pid是什么意思?pid控制的基本原理_pid参数整定设置方法_pid控制算法公式详解

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    在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器（也称PID调节器）是应用最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，参数选定比较简单，调整方便等优点；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（如可为PI调节、PD调节等）。长期以来，PID控制器被广大科技人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。
    PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。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，控制理论的其他技术难以采用时，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，最适合采用PID控制技术。
    比例控制是一种最简单、最常用的控制方式，如放大器、减速器和弹簧等。比例控制器能立即成比例地响应输入的变化量。但仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差( Steadystate error)。
    在积分控制中，控制器的输出量是输入量对时间积累。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(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。所以即便误差很小，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，采用比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
    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。其原因是存在有较大的惯性组件（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“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，因而需要增加的是“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。
    控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统。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。在这种控制系统中，不依赖将被控制量返送回来以形成任何闭环回路。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。可见，闭环控制系统性能远优于开环控制系统。

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    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，概括起来有如下两大类：
    1)理论计算整定法。它主要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使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
    2)工程整定法。它主要依赖于工程经验，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。这3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的调整与完善。
    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。

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    PID控制器成为应用最广泛的控制器，它具有以下优点：
    1) PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。其中，比例(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。微分(D)在信号变化时有超前控制作用，代表将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。积分(I)代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统的静态特性。此3种作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，得到良好的效果。
    2) PID控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业场合，都可在不同的程度上应用。特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。
    3) PID算法简单明了，各个控制参数相对较为独立，参数的选定较为简单，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。
    4) PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的PID算法。例如，为了克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制；为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制；为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等。这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。同时当今智能控制理论的发展，又形成了许多智能PID控制方法。

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    PID控制器调节输出，保证偏差(e)为零，使系统达到稳定状态，偏差是给定值(SP)和过程变量(PV)的差。PID控制的原理基于以下公式：

    公式中，M (t)是PID回路的输出：Kc是PID回路的增益：e是PID回路的偏差（给定值与过程变量的差）；Minitial是PID回路输出的初始值。

    由于以上的算式是连续量，必须将连续量离散化才能在计算机中运算，离散处理后的算式如下：

    公式中，Mn是在采样时刻n，PID回路的输出的计算值；Kc是PID回路的增益； KI是积分项的比例常数；KD是微分项的比例常数；en是采样时刻n的回路偏差值；en-1是采样时刻n-1的回路偏差值；ex是采样时刻x的回路偏差值；Minitial是PID回路输出的初始值。

    再对以上算式进行改进和简化，得出如下计算PID输出的算式：

    Mn= MPn+ MIn+ MDn

    公式中，Mn是第n采样时刻的计算值；MPn是第n采样时刻的比例项值；MIn是第n采样时刻的积分项的值；MDn是第n采样时刻微分项的值。