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什么是PID调节器，举例说明P，I，D的调节功能？

在工业过程中，常常要求生产设备的温度、压力、流量、液位等过程变量维持在某一值或按一定规律变化，以满足生产过程的要求。

PID控制器根据PID控制原理调整整个控制系统的偏差，使被控变量的实际值与过程要求的预定值一致。

不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器达不到预期的控制效果。

PID控制器(比例积分微分。比例-积分-微分控制器)由比例单元P、积分单元I和微分单元d组成。

通过Kp、Ki、Kd参数的设置。

PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

PID控制器是工业控制应用中常见的反馈回路元件。

该控制器将收集的数据与参考值进行比较，然后使用差值计算新的输入值。这个新输入值的目的是使系统的数据达到或保持在参考值。

与其他简单的控制操作不同，PID控制器可以根据历史数据和差异的出现率来调整输入值，这可以使系统更加精确和稳定。

从数学上可以证明，当其他控制方法导致系统存在稳定性误差或过程重复时，PID反馈回路可以保持系统的稳定性。

控制回路包括三个部分：

控制器通过输出设备做出决定。控制器从传感器得到测量结果，然后从需求结果中减去测量结果得到误差。

然后使用该误差来计算系统的校正值作为输入结果，使得系统可以从其输出结果中消除该误差。

在一个PID回路中，这个修正值有三种算法：消除当前误差，平均过去误差，通过误差的变化预测未来误差。

例如，如果一个水箱正在为植物供水，这个水箱中的水需要保持在一定的高度。

将使用传感器来检查水箱中的水位，并获得测量结果。

控制器将具有固定的用户输入值，以指示水箱所需的水位，假设该值保持65%的水量。

控制器的输出设备将连接到电机控制的水阀。

当阀门打开时，水箱将注满水；当阀门关闭时，水箱中的水将减少。

这个阀门的控制信号就是我们控制的变量，也是这个系统保持这个水箱水量固定的输入。

PID控制器可以用来控制任何可以测量和控制的变量。

比如可以用来控制温度、压力、流量、化学成分、速度等等。

一个例子是汽车上的巡航控制功能。

一些控制系统将几个PID控制器串联或链接成一个网络。

在这种情况下，一个主控制器可以输出其他控制的结果。

一个常见的例子是电机控制。

我们经常需要电机有一个受控的速度，并停在某个位置。

这样，一个子控制器管理速度，但是这个子控制器的速度由控制电机位置的主控制器管理。

组合控制和串联控制在化工过程控制系统中非常常见。

PID因其三种校正算法而得名。

这三种算法都使用加法来调整控制值。

事实上，这些加法运算大部分都变成了减法运算，因为被乘数总是负的。

这三种算法是：

比例-为了控制电流，误差值乘以一个负常数P(代表比例)，然后加到一个预定值。

只有当控制器的输出与系统的误差成正比时，p才成立。

该控制器输出的变化与输入控制器的偏差成正比。

例如，电加热器的控制器的刻度范围是10，其预定值是20

那么它会在10输出100%，15输出50%，19输出10%，注意当误差为0时，控制器的输出也为0。

积分——控制过去，误差值是过去一段时间内的误差之和，然后乘以一个负常数I，再加上预定值。

我从过去的平均误差值中找出系统的输出结果和预定值的平均误差。

简单的比例系统将围绕预定值来回振荡和变化，因为该系统不能消除多余的校正。

通过增加负的平均误差比值，平均系统误差值将总是减小。

因此，最终该PID回路系统将被设置在预定值。

微分——为了控制未来，计算误差的一阶导数，乘以一个负常数D，最后加到预定值。

这个导数的控制将响应系统的变化。

导数的结果越大，控制系统对输出结果的响应越快。

这个参数D也是PID被称为可预测控制器的原因。

d参数对减少控制器的短期变化很有帮助。

一些实际的慢速系统可能不需要D参数。

更专业地说，PID控制器在频域系统中可以称为滤波器。

这在计算最终是否会达到稳定的结果时很有用。

如果数值选择不当，控制系统的输入值将反复振荡，这可能导致系统永远达不到预设值。

虽然不同类型的控制器有不同的结构和原理，但基本的控制规律只有三种：比例(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控制。

这些控制规律可以单独使用，但在更多的场合是组合使用。

例如比例(P)控制、比例积分(PI)控制、比例积分微分(PID)控制等。

比例控制

单独比例控制也称为“微分控制”。输出的变化与输入控制器的偏差成正比，偏差越大，输出越大。

在实践中，比例带的大小应根据具体情况确定。比例带太大，控制功能太弱，不利于系统克服扰动，残差太大，控制品质差，没有控制功能。比例带过小，控制作用过强，容易导致系统稳定性变差和振荡。

对于响应灵敏、放大能力强的被控对象，为了提高系统的稳定性，比例带应稍小；对于响应较慢、放大能力较弱的被控对象，比例带可以大一些，以提高整个系统的灵敏度，并相应减小残差。

纯比例控制适用于扰动小、滞后小、负荷变化小、要求低且有一定余量的场合。

比例控制规律广泛应用于工业生产中。

比例积分控制

比例控制律是基本控制律中最基本、应用最广泛的一种，它最大的优点是控制及时、迅速。

只要有偏差，控制器就会立即控制。

然而，残差不能最终消除的缺点限制了它的独立使用。

克服残留误差的方法是在比例控制的基础上增加积分控制。

积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成比例。

这里的“积分”就是“积累”的意思。

积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，还与偏差存在的时间有关。

只要偏差存在，输出就会不断积累(输出值会变大或变小)，积累直到偏差为零才会停止。

因此，积分控制可以消除残余误差。

积分控制律也称为无差拍控制律。

集成时间表明集成控制的强度。

积分时间越小，控制效果越强；反之，控制效果越弱。

积分控制虽然可以消除残留误差，但有控制不及时的缺点。

由于积分输出的积累是渐进的，其控制效果总是滞后于偏差的变化，所以不能及时有效地克服干扰的影响，而且比较困难

这样，取两者之长可以取长补短，既具有快速及时的比例控制功能，又具有积分控制功能消除过剩的能力。

因此，比例积分控制可以实现理想的过程控制。

比例控制器是目前应用最广泛的控制器，多用于工业生产中的液位、压力、流量等控制系统。

积分的引入可以消除残差，弥补纯比例控制的缺陷，获得更好的控制品质。

但是，集成的引入会使系统的稳定性变差。

对于惯性滞后大的控制系统，尽量避免使用。

比例微分控制

比例控制对于具有时滞的被控对象并不理想。

所谓“时滞”是指当被控对象受到扰动时，被控变量并没有立即发生变化，而是存在一个时间延迟，比如容量滞后。此时，比例-积分控制是缓慢且不合时宜的。

因此，人们设想：能否根据偏差的变化趋势做出相应的控制动作？就像一个有经验的操作者，可以根据偏差改变阀门开度(比例动作)，根据偏差变化的速度预测会发生什么，从而提前控制过剩，“防患于未然”。

这就是具有“超前”控制功能的微分控制律。

微分控制器的输出取决于输入偏差的速度。

差分输出只与偏差的变化速度有关，与偏差的大小和偏差是否存在无关。

如果偏差是一个固定值，无论多大，只要不变，输出的变化一定为零，控制器没有控制作用。

微分时间越长，微分输出持续时间越长，因此微分作用越强。反之，则更弱。

当微分时间为0时，没有微分控制。

同样，差分时间的选择也需要根据实际情况来确定。

微分控制的特点是：动作迅速，超前调节功能，能有效改善大时滞被控对象的控制品质；但它不能消除残差，尤其是对于常偏差输入，根本没有控制作用。

因此，微分控制律不能单独使用。

结合比例和微分作用，比单纯的比例作用更快。

特别是对于大容量滞后的对象，可以减小动态偏差的幅度，节省控制时间，显著提高控制品质。

PID控制

最理想的控制是比例-积分-微分控制律。

它综合了三者的优点：具有及时快速的比例动作，具有积分动作消除残留误差的能力，具有微分动作的先进控制功能。

当偏差阶跳出现在时，微分立即大幅度作用，抑制这种偏差的跳跃；同时，比例可以消除偏差，减少偏差。因为比例是一个持久而重要的控制规律，可以使系统更加稳定。并且积分函数缓慢地克服剩余差。

只要三个函数的控制参数选择得当，就能充分发挥三种控制规律的优势，获得理想的控制效果。

调试方法编辑

比例系数的调整

比例系数p的调整范围一般为：0.1-100。

如果增益值为0.1，PID调节器的输出将变为偏差值的十分之一。

如果增益值是100，则PID调节器的输出变为一百倍的偏差值。

可以看出，数值越大，比值的增益效应越大。

在调整初期，选择一个较小的，然后慢慢增加，直到系统的波动足够小，再调整积分或微分系数。

p值过大会导致系统不稳定和持续振荡；太小的p值会使系统响应缓慢。

合适的值要使系统有足够的灵敏度但又不过分灵敏，某个时间的延迟要靠积分时间来调整。

积分系数的调整

积分时间常数的定义是偏差导致输出增加的时间。

当积分时间设置为1秒时，输出到chang需要1秒

例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器的输出侧叠加一个恒定的调节量。

大多数控制系统不需要调整微分时间。

因为只有有时滞的系统才需要附加这个参数。

如果画蛇添足地增加这个参数，系统的控制就会受到影响。

如果通过调整比例和积分参数不能满足期望的控制要求，可以调整微分时间。

在初始调整时，将这个系数设置得较小，然后慢慢增加，直到系统稳定。

参数设置编辑

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。

PID参数整定的方法有很多种，可以归纳为两大类：一类是理论计算和整定方法。

它主要基于系统的数学模型，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，而必须由实际工程进行调整和修改。

二是工程整定法，主要依靠工程经验，直接在控制系统的测试中进行，简单易掌握，在工程实践中应用广泛。

PID参数的工程整定方法主要有临界比值法、响应曲线法和衰减法。

三种方法各有特点，它们的共同点是通过试验，然后根据工程经验公式调整控制器参数。

但无论采用哪种方法，控制器参数都需要在实际运行中最终调整和完善。

目前一般采用临界比率法。

用这种方法整定PID控制器参数的步骤是：首先预选一个足够短的采样周期，使系统工作；(2)只增加比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，然后记录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。

[1]

在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调整效果进行修改。

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

对于流动系统：P (%) 40-100，I(得分)0.1-1

压力系统：P (%) 30-70，I(得分)0.4-3

液位系统：P (%) 20-80，I(点)1-5

找到最佳参数设置，从小到大检查。

先积分比例，再加微分。

曲线震荡频繁，比例带盘需要放大。

曲线围绕大湾浮动，比例带盘转向小盘。

曲线缓慢偏离，积分时间减少。

曲线波动周期越长，积分时间越长。

曲线振荡频率快，先降微分。

差异较大时波动较慢。

差分时间应该加长。

理想曲线有两波，前高后低4比1。

一看两次调整，多分析一下，调整质量不会低。

自适应控制编辑

首先，弄清楚什么是自适应控制。

在生产过程中，为了提高产品质量，增加产量，节约原材料，要求生产管理和生产过程始终处于最佳工作状态。

因此产生了一种最优控制方法，称为自适应控制。

在这种控制中，要求系统根据被测参数、环境和原材料成本的变化自动调整系统，使系统随时处于最佳状态。

自适应控制包括性能估计(判别)、决策和修正。

它是微机控制系统的发展方向。

但由于控制规律难以掌握，在推广中还存在一些难以解决的问题。

加入自适应pid控制具有一些智能特性，可以像生物一样适应外界条件的变化。

还有自学系统，更智能。

参数设置编辑

PID控制器参数的整定与实现——手册信息

名称：PID控制器的参数整定与实现

作者：黄友瑞，曲

出版社：中国科学出版社。

出版日期：Ja

本书在吸收国内外众多具有代表性的最新研究成果的基础上，集中介绍了作者在该领域的研究成果，主要包括：PID控制器参数整定方法；分数阶PID控制器的参数整定：基于QDRNN的多变量PID控制器的参数整定：数字PID控制器的FPGA实现：基于BP神经网络的PID控制器的FPGA实现：基于遗传算法的PID控制器的FPGA实现：基于粒子群优化的PID控制器的FPGA实现：主算法的基本程序。

本书可作为自动化相关专业的教师、学生、研究人员和工程师的参考书。

055-79000-图书目录

序

第一章引言

第二章PID控制器的参数整定方法

第三章分数阶PID控制器的参数整定

第四章基于QDRNN的多变量PID控制器参数整定

第五章数字PID控制器的FPGA实现

第六章基于BP神经网络的PID控制器的FPGA实现

第七章基于遗传算法的PID控制器的FPGA实现

第八章基于粒子群优化的PID控制器的FPGA实现

附录