PID控制算法及参数设定

1、PID 控制器 工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定 的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理 对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。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控制器将达不到 预期的控制效果。PID 控制器PID控制器（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和Kd三个参数的设定0 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 控制器是一个在工业控制应用

2、中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和 一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以 让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历 史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学 的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路 却可以保持系统的稳定。反馈回路基础一个控制回路包括三个部分：系统的传感器得到的测量结果 控制器作出决定 通过一个输出设备来作出反应 控制器 从传感器得到测量结果，然后用需求结果减去测量结果来得到误差。然后用误差来计算出

3、一 个对系统的纠正值来作为输入结果，这样系统就可以从它的输出结果中消除误差。在一个PID回路中，这个纠正值有三种算法，消除目前的误差，平均过去的误差，和透 过误差的改变来预测将来的误差。比如说，假如一个水箱在为一个植物提供水，这个水箱的水需要保持在一定的高度。一 个传感器就会用来检查水箱里水的高度，这样就得到了测量结果。控制器会有一个固定的用 户输入值来表示水箱需要的水面高度，假设这个值是保持 65的水量。控制器的输出设备 会连在一个马达控制的水阀门上。打开阀门就会给水箱注水，关上阀门就会让水箱里的水量 下降。这个阀门的控制信号就是我们控制的变量，它也是这个系统的输入来保持这个水箱水 量的固定

4、。PID 控制器可以用来控制任何可以被测量的并且可以被控制变量。比如，它可以用来控 制温度，压强，流量，化学成分，速度等等。汽车上的巡航定速功能就是一个例子。一些控制系统把数个PID控制器串联起来，或是链成网络。这样的话，一个主控制器可 能会为其他控制输出结果。一个常见的例子是马达的控制。我们会常常需要马达有一个控制 的速度并且停在一个确定的位置。这样呢，一个子控制器来管理速度，但是这个子控制器的 速度是由控制马达位置的主控制器来管理的。连合和串联控制在化学过程控制系统中是很常见的。理论PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实 际上这些加法运算大部分变成了

5、减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是：比例-来控制当前，误差值和一个负常数P （表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制 器的偏差成比例关系。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10 C,它的预定值是 20 C。那么它在10 C的时候会输出100%，在15 C的时候会输出50%，在19 C的时 候输出 10，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。积分-来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I,然后 和预定值相加。 I 从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简 单

6、的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加 上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系 统会在预定值定下来。导数-来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。 这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作 出更快速的反应。这个 D 参数也是 PID 被称为可预测的控制器的原因。 D 参数对减少控制器 短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。用更专业的话来 讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达

7、到 稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永 远无法达到预设值。控制规律的选择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，但是更多场合是组 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。比例（P）控制单独的比例控制也称“有差控制”，输出的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

8、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，放大能力又较弱的被控对象，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于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差 存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。比例积分（PI ）控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的、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

9、例控制的基础上加上积分控制作用。积分控制器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的大小有关，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。积分控制规律又称无差控制规律。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的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控 制系统稳定下

10、来。所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来， 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一种控制器，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。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

11、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

12、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。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，

13、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。PID控制器调试方法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， PI D 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

14、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。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。 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

15、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。PID 控制器的参数整定PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是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

16、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

17、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,丨（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， 丨（分） 0.4-3 对于液位系统：P（%）20-80，I （分）1-5番敢整定找最哇，瓯小到大顺陳査 先是比闽后积分堆后再把機分加 虧羈睡蕩垠频蠶；比例度盘要放丈 总鹼遞浮蠡大酒.出翌度盘往小扳 曲磯tr蓦色匾哦；頑賢时间往二降 的鏡讒动周鄭艮，枳分吋闻再畏 虧蠕振讒頻沁先巴微分雖下契 动差大呢泣和慢*徹分吋闻应勿畏 理想吨蜒两个痕 前高后低唾比2 一看二澜多分所，调节质量不会低PI

18、D 控制 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执 行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。 概述这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系 统。PID (比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是 应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件， 因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e (t)与输出 u (t)的关系为u(t)二kpIe+MTI j e(t)d

19、t+TD*de(t)/dt式中积分的上下限分别是。和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数基本用途它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数(Kp, Ti和 Td )即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比 例控制单元是必不可少的。首先， PID 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变 成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和T

20、d可以根据过程的动态特性及时 整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数 就可以重新整定。第三， PID 控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。 在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平 稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费 等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动 整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需

21、 要解决：如果自整定要以模型为基础，为了 PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较 难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型 的 PID 参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引 起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。 另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的 PID 控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定 模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动

22、计算PID参数。PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。 最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器 现实意义目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论 的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实 例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系 统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、 执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，

23、经过传感器，变送器，通过输入接口送到 控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要 采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智 能 PID 控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。 有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制 器(PLC),还有可实

24、现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块 来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。 还有可以实现 PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 产品系列，它可以直接与 ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。系统分类开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器 (controller)的输入没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环 回路。闭环控制系统闭环控制系统(cl

25、osed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反 送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈 信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(Negative Feedback)，若极性相同，贝U称为正反 馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比 如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不 断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环 控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗

26、净之后 能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入(step function)加到系统上时，系统的输出。稳态误差 是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、 准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是 稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态 误差来(Steady-state error描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应 的快速性，通常用上升时间来定量描述。PID 调节方法PID 是工业生产中最常用的一种控制

27、方式， PID 调节仪表也是工业控制中最常用的仪表 之一，PID适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控 制参数。PID 参数自整定控制仪可选择外给定(或阀位)控制功能。可 取代伺服放大器直接驱 动执行机构(如阀门等)。 PID 外给定(或阀位)控制仪可自动跟随外部给定值(或阀位反 馈值)进行控制输出(模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出)。可实现自动/手动无 扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法积算，以实现手动/自动的平稳切换。PID外给定 (或阀位)控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈 信号。PID 光柱显示控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对测量 值

28、及控制目标值进行数 字量显示（双 LED 数码显示），并同时对测量值及控制目标值进行相对模拟量显示（ 双光柱 显示），显示方式为双LED数码显示+双光柱模拟量显示，使测量值的显示更为清晰直观。PID 参数自整定控制仪可随意改变仪表的输入信号类型。采用 最新无跳线技术，只需 设定仪表内部参数，即可将仪表从一种输入信号改为另一种输入信号。PID 参数自整定控制仪可选择带有一路模拟量控制输出（或开 关量控制输出、继电器 和可控硅正转、反转控制）及一路模拟量变送输出，可适用于各种测量控制场合。PID 参数自整定控制仪支持多机通讯，具有多种标准串行双向 通讯功能，可选择多种 通讯方式，如RS-232、R

29、S-485、RS-42等，通讯波特率3009600bps仪表内部参数自由设 定。可与各种带串行输入输出的设备（如电脑、可编程控制器、 PLC 等）进行通讯，构成管理系统。PID 常用口诀: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PID控制器参数的工程整定，各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：温度 T: P=

30、2060%,T=180600s,D=3-180s压力 P: P=3070%,T=24180s,液位 L: P=2080%,T=60300s,流量 L: P=40100%,T=660s。 1PID 控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控 制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工 作可靠、调整方便而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， 或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必 须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制

31、技术最为方便。即当我们不完全了解一个 系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、 微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅 有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。积分（I）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正比关系。对一个自动控制系统， 如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统 （Syst

32、em with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积 分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等 于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）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）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大 惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差

33、的变 化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用 就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是 放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有 比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了 被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系 统在调节过程中的动态特性。PID 控制器的参数整定PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是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。

34、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。两种方法各有其特点，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

35、 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； 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,丨（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， 丨（分） 0.4-3 对于液位系统：P（%）20-80，I （分）1-5 参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分

36、，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PID 控制实现 PID 的反馈逻辑各种变频器的反馈逻辑称谓各不相同，甚至有类似的称谓而含义相反的情形。系统设计 时应以所选用变频器的说明书介绍为准。所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的 反馈信号对变频器输出频率的控制极性。例如中央空调系统中，用回水温度控制调节变频器 的输出频率和水泵电机的转速。冬天制热时，如果回水温

37、度偏低，反馈信号减小，说明房间 温度低，要求提高变频器输出频率和电机转速，加大热水的流量；而夏天制冷时，如果回水 温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度过低，可以降低变频器的输出频率和电机转速减 少冷水的流量。由上可见，同样是温度偏低，反馈信号减小，但要求变频器的频率变化方向 却是相反的。这就是引入反馈逻辑的原由。打开 PID 功能要实现闭环的 PID 控制功能，首先应将 PID 功能预置为有效。具体方法有两种：一是 通过变频器的功能参数码预置，例如，康沃 CVF-G2 系列变频器，将参数 H-48 设为 O 时， 则无 PID 功能；设为 1 时为普通 PID 控制；设为 2 时为恒压供水 P

38、ID 。二是由变频器 的外接多功能端子的状态决定。例如安川 CIMR-G 7A 系列变频器，如图 1 所示，在多功能 输入端子SI-S10中任选一个，将功能码H1-01H1-10（与端子S1-S10相对应）预置为 19 ，则该端子即具有决定 PI） 控制是否有效的功能，该端子与公共端子 SC “ ON ”时 无效，“ OFF ”时有效。应注意的是大部分变频器兼有上述两种预置方式，但有少数品 牌的变频器只有其中的一种方式。在一些控制要求不十分严格的系统中，有时仅使用 PI 控制功能、不启动 D 功能就能 满足需要，这样的系统调试过程比较简单。目标信号与反馈信号 欲使变频系统中的某一个物理量稳定在

39、预期的目标值上，变频器的 PID 功能电路将反 馈信号与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整输出频率和电动机的转 速。所以，变频器的 PID 控制至少需要两种控制信号：目标信号和反馈信号。这里所说的 目标信号是某物理量预期稳定值所对应的电信号，亦称目标值或给定值；而该物理量通过传 感器测量到的实际值对应的电信号称为反馈信号，亦称反馈量或当前值。 PID 控制的功能 示意图见图 2 。图中有一个 PID 开关。可通过变频器的功能参数设置使 PID 功能有效或 无效。 PID 功能有效时，由 PID 电路决定运行频率； PID 功能无效时，由频率设定信号 决定运行频率。 PID 开关

40、、动作选择开关和反馈信号切换开关均由功能参数的设置决定其 工作状态。目标值给定如何将目标值 （ 目标信号 ） 的命令信息传送给变频器，各种变频器选择了不同的方 法，而归结起来大体上有如下两种方案：一是自动转换法，即变频器预置 PID 功能有效时， 其开环运行时的频率给定功能自动转为目标值给定如表 2 中的安川 CIMR-G 7A 与富士 P11S 变频器。二是通道选择法，如表 2 中的康沃 CVF-G2 、森兰 SB12 和普传 P17000 系 列变频器。以上介绍了目标信号的输入通道，接着要确定目标值的大小。由于目标信号和反馈信号 通常不是同一种物理量。难以进行直接比较，所以，大多数变频器的

41、目标信号都用传感器量 程的百分数来表示。例如，某储气罐的空气压力要求稳定在 1 2MPa ，压力传感器的量 程为 2MPa ，则与 1 2MPa 对应的百分数为 60 %，目标值就是 60 %。而有的变频器 的参数列表中，有与传感器量程上下限值对应的参数，例如富士 P11S 变频器，将参数 E40（ 显示系数 A） 设为 2 ，即压力传感器的量程上限 2MPa ：参数 E41（ 显示系数 B） 设 为 0 ，即量程下限为 0 ，则目标值为 1 2 。即压力稳定值为 1 2 MPa 。目标值 即是预期稳定值的绝对值。反馈信号的连接 各种变频器都有若干个频率给定输入端，在这些输入端子中，如果已经确

42、定一个为目标 信号的输入通道，则其他输入端子均可作为反馈信号的输入端。可通过相应的功能参数码选 择其中的一个使用。比较典型的几种变频器反馈信号通道选择见表 3 。P 、 I 、 D 参数的预置与调整比例增益 P变频器的 PID 功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我 们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度：另一方面，我们 又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差 值信号进行放大。比例增益 P 就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参 数 P 都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时， P

43、可按中间偏大值预置或者暂 时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。积分时间 如上所述比例增益 P 越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性， 调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振 荡。为此引入积分环节丨，其效果是，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内 逐渐增大 ( 或减小 ) ，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间 I 太长，又会当反馈 信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此， I 的取值与拖动系统的时间常数有关： 拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长 些。二 0微分时间

44、 D微分时间 D 是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了 调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。 D 的取值也与拖动系统的时间常数 有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时， 微分时间应长些。P 、 I 、 D 参数的调整原则P 、I 、 D 参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控 物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间 I ，如仍有振荡，可适当减小比例增益 P 。 被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益 P ，如果恢复仍较缓慢，可适当减 小积分时间 I ，还可加大微分时间 D 。P

45、 、 I 、 D 参数的预置与调整比例增益 P变频器的 PID 功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我 们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度：另一方面，我们 又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差 值信号进行放大。比例增益 P 就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参 数 P 都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时， P 可按中间偏大值预置或者暂 时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。积分时间如上所述比例增益 P 越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性， 调节结

46、果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振 荡。为此引入积分环节丨，其效果是，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内 逐渐增大 ( 或减小 ) ，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间 I 太长，又会当反馈 信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此， I 的取值与拖动系统的时间常数有关： 拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长 些。二 0（3） 微分时间 D微分时间 D 是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了 调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。 D 的取值也与拖动系统的

47、时间常数 有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时， 微分时间应长些。（4）P 、 I 、 D 参数的调整原则P、I、D 参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控 物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间 I ，如仍有振荡，可适当减小比例增益 P 。 被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益 P ，如果恢复仍较缓慢，可适当减 小积分时间 I ，还可加大微分时间 D 。比例作用是测量值与设定值的偏差乘以比例增益得到控制输出进而作用到执行环节的，你的 问题可以举一个简单例子更易理解，比如被控参数为一个水池水位，一进水门接受控制输

48、出 调节进水流量，出水门放水，假设系统现处于稳态，水位为1 米，设定值1米，出水门开度 为0进水门接受pid输出0保持关位，现突然开大出水门，出水流量为X,此时水位开始 下降，水位偏差产生，则通过比例作用进水门开大，抑制水位下降趋势，直到进水流量等于 X 时，水位不再变化，调节进入另一个稳态，但此时水位比测量值低，稳态偏差无法消除， 解决的办法就是加入积分调节，消除稳态偏差。PID 控制理论 HYPERLINK /view/4d3a6326a5e9856a56126003.html /view/4d3a6326a5e9856a56126003.htmlPID 算法在过程控制中，按偏差的比例（P

49、）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID 调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制 参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型 对象一一 “一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最 优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便， 结构改变灵活（PI、PD、）。详细说明控制点目前包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法, 微分先行。这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要 求。PI

50、D 增量式算法离散化公式：注：各符号含义如下u(t); 控制器的输出值。e(t); 控制器输入与设定值之间的误差。Kp; 比例系数。Ti; 积分时间常数。Td; 微分时间常数。T; 调节周期。对于增量式算法，可以选择的功能有：滤波的选择可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延 迟的缓变量。系统的动态过程加速在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则 这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避 免了积分超调以及随之带来的振荡，这

51、显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值， 仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v,当偏差|e(t)|= B时，则不管比例作用为正或为负， 都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|,其符号与积分项一致。利 用这样的算法，可以加快控制的动态过程。PID 增量算法的饱和作用及其抑制在 PID 增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生 突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行 元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢 失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分 积累起来，而一旦可能时，再补充执行。PID 位置算法离散公式：对于位置式算法，可以选择的功能有：a、滤波：同上为一阶惯性滤波b、饱和作用抑制：(1) 遇限削弱积分法一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。 具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制