【PID控制技术】

简介

PID控制是一种在工业过程控制中广泛应用的控制策略，其全称是比例-积分-微分（Proportional Integral Derivative）控制。它的基本原理是根据期望值与实际值的比较，产生一个误差信号，然后对这个误差信号进行比例、积分和微分三个环节的处理，以产生一个控制信号，最后用这个控制信号去调节被控对象的输出，以达到减小误差、提高控制精度的目的。

控制原理

假设我们有一个小车，我们希望通过控制其电机转速来达到一个目标轨迹。我们可以通过以下步骤来实现这个目标：

设定目标：我们设定一个目标轨迹，比如从A点移动到B点，需要小车按照这个轨迹行驶。
采集数据：我们使用编码器等传感器来测量小车的实际位置和速度，并与目标轨迹进行比较，得出偏差。
比例控制：根据偏差的大小，我们通过比例控制器来调整电机的转速。比如，如果小车偏离目标轨迹，我们可以通过增加电机的转速来使小车回归到目标轨迹。这是比例控制器的功劳。
积分控制：除了比例控制外，我们还需要考虑偏差的累积。如果小车在偏离目标轨迹后一直未回归，那么比例控制器将不断调整电机的转速，使小车回归目标轨迹。这是积分控制器的功劳。
微分控制：除了比例和积分控制外，我们还需要考虑偏差的变化率。如果小车即将偏离目标轨迹，我们可以提前调整电机的转速，使小车提前回归目标轨迹。这是微分控制器的功劳。
通过以上步骤，我们就成功地利用PID控制器来控制小车的电机转速，使其按照我们设定的目标轨迹行驶。

相关术语

偏差：这是期望状态与当前状态的差异，通过眼睛（观测器）观测得到。例如，小车编码电机中，偏差=目标值转速（编码器值）-编码器采集值。
比例控制：根据比例增益，计算比例调整量P = Kp * error。比例增益（Kp）是调节控制器输出的一个参数，error是当前状态和目标状态之间的差值。
积分控制：根据积分增益，计算积分调整量I = Ki * ∫(error dt)。积分增益（Ki）是另一个调节控制器输出的参数，∫(error dt)表示error在时间上的累积。
微分控制：根据微分增益，计算微分调整量D = Kd * d(error)/dt。微分增益（Kd）是调节控制器输出的又一个参数，d(error)/dt表示error随时间的变化率。
PID控制器是一种线性控制器，它通过负反馈调节过程来达到目标值，如水温的恒温控制，电机转速控制，舵机打角控制等。PID控制过程就是给定目标值，观察实际值，得出偏差，然后根据偏差进行比例、积分、微分控制，并将这些控制量作用于被控对象上，使其达到并在给定值附近稳定。

调参技巧

1. 首先给大家简单介绍一下PIDPID就是通过系统误差利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。不同厂家的公式稍有不同，但是基本上都离不开三个参数：比例、积分时间、微分时间。
2. 采样周期在进行PID调节之前要先设定好PID的采样周期，采样周期设定主要根据被控对象的特性决定。被控对象变化快的（如：流量），可将采样周期设定在100ms左右，采样周期变化慢的（如：液位）可将采样周期设定在1000ms，对于特别缓慢的（如：温度）可设置成5-10S。简单的理解是多长时间比较一次采样值与设定值。当然需要注意的是，采样周期必须大于程序的执行周期（PLC的运行周期）。
3. 比例比例作用是依据偏差的大小来动作.比例有时又被称为增益用Gain表示，当控制量与被控量成正比例关系时（例如：阀位与流量）增益为正数；当控制量与被控量成反比例关系时（例如：液位与频率）增益。
4. 积分时间积分时间是PID参数的关键之一。它的主要作用是消除系统的稳态误差。积分时间通常需要通过实验和经验来确定，它与系统的采样周期和滞后时间有关。在选择积分时间时，需要权衡系统的稳定性和响应速度。较小的积分时间可能会导致系统频繁振荡，而较大的积分时间则会降低系统的响应速度。
5. 微分时间微分时间是PID参数中反应系统未来误差的重要因素。微分时间的设定需要考虑系统的动态性能和稳定性。较大的微分时间有助于减小系统的动态误差，但可能会导致系统稳定性降低。微分时间的设定需要经验丰富的工程师进行调试，通常可以通过试错法进行确定。
6. 比例、积分、微分三者之间的关系比例、积分和微分三者之间存在密切的关系。比例调节是快速的，但它不能消除稳态误差。积分调节可以消除稳态误差，但需要牺牲系统的响应速度。微分调节可以预测未来的误差，但需要避免系统出现振荡。在调整PID参数时，需要综合考虑三者之间的关系，以实现系统的最佳控制效果。
   7.PID调试过程中的注意事项在调试PID参数时，需要注意以下几点：首先，先调比例，再调积分，最后调微分。其次，观察系统的响应速度和超调量，如果存在振荡或超调量过大，可能需要调整积分时间和微分时间。最后，调试过程中要保持系统的稳定性，避免系统出现频繁的振荡。
   8.PID参数的在线调整在实际应用中，PID参数通常需要进行在线调整。在线调整是通过实时采集系统的数据，根据系统响应情况对PID参数进行调整的过程。在线调整需要经验丰富的工程师进行操作，以确保系统的稳定性和响应速度。

相互作用

首先，比例单元（P）的作用是按比例反应系统的偏差。当系统出现偏差时，比例单元会立即产生调节作用，减小偏差。具体来说，如果系统的当前状态与期望状态之间存在差异，比例单元会根据这个差异的大小和方向，按比例产生一个调节信号，这个信号会作用于系统，使其向消除偏差的方向运动。

然后，积分单元（I）的作用是消除系统的稳态误差。当系统存在稳态误差时（即系统无法达到期望状态，一直存在一个微小的偏差），积分单元会对这个误差进行积分，即计算误差随着时间的变化量。这个积分值会作为一个调节信号，对系统进行进一步的调节，直至消除稳态误差。

最后，微分单元（D）的作用是反应系统的未来误差。微分单元会对系统的未来状态进行预测，并计算预测值与期望值之间的误差。这个误差的变化率（即微分值）会被作为调节信号，提前对系统进行调节，以避免在未来出现大的误差。

PID这三个单元各有侧重，但又相互配合，共同作用，使得系统能够快速、准确地对各种复杂的工况进行响应，并达到期望的控制效果。

相似算法

PID调节和以下几种控制算法相似：

1. 比例积分微分控制算法（PI控制算法）。PI控制算法是在PID算法的基础上去掉微分项得到的一种算法，只包含比例控制和积分控制。与PID相比，PI算法更加稳定，能够减少振荡和过冲现象。
2. 比例积分控制算法（P控制算法）。P控制算法是在PID算法的基础上去掉积分项和微分项得到的一种算法，只包含比例控制。与PID相比，P算法更加简单，并且能够在一定程度上控制系统性能。
   除上述控制算法之外，还存在其他与PID调节相似的算法，如模糊控制、自适应控制等。这些算法在处理复杂和非线性系统方面具有优势，可以在特定情况下实现更好的控制效果。

与PWM对比

PID控制和PWM控制是两种常用的控制技术，它们在不同的应用中有不同的作用和工作原理。

PWM控制是通过调整脉冲的占空比来控制输出信号的平均电平。它是通过周期性地开关电源，控制开关时间和关闭时间的比例，从而控制所需的输出。PWM控制常用于需要模拟连续信号的应用，例如直流电机速度控制、LED亮度调节、音频放大器等，它适用于那些可以通过调整脉冲宽度来控制的设备或系统。

PID控制是一种基于反馈的控制算法，根据当前误差、误差积分和误差变化率的信息，计算出一个控制量，用于调节输出，以使系统的实际值与期望值尽可能接近。PID控制适用于需要精确控制和稳定性的应用，例如温度控制、位置控制、速度控制等。PID控制具有自适应能力，可以根据实际情况动态调整控制参数。

在某些应用中，PID和PWM可以结合使用。例如，在电机控制系统中，PID控制可以用于调节电机的速度和位置，而PWM控制可以用于调节电机的电流和电压。两者的结合使用可以实现更精确的电机控制。

应用范围

PID控制算法在以下领域中有广泛应用：

温度控制：在工业过程、热处理、恒温箱等方面，PID控制算法可以实现对温度的精确控制。
机械控制：在电机速度控制、位置控制、压力控制等方面，PID控制算法可以实现机械系统的精确控制。
液位控制：在液位高度控制、油罐液位控制等方面，PID控制算法可以实现液位的精确控制。
流量控制：在化工流程控制、供水系统控制等方面，PID控制算法可以实现对流量的精确控制。
此外，PID控制算法还应用于速度控制、位置控制、飞行器姿态控制、汽车稳定性控制、电力调度等各个领域。总的来说，PID控制算法适用于需要自动控制和调节的各种物理过程，使其达到预定的控制目标。

优缺点

PID控制器被广泛应用于各种控制系统中，其主要的优点有：

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，并且配置几乎最优。比例（P）代表当前的信息，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，能消除静差，改善系统的静态特性。
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积分分离控制等。

然而，PID控制器也存在一些缺点：
5. PID控制器对参数调整的要求比较高，如果参数调整不当，可能会导致系统性能不佳。
6. PID控制器对反馈信号的依赖度高，如果反馈信号受到干扰或者出现故障，系统的性能也会受到影响。
7. PID控制器对噪声敏感，如果系统中存在噪声，可能会导致控制系统出现震荡或者不稳定。
8. PID控制器可能存在积分饱和的问题，如果积分项发生饱和，可能会导致控制系统出现稳态误差或者振荡。

硬件支持

PID控制需要以下硬件支持：

控制器：PID控制算法需要一个控制器来实现。控制器可以是嵌入式系统、单片机、PLC等，用于接收输入信号，根据PID算法计算输出信号，并将输出信号传递给被控对象。
执行器：PID控制的执行器是用于将控制信号转换为实际动作的装置。常见的执行器包括电动机、气缸、液压马达等。
反馈装置：PID控制需要一个反馈装置来检测被控对象的输出信号，并将其反馈给控制器。反馈装置可以是传感器、编码器等。
电源：PID控制系统的电源是用于提供能量的设备。对于不同的被控对象和控制器，需要选择相应的电源来提供合适的能量。
此外，根据具体的被控对象和控制系统要求，可能还需要其他辅助设备，如信号转换器、继电器、接触器等。