PID算法经验汇总

1、PID算法原理（一） PID算法及PWM控制技术简介 1.1 PID算法 控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根 据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工 业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。 1.1.1 模拟 PID 在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是 PID控制，常规PID控制系统原理框图如图1.1所示，系统由模拟PID调节器、 执行机构及控制对象组成。

2、r(t) 图1.1模拟PID控制系统原理框图 1 tde(t) u(t) =K pe(t)+ Je(t)dt 5记 TI 0dt 式中，Kp为比例系数，T|为积分时间常数，Td为微分时间常数。 简单的说，PID调节器各校正环节的作用是： (1) (2) 则越强； (3) 正信号， (1.2) e(t)二 r(t) - c(t) PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差: (1.1) 将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际应用中，常根据对象的特征 和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合，

3、以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P调节器，PI调节器，PID 调节器等。 模拟PID调节器的控制规律为 比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差； 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修 从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 由式1.2可得，模拟PID调节器的传递函数为 (1.3) DWHWO+Ts+TdS) 由于本设计主要采用数字PID算法

4、，所以对于模拟PID只做此简要介绍。 1.1.2 数字 PID 在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上 是计算机算法的设计。 由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的 算法设计。 为将模拟PID控制规律按式(1.2)离散化，我们把图1.1中r(t)、e(t)、u(t)、c(t)在第n次采样的数据分别用r(n)、e(n)、 u(n)、c(n)表示，于是式(1.1)变为： e(n) = r(n) c(n)( 1.4) 当采样周期T很小时dt可以用T近似代

5、替，de(t)可用e(n)-e(1)近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 de(t) e(n)e( n 1) (1.5) dt 0e(t)dt - T 送 e(i)T i W (1.6) 这样，式(1.2)便可离散化以下差分方程 TDG n)-e(n 1) + u。 u(n) = KPe(n)中一S e(n) T| iT 上式中u0是偏差为零时的初值，上式中的第一项起比例控制作用，称为比例(P)项UP(n),即 Up( n) = Kp e(n) 第二项起积分控制作用，称为积分(I)项UI(n)即 (1.7) (1.8) 这三种作用可单独使用 （微分作用一般不单独使用）或合并使用

6、 ,常用的组合有： p控制： u(n) = up (n) + u0 (1.11) PI控制: u(n) = up(n) +uI (n)5 (1.12) PD控制： u(n) = up( n) + uD(n) + u0 (1.13) PID控制： u(n) = up( n) + u i(n )+5( n) +u0 (1.14) 式（1.7）的输出量u（n）为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此，式（1.7）又称为位置型PID 算式。 第三项起微分控制作用 T n ui (n) = Kp 艺 e(i) TI i 二 ,称为微分(D)项(n)即 ud( n) = K PG

7、n)-e( n1) (1.9) (1.10) 由（1.7）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e（i）,不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序， 为此对式（1.7）进行改进。 根据式（1.7）不难看出u（n-1）的表达式，即 T n二 T u（n- 1）=Kpe（n-1 ）+-2 e（n） + 半e（n-1）-e（n-2） + uo （ 1.15） T| irnT 将式（1.7）和式（1.15）相减，即得数字PID增量型控制算式为 Au(n) = u(n) -u(n T) = Kpe(n) -e(n-1) + 心6(n) + Kd K I = K p ：称为积分系数； TI

8、 Kd = Kp T称为微分系数。 数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图1.2和1.3所示: r(t) pid 位置算法 u 控制器 被控对象 e(t) 图1.2数字PID位置型控制示意图 图1.3数字PID增量型控制示意图 PID算法原理(二) 比例，积分，微分的线性组合，构成控制量u(t)，称为：比例(Proportional)、积分 (Integrating)、微分(Differentiation)控制，简称 PID 控制 COMMAND 严、 U PROCESS卜 A CONTROLLER PROCESS 控制器公式 在实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要

9、求，灵活地采用不同的控制组 合，构成比例(P)控制器 比例+积分(Pl)控制器 ii(0 = K肿)+ 1賦讣 比例+积分+微分(PID)控制器 ud冋)+ #仇rM + 巧讐 式中爲-比例放大系数;积分时间爲-微分时i耳 u（C = K代（0 + kJ；总（忙+心警 式中疋厂比例放大系数;疋厂积分系数，住-撒分系数。 控制系统中的应用 在单回路控制系统中， 由于扰动作用使被控参数偏离给定值，从而产生偏差。自动控制 积分、微分 系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、 （PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、 也为及其他

10、工艺参数的自动控制。 比例作用P只与偏差成正比；积分作用 I是偏差对时间的积累；微分作用D是偏差的 变化率; 比例（P）控制 0和系统过程值等 比例控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差。除了系统控制输入为 于期望值这两种情况， 比例控制都能给出稳态误差。当期望值有一个变化时，系统过程值将 产生一个稳态误差。 但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统 的不稳定。 图2比例（P）控制阶跃响应 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。 为了减小稳态误差， 在控制器中加入积分项， 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

11、样，即使误差很小，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少，直到等于零。 积分（I）和比例（P）通常一起使用，称为比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后 无稳态误差。如果单独用积分（I）的话，由于积分输出随时间积累而逐渐增大，故调节动作缓 慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。 图3积分（I）控制和比例积分（PI）控制阶跃相应 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。 由于自动控制系统有较大的惯性组件（环节）或有滞后（ delay) 组件，在调节过程中 可能出现过冲甚至振荡。解决办法是引

12、入微分 （D）控制，即在误差很大的时候，抑制误差的 作用也很大；在误差接近零时，抑制误差的作用也应该是零。 图4微分（D）控制和比例微分（PD）控制阶跃相应 总结: PI比P少了稳态误差，PID比PI反应速度更快并且没有了过冲。PID比PI有更快的 响应和没有了过冲。 0 35676910 P比P少了総态俣差:P】D比PI反应速度更快并冃没有了过沖： 点击看原图 表1 常数（系数） 上升时间 过冲 建立吋间 稳态误差 Kp 减少 増大 很力、变化 减小 K| 减少 増大 増加 消除 Kd 很小变化 减小 减少 很小变化 图6典型的PID控制器对于阶跃跳变参考输入的响应 PID算法原理及调整规律

13、 一、PID算法简介 PID算法原理(三) 在智能车竞赛中，要想让智能车根据赛道的不断变化灵活的行进, PID算法的采用很有意义。 首先必须明确PID算法是基于反馈的。一般情况下，这个反馈就是速度传感器返回给单片机当前电机的转速。 简单的说，就是用这个反馈跟预设值进行比较，如果转速偏大，就减小电机两端的电压；相反，则增加电机两端的电压。 顾名思义，P指是比例(Proportion )， I指是积分(Integral )， D指微分(Differential 在电机调速 系统中，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正( PID算法时，误差=输入-反馈)，同时电机转速越高，反馈信号越大。要想

14、 搞懂PID算法的原理，首先必须先明白P,I,D各自的含义及控制规律: 2 比例P:比例项部分其实就是对预设值和反馈值差值的发大倍数。举个例子，假如原来电机两端的电压为 U0,比例P为0.2， 输入值是800，而反馈值是1000，那么输出到电机两端的电压应变为U0+0.2* (800-1000 )。从而达到了调节速度的目的。显然比例P 越大时，电机转速回归到输入值的速度将更快，及调节灵敏度就越高。从而，加大 P值，可以减少从非稳态到稳态的时间。但是同时也 可能造成电机转速在预设值附近振荡的情形，所以又引入积分 I解决此冋题。 2 积分I :顾名思义，积分项部分其实就是对预设值和反馈值之间的差值

15、在时间上进行累加。当差值不是很大时，为了不引起 振荡。可以先让电机按原转速继续运行。当时要将这个差值用积分项累加。当这个和累加到一定值时，再一次性进行处理。从而避免了 振荡现象的发生。可见，积分项的调节存在明显的滞后。而且 I值越大，滞后效果越明显。 2 微分D:微分项部分其实就是求电机转速的变化率 也就是前后两次差值的差而已。也就是说，微分项是根据差值变化的速 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。 并且 率，提前给出一个相应的调节动作。可见微分项的调节是超前的 D值越大，超前作用越明显。可以在一定程度上缓冲振荡。比例 +微分的控制器，就能够提 项的作用仅是放

16、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 参数的调整(一) 数字PID参数整定方法 如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变 化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然， 要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。 PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对 象准确的数学模型，这在工业过程中一

17、般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依 赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。下面介绍两种 常用的简易工程整定法。 (1)扩充临界比例度法 这种方法适用于有自平衡特性的被控对象。使用这种方法整定数字调节器参数的步骤是： 选择一个足够小的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。 用选定的采样周期使系统工作：工作时，去掉积分作用和微分作用，使调节器成为纯比例调节器，逐渐减小比例度6 (6 = 1/KP) 直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态，记下此时的临界

18、比例度g及系统的临界振荡周期Tk。 选择控制度：所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数 比2 通常用误差平方面积4 e (t)表示。 比 2 控制度 JJoe(t)dtDDC (1.18) 实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积，控制度仅表示控制效果的物理 概念。通常，当控制度为1.05时，就可以认为DDC与模拟控制效果相当；当控制度为 2.0时，DDC比模拟控制效果差。 根据选定的控制度，查表1.1求得T、Kp、Ti、Td的值。 表1.1扩充临界比例度法整定参数 控制度 控制规律 T Kp Ti Td 1.05 PI 0.03T

19、k 0.53% 0.88Tk 1.05 PID 0.014Tk 0.63% 0.49Tk 0.14Tk 1.20 PI 0.05Tk 0.49% 0.9 仃K 1.20 PID 0.043Tk 0.0476 K 0.47Tk 0.16Tk 1.50 PI 0.14Tk 0.42g 0.99Tk 1.50 PID 0.09Tk 0.345k 0.43Tk 0.20Tk 2.00 PI 0.22Tk 0.36g 1.05TK 2.00 PID 0.16Tk 0.275 0.40Tk 0.22Tk (2)经验法 经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲 线，来调整P、I、

20、D三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行： 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。 下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤： 让调节器参数积分系数 K| =0，实际微分系数Kd=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数Kp,让扰动信号作阶跃 变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。 取比例系数Kp为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系

21、数Ki，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 积分系数K|保持不变，改变比例系数 Kp ,观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系 数Kp增大一些，再调整积分系数 K|，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数Kp和积分系数K|为止。 引入适当的实际微分系数Kd和实际微分时间Td，此时可适当增大比例系数Kp和积分系数K|。和前述步骤相同，微分时间的 整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。 PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般P可在10以上，1在（3、10）之间,D在1左右。小 惯量如：一个小电机闭

22、环控制，一般 P在（1、10）之间，1在（0、5）之间，D在（0.1、1）之间,具体参数要在现场调试时进行 修正。 参数的调整（二） 应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP,积分时间TI和微分时间TD，使整 个控制系统得到良好的性能。 PID的参数. 最好的寻找PID参数的办法是从系统的数学模型出发，从想要的反应来计算参数。很 多时候一个详细的数学描述是不存在的，这时候就需要实际地调节 Ziegler-Nichols 方法 Ziegler-Nichols方法是基于系统稳定性分析的PID整定方法.在设计过程中无需考虑 任何特性要求，整定方法非常简单，但控制效果却比较理想。 具体整定方法步

23、骤如下: 1.先置I和D的增益为0,逐渐增加KP直到在输出得到一个持续的稳定的振荡。 2.记录下振荡时的P部分的临界增益 Kc,和振荡周期Pc,代到下表中计算出 KP , Ti， Td。 Ziegler-Nichols 整定表 PI roiih ol PID coiiti ol K c 1 % K 22 2 u K -2 2 1.1 P P 3 u u Table 2仁 Zieqle /PI调节的比例常数 float Ti; /PI调节的积分常数 float T; /采样周期 float Ki; float ek; /偏差ek float ek1; 偏差 ek-1 float ek2; 偏差

24、ek-2 float uk; /uk sig ned int uk1; /对uk四舍五入取整 sig ned int adjust; /调节器输出调整量 /变量初始化 Kp=4; Ti=0。005; T=0.001; / Ki=KpT/Ti=0.8，微分系数Kd=KpTd/T=0.8,Td=0.0002,根据实验调得的结果确定这些参数 ek=0; ek1=0; ek2=0; uk=0; uk1=0; adjust=0; int piadjust(float ek) /PI 调节算法 if( gabs(ek)0) if(uk-uk1=0.5) uk1=uk1+1; if(uk=0.5) uk1=

25、uk1-1; adjust=uk1; return adjust; F面是在AD中断程序中调用的代码。 ooooooooooo else 退出软启动后，PID调节,20ms调节一次 EvaRegs.CMPR3=EvaRegs.CMPR3+piadjust(ek);/ 误差较小 PID 调节稳住 if(EvaRegs.C MP R3=890) EvaRegs.CMPR3=890; / 限制 PWM 占空比 由于不断累计误差，能使误 能够增加系统的阻尼， 提高 整定方法简单，鲁棒性好， 在闭环控制系统中，增加积分控制增加了系统的稳态误差精度， 差迅速消除，但能使系统产生超调；而在系统中增加微分控制

26、， 动态响应速度，由于PID控制器能够补偿绝大多数的控制系统， 因此是目前应用最广泛的控制器. Ziegler-Nichols方法是基于系统稳定性分析的PID整定方法.在设计过程中无需考虑任 何特性要求，整定方法非常简单，但控制效果却比较理想.具体整定方法如下： 首先，置Kd=Ki=0, 然后增加比例系数一直到系统开始振荡（闭环系统的极点在 j 3轴上）; 再将该比例系数乘以 0.6,其他参数按照以下公式计算: Kp 0. 6 * Km Kd Kp * 7/ 4* 3 Ki Kp * 3/n ，最后再把微分加 ，比例度盘要放大 ，比例度盘往小扳 ，积分时间往下降 ，积分时间再加长 ，先把微分降

27、下来 ，微分时间应加长 ，前高后低4比1 ，调节质量不会低 上式中Kp为比例控制参数 Kd为微分控制参数 Ki为积分控制参数 Km为系统开始振荡时的比例值; 3为振荡时的频率 参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分 曲线振荡很频繁 曲线漂浮绕大湾 曲线偏离回复慢 曲线波动周期长 曲线振荡频率快 动差大来波动慢 理想曲线两个波 一看二调多分析 PID参数整定方法就是确定调节器的比例带PB、积分时间Ti和和微分时间Td。一般可以通 过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线 法、临界比例带法和反应曲线法。各种方法的大体过程如下： （1 ）经验法又叫现场

28、凑试法，即先确定一个调节器的参数值PB和Ti，通过改变给定值对 控制系统施加一个扰动，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变PB或Ti, 再画控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的PB和Ti 就是最佳值。如果调节器是PID三作用式，那么要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分 作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个Td值后，可把整定好的 PB和 Ti值减小一点再进行现场凑试，直到PB、Ti和Td取得最佳值为止。显然用经验法整定的 参数是准确的。但花时间较多。为缩短整定时间，应注意以下几点：根据控制对象特性确 定好初始的参数值 PB、Ti和Td

29、。可参照在实际运行中的同类控制系统的参数值，或参照表 3-4-1所给的参数值，使确定的初始参数尽量接近整定的理想值。这样可大大减少现场凑试 的次数。在凑试过程中，若发现被控量变化缓慢，不能尽快达到稳定值，这是由于PB过 大或Ti过长引起的，但两者是有区别的：PB过大，曲线漂浮较大，变化不规则，Ti过长， 曲线带有振荡分量，接近给定值很缓慢。这样可根据曲线形状来改变PB或Ti。PB过小， Ti过短，Td太长都会导致振荡衰减得慢，甚至不衰减，其区别是PB过小，振荡周期较短； Ti过短，振荡周期较长；Td太长，振荡周期最短。如果在整定过程中出现等幅振荡，并 且通过改变调节器参数而不能消除这一现象时，

30、可能是阀门定位器调校不准，调节阀传动部 分有间隙（或调节阀尺寸过大）或控制对象受到等幅波动的干扰等，都会使被控量出现等幅 振荡。这时就不能只注意调节器参数的整定，而是要检查与调校其它仪表和环节。 （2 ）衰减曲线法是以 4： 1衰减作为整定要求的，先切除调节器的积分和微分作用，用凑 试法整定纯比例控制作用的比例带PB （比同时凑试二个或三个参数要简单得多），使之符合 4： 1衰减比例的要求，记下此时的比例带PBs和振荡周期Ts。如果加进积分和微分作用， 可按表3-4-2给出经验公式进行计算。若按这种方式整定的参数作适当的调整。对有些控制 对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时

31、，只要被控量波动2次就能 达到稳定状态，可近似认为是4: 1的衰减过程，其波动一次时间为Ts。 （3）临界比例带法，用临界比例带法整定调节器参数时，先要切除积分和微分作用，让控 制系统以较大的比例带，在纯比例控制作用下运行，然后逐渐减小PB,每减小一次都要认 真观察过程曲线，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例带P Bk（称为临界比例带）和波动周 期Tk，然后按表3-4-3给出的经验公式求出调节器的参数值。按该表算出参数值后，要把比 例带放在比计算值稍大一点的值上，把Ti和Td放在计算值上，进行现场观察，如果比例带 可以减小，再将PB放在计算值上。这种方法简单，应用比较广泛。但对PBk很小的控制

32、系 统不适用。 （4）反应曲线法，前三种整定调节器参数的方法，都是在预先不知道控制对象特性的情况 下进行的。如果知道控制对象的特性参数，即时间常数T、时间迟延E和放大系数K，则可 按经验公式计算出调节器的参数。利用这种方法整定的结果可达到衰减率0 =0.75的要求 PID参数自整定方法综述 PID 摘要：PID控制是迄今为止在过程控制中应用最为广泛的控制方法。文章综述了 参数自整定方法，并对将来的发展进行了讨论。 关键词：PID控制； 参数整定；自整定 PID调节器从问世至今已历经了半个多世纪，在这几十年中，人们为它的发展和推广作 出了巨大的努力，使之成为工业过程控制中主要的和可靠的技术工具。

33、即使在微处理技术迅 速发展的今天，过程控制中大部分控制规律都未能离开PID,这充分说明PID控制仍具有很 强的生命力。 PID控制中一个至关重要的问题，就是控制器三参数 (比例系数、积分时间、微分时间) 的整定。整定的好坏不但会影响到控制质量，而且还会影响到控制器的鲁棒性。此外， 现代 工业控制系统中存在着名目繁多的不确定性，这些不确定性能造成模型参数变化甚至模型结 构突变，使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作，这时就要求PID控制器具有在线 修正参数的功能，这是自从使用 PID控制以来人们始终关注的重要问题之一。 本文在介绍PID参数自整定概念的基础上，对 PID参数自整定方法的发展作一

34、综述。 1PID参数自整定概念 PID参数自整定概念中应包括参数自动整定(auto-tuning)和参数在线自校正(self tuning on-Iine)。 具有自动整定功能的控制器，能通过一按键就由控制器自身来完成控制参数的整定，不 需要人工干预，它既可用于简单系统投运，也可用于复杂系统预整定。运用自动整定的方法 与人工整定法相比，无论是在时间节省方面还是在整定精度上都得以大幅度提高，这同时也 就增进了经济效益。目前，自动整定技术在国外已被许多控制产品所采用，如Leeds也可以 由误差及响应时间来调整参数23，如此便于充分考虑在响应的不同时段三参数所起的不同 作用；另外，也可用响应曲线上的

35、其他特征量来调整PID参数21。 2.2.4规则法的特点及不足 基于规则的PID自整定控制，对模型要求较少，是借助于控制器输出和过程输出变量 的观测值来表征的动态特性，而不依赖于一个居间的过程模型，从而具有易于执行且鲁棒性 较强的特点。它能综合采用专家经验进行整定，其中启发式规则还可将过程动特性和干扰特 性区别开来，并从保持良好的闭环响应特性出发，确定出所需的校正参数。而且基于产生式 规则实现控制的系统，其程序设计以逻辑型语句为主，它和以代数型语句为主的辨识法相比 较，需要的计算时间较少，所以用于处理较快的运行过程。 但这类方法也存在一些不足，方法的指导原则仍然停留在较弱的理论基础上，它需要丰

36、 富的控制知识，其性能的优劣取决于开发者对控制回路参数整定的经验，以及对反馈控制理 论的理解程度。另外，如果采用模式识别的方法，当专家系统不具备判断某种模式的知识时， 整定后的控制会发散。 3结束语 综合前面的讨论，可以得出这样一个结论：无论那种整定方法，都不是万能的，它们各 有长处和不足，都有一定的适应范围。基于模型的自整定法对参数未知或参数时变的系统非 常有效，但若遇到结构也是时变或非线性严重的系统，就显得力不从心了。而基于规则的整 定法虽对模型的先验知识要求不高，可以解决传统方法对模型的依赖，但若系统出现事先未 预料到的情况或要处理的问题过于复杂时，系统的控制品质将受到影响。 目前，将神

37、经网络应用于PID控制也是一大研究热点。神经网络具有自学习、自组织 能力，多层前馈网络可以任何精度逼近任意非线性，所以它可用于模型辨识。同时，用神经 网络构造的PID控制器，因为网络权系数的在线自修正能力，因此能做到参数在线自整定。 从原理上看，这是非常有吸引力的研究方向，但神经网络自身还有一些问题尚待解决，如网 络层数、隐节点个数、全局最小问题等等，所以这种方法也非万能。 基于上述情况，在进一步的研究工作中，除了对各种方法继续进行全面深入的研究外， 还应考虑将各种自整定法互相结合、渗透，充分发挥各自优势来弥补不足。如将自适应、自 整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验

38、知识、 直觉推理逻辑 等专家系统思想和方法，对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、 模糊控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统性能，这些都是PID控制极有前途的发 展方向。 PID调试步骤 没有一种控制算法比PID调节规律更有效、更方便的了。现在一些时髦点的调节器基本源自 PID。甚至可以这样说；PID调节器是其它 控制调节算法的妈 为什么PID应用如此广泛、又长久不衰? 因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节 PID的参数，可实现在系统稳定的前提 下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在 PID调节器中引入积分项，系统

39、增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统, 这样系统阶跃响应的稳态误差就为零 由于自动控制系统被控对象的千差万别, PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦，特别是 对初学者。下面简单介绍一下调试PID参数的一般步骤: 1.负反馈 自动控制理论也被称为负反馈控制理论。首先检查系统接线，确定系统的反馈为负反馈。例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机 正转时，反馈信号也为正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。其余系统同此方法。 2. PID调试一般原则 a.在输出不振荡时，增大比例增益P b.在输出不振荡时，减小积分时间常

40、数 Ti。 C.在输出不振荡时，增大微分时间常数 Td。 3.般步骤 a.确定比例增益P 确定比例增益P时，首先去掉 PID 的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0 （具体见PID的参数设定说明），使 PID为纯比例调节。 输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例增益 P,直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益 P逐渐减小, 直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P,设定PID的比例增益P为当前值的60%70%。比例增益P调试完成。 b.确定积分时间常数Ti 比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐

41、渐加大Ti，直至 系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数 Ti为当前值的150%180%。积分时间常数 Ti调试完成 C.确定积分时间常数Td 积分时间常数Td 一般不用设定，为 0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。 d.系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。 2.PID控制简介 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

42、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，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 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。 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（int

43、elligent 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 1、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)的输出没有影响

44、。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。 2、闭环控制系统 闭环控制系统(closed-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，则称为正反馈, 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

45、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，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 3、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)，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

46、；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。 4、PID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

47、，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 (Steady-state 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 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 积分项”积分项 制系统是有稳态误差的或简称有差系统( System with Steady-state Error )。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 对误差取决于时间的积分，随

48、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 例项往

49、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。 5、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

50、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。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; 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临 3.PID控制器参数的工程整定，各种调节系统中 PID参数经验数据以下可参照: 温度 T: P=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 4. PID常用口诀: 参数整定找最佳, 从小