简单来说就是对输入偏差进行积分。

现实:比如ki。

d(积分):D是微分，简单来说就是输入偏差的微分运算。

现实:比如kd。

8 PID基础公式PID调节器参数设置过程是先将系统调整到纯比例动作，逐步加强比例动作使系统产生等幅振荡，记录比例动作和振荡周期，然后将比例动作乘以0.6，并适当延长积分动作。

KP= 0.6*Km

KD= KP*/4或KD= KP*tu/8

KI= KP*/或KI= 2KP/tu

KP:比例控制参数；

KD:积分控制参数；

KI:微分控制参数；

Km:系统开始振荡时的比例值，通常称为临界比例值；

:恒幅振荡的频率，tu为振荡周期。这里，tu =2，不是tu=1。学过傅里叶和拉普拉斯变换的同学应该都明白这是为什么，所以这里就不深入讨论了。

9.单回路:单回路是只有一个PID的调节系统。

10级联:一个PID不够。串级是将两个PID串联起来形成串级控制系统，也称为双环控制系统。在串级控制系统中，PID调节器可分为主调节器和辅助调节器。

在串级控制系统中，被调节量的PID称为主音，其输出直接指导执行机构动作的PID称为副音，主音的控制输出作为副音的设定值进入副音。主调节器采用单回路PID调节器，辅助调节器采用外部调节器。

1积极效果

对于PID调节器，控制输出随调节量的增大而增大，随调节量的减小而减小，这就是所谓的PID正效应。

12个负面影响

对于PID调节器，控制输出随调节量的增大而减小，随调节量的减小而增大，这就是所谓的PID负效应。

13动态偏差

在调整过程中，被调整量与设定值之间的偏差随时发生变化，它们之间随时发生的偏差称为动态偏差。

14静态偏差

调整趋于稳定后，调整量与设定值仍有偏差。静态偏差的消除是通过PID调节器的积分功能实现的。

15回调

调节器的调节功能显示，被调节量开始由上升转为下降，或由下降转为上升趋势转为回调。

你明白吗？

收集80条评论。

李再猜猜2019年2月21日

都是理论没有参数调优的视频？下次我会做一个参数调优的视频。

回复 ⋅ 1条回复5 yyd02182019年1月20日

收藏，写得好。

回复 ⋅ 1条回复0 胡北风2019年12月28日

有多少人懂？我来告诉你怎么理解。可以先用，也有实用的场合，比如恒压供水，只需要设置几个参数，然后深入理论，再C程序，电路等等。否则，你永远不会明白。宇宙法则:先易后难，先简后繁，由外到内，循序渐进。你不明白的原因是因为你违反了学习规则！

回复2 非常小蚂蚁的万亩桃园3月前

说实话，我觉得写得不错，但还是很迷茫。具体情况不知道怎么调整。、、、我的理解是P是一个大I，一个中键和D的微调来达到目的。我不知道这个理解是否正确，但是在实际应用中如何使用，当我看到很多公式的时候是一个头疼的问题。

回复1 Z立方邦主2019年5月15日

自动PID控制原理颠覆了近一个世纪的控制理论体系。

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