PID控制的总结 — 概念与参数整定

 

前面的文章已经针对PID进行过分析：PID是比例、积分、微分的三种控制方式组合成的控制算法的称谓。

在使用PID算法进行控制的时候，难点往往都不是怎么样去用代码实现，而是PID控制器的参数整定。PID参数整定是非常关键的，这些参数的设置影响了PID控制算法的快速性、稳定性。所以正确地理解PID各参数的实际物理意义，对PID控制来说是非常重要的。

对PID的理解还是与锅炉加热系统的温度控制来加以说明。对锅炉而言，我们不考虑其他的控制功能和附加因素，就以控制温度稳定在我们期望值而言对PID控制算法进行剖析。

1、比例控制起什么作用？

假设锅炉系统启动的时候，距离我们期望的温度500℃是有很大的差距的，这个时候就通过比例控制的方式加大调节力度，让温度快速变化到期望的温度。

这个时候的比例系数的选取就非常的重要：

比例系数如果太小，调节的力度不够，使系统输出量(温度值)变化缓慢，调节所需的总时间过长。

增大比例系数：可以使系统反应灵敏，调节速度加快，还可以减小稳态误差。但比例系数如果过大，调节力度太强，容易造成调节过头，严重的甚至使温度忽高忽低，来回震荡，超调量也会增大，这不是我们希望看到的。

所以，单纯的比例控制很难让确保调节的稳定，也难以做到完全消除误差。

2、积分控制起什么作用？

在控制系统中，输出量与设定值两者的差值就是控制的偏差，有偏差就说明输出量并未稳定在期望值上，需要继续调节。

以锅炉温度的调节来说，假如温度的调节是通过调节电位器实现的，积分控制就相等于是根据误差值去改变电位器的角度。如果输出的温度低于设定值，那偏差就为正，积分项是增大的，这个时候就要增大电位器的角度，使电流变大，温度升高。反之，如果输出的温度高于设定值，那偏差就为负，积分项是减小的，这个时候就要减小电位器的角度，使电流变小，温度降低。

总而言之，PID控制中，积分作用就是对偏差的累积，用于消除静差。积分累积效果可以参见下图。

但是积分作用它本身是有滞后的特性的。如果积分作用太强的话，相当于电位器的角度扭的太大了，超调容易增大；而积分作用太弱的话，消除静差的速度又很缓慢，对控制效果不够明显。

所以，积分的比例系数要选择合适，才能达到比较好的调节效果。

3、微分控制起什么作用？

在PID中，微分就是反映偏差的变化速率的。系统的偏差变化越快，那微分的绝对值就越大，反之绝对值越小。

当系统的偏差增大时，微分为正，偏差减小时，微分为负。系统的输出量的微分部分与偏差的微分成正比，是可以反映被控量的变化趋势的。

4、采样周期

PID控制算法中，一个很重要的时间参数 — 采样周期。

这个采样周期怎么理解呢？简单而言，PID控制算法是按照一定的周期执行的，那这个执行的周期就称为采样周期。

一般而言，采样周期越小，PID算法调控作用就越频繁，控制效果就会越迅速。反之，采样周期越大，PID调控作用就越滞后，控制效果就会变差。

那这么说的话，是不是只要采样周期越小就越好呢？答案肯定是否定的。因为现在很多的PID控制算法都是通过计算机程序实现的，如果采样周期太小的话，会增加计算机的CPU运算负担和工作量，而且一般相邻几次的采样不会有很大的偏差，变化也不会很大，所以采样周期也没必要太小。

5、PID的参数整定

PID参数的整定过程才是最重要的过程，一般的整定流程如下：

1）先只加P控制，通过调整P的参数，让变化较快，但是到达设定值之后的振荡幅度比较小即可。

2）然后加入I控制，这个时候适当减小P的参数值，一点点的增加I的参数，然后看输出效果。

3）P和I都设置后好，再一点点加D，这个时候可能P、I、D三个参数都需要调整，以求最后找到比较合适的参数。

总而言之，参见下面的步骤进行：

（1）P（比例）：先调大后调小，观察输出的响应曲线。
    如果响应过冲较大，再次适当减小 P 值，直到达到理想的响应。

（2）I（积分）：先将 I 设为零，逐渐增加 I 值。
    观察输出是否有稳定的偏差，如果有，则增大 I 值。
    但是要注意，过大的 I 值可能导致系统不稳定，所以需要进行适度的试验和调整。

（3）D（微分）：先将 D 设为零，逐渐增加 D 值。
    观察输出是否有震荡或振荡的现象，如果有，则减小 D 值。
    微分作用主要是抑制系统的过冲和震荡，但是过大的 D 值也可能导致系统不稳定。

对于这个PID参数的整定，我个人认为没什么一步到位的好方法，针对不同的系统，同样的控制算法，参数都不会一样的，还要根据实际的情况去调节。

下面有一个PID参数调节的顺口溜：

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 。

奉图一张：