PID算法的通俗講解及調(diào)節(jié)口訣

1、PID調(diào)節(jié)口訣1. PID常用口訣: 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查，先是比例后積分，最后再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大，曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳，曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降，曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長，理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1， 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低 2.PID控制器參數(shù)的工程整定,各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中P.I.D參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下可參照：溫度T: P=2060%,T=180600s,D=3-180s壓力P: P=3070%,T=24180s, 液位L: P=2080%,T=60300s, 流量L

2、: P=40100%,T=660s。 3.PID控制的原理和特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID

3、控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入"積分項(xiàng)"。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大

4、。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化"超前"，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入"比例&qu

5、ot;項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是"微分項(xiàng)"，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。什么是PID一種通俗易懂的講解首先幫大家解決一下什么是PID調(diào)節(jié)，為什么就要這樣的疑惑。PID是比例，積分，微分的英文單詞的首字母的簡稱。下面舉個(gè)例子說明一下PID，讓大家有個(gè)感官的認(rèn)識，控制模型：你控制一個(gè)人讓他以PID控制的方式走110步后停下。 （1）P比例控制，就

6、是讓他走110步，他按照一定的步伐走到一百零幾步（如108步）或100多步（如112步）就停了。 說明： P比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 （2）PI積分控制，就是他按照一定的步伐走到112步然后回頭接著走，走到108步位置時(shí)，然后又回頭向110步位置走。在110步位置處來回晃幾次，最后停在110步的位置。 說明： 在積分I控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（Sys

7、tem with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 （3）PD微分控制，就是他按照一定的步伐走到一百零幾步后，再慢慢地向110步的位置靠近，如果最后能精確停在110步的位置，就是無靜差控制；如果停在110步附近（如109步或111步位置），就是有靜差控制。 說明： 在微分控制D中，控制器的輸出與輸入誤差信號的

8、微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例P”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢。這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例P+微分D（PD）控制

9、器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。小云接到這樣一個(gè)任務(wù)：一個(gè)水缸有點(diǎn)漏水(而且漏水的速度還不是固定不變的)，要求水面高度維持在某個(gè)位置，一旦發(fā)現(xiàn)水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。     小云接到任務(wù)后就一直守在水缸旁邊，時(shí)間長就覺得無聊，就跑到房里看小說了，開始每30分鐘來檢查一次水面高度。結(jié)果水漏得太快，每次小云來檢查時(shí)，水都快漏完了，離要求的高度相差很遠(yuǎn)，后來小云改為每3分鐘來檢查一次，結(jié)果每次來水都沒怎么漏，不需要加水，來得太頻繁做的是無用功。幾次試驗(yàn)后，他確定每10分鐘來檢查一次。這個(gè)檢查時(shí)間就稱為采樣周期。     開始小云用勺子加水

10、，水龍頭離水缸有十幾米遠(yuǎn)的距離，經(jīng)常要跑好幾趟才加夠水，于是小云又改為用桶加，一加就是一桶，跑的次數(shù)少了，加水的速度也快了，但好幾次將缸給加溢出了，小云又動(dòng)腦筋，我不用瓢也不用桶，最后選擇可用盆，幾次下來，發(fā)現(xiàn)剛剛好，不用跑太多次，也不會讓水溢出。這個(gè)加水工具的大小就稱為比例系數(shù)。     小云又發(fā)現(xiàn)水雖然不會加過量溢出了，有時(shí)會高過要求位置比較多，還是有溢出的可能。于是他又想了個(gè)辦法，在水缸上裝一個(gè)漏斗，每次加水不直接倒進(jìn)水缸，而是倒進(jìn)漏斗讓它慢慢加。這樣溢出的問題解決了，但加水的速度又慢了，有時(shí)還趕不上漏水的速度。于是他試著變換不同大小口徑的漏斗來控制加水的速度，最終找

11、到了滿意的漏斗。漏斗的時(shí)間就稱為積分時(shí)間。     小云終于喘了一口氣，但任務(wù)的要求突然嚴(yán)格了，水位控制的及時(shí)性要求大大提高，一旦水位過低，必須立即將水加到要求位置，而且不能高出太多，否則不給工錢。小云又為難了！于是他又開動(dòng)腦筋，終于讓它想到一個(gè)辦法，常放一盆備用水在旁邊，一發(fā)現(xiàn)水位低了，不經(jīng)過漏斗就是一盆水下去，這樣及時(shí)性是保證了，但水位有時(shí)會高很多。他又在要求水面位置上面一點(diǎn)將水缸鑿一孔，再接一根管子到下面的備用桶里，這樣多出的水會從上面的孔里漏出來。這個(gè)水漏出的快慢就稱為微分時(shí)間。 好了，故事講完了，下面是關(guān)于應(yīng)用增量式PID算法。其實(shí)PID的算法可以做很深，但沒必要

12、，一般入門級的算法已經(jīng)在很多場合夠用了，這里之所以選用增量式PID算法（另外還有位置式PID等等），因?yàn)樵隽渴絇ID算法運(yùn)算量少，非常適合單片機(jī)的應(yīng)用。顯然要想給單片機(jī)運(yùn)算，就必須是數(shù)字量，而上述的PID是模擬PID，我們要將他數(shù)字化，離散化。其中積分在上面說到的，他的幾何意義就是求e（t）與時(shí)間軸t圍成的圖形的面積，將這個(gè)面積分成T等分 ，T=0到T=1跟e（t）圍成的面積加上T=1到T=2跟e（t）圍成的面積一直累加。直到T-1到T跟e（t）圍成的面積剛好就是整個(gè)e（t）與t時(shí)間軸圍成的面積，剛剛好是e（t）對t的積分，如果T無限大，那么就可以分割成無限個(gè)小圖形那么這個(gè)圖形的面積就可以用T

13、e（1）+e(2)+e(T-1)+e(T)來代替積分效果，而這個(gè)T等分就是AD在整個(gè)時(shí)間軸t中采樣的點(diǎn)，顯然越快的AD在相同的時(shí)間t里面采樣的點(diǎn)越多，換句話說就是T更接近無限大。因此積分可以用累和代替。下面為積分的專業(yè)的解釋定義設(shè)函數(shù)f(x)在a,b上有界，在a，b中任意插入若干個(gè)分點(diǎn) a=x0<x1<.<xn-1<xn=b 把區(qū)間a，b分成n個(gè)小區(qū)間 x0，x1，.xn-1，xn。 在每個(gè)小區(qū)間xi-1，xi上任取一點(diǎn)i(xi-1ixi)，作函數(shù)值f(i)與小區(qū)間長度的乘積f(i)xi，并作出和    如果不論對a,b怎樣分法，也不論在小區(qū)間上的點(diǎn)

14、i怎樣取法，只要當(dāng)區(qū)間的長度趨于零時(shí)，和S總趨于確定的極限I， 這時(shí)我們稱這個(gè)極限I為函數(shù)f(x)在區(qū)間a,b上的定積分， 記作    微分用差分代替，先說明一下微分的幾何意義我們可以想象把上圖中的f（x）換成e（t），x軸換成t軸，把x換成t，當(dāng)t非常小的時(shí)候曲線MN等價(jià)于直線MN，y就等于dy，所以可以用Td*e（t）-e（t-1）/ t,同樣t就是采樣時(shí)間越小越好。因此模擬PID離散化得到在k-1時(shí)刻的輸出因此得到一個(gè)增量其中的T為采樣時(shí)間 ，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定A、B、C(系數(shù)的選取是PID的關(guān)鍵這里不做討論)增量式PID控制算法與位置式

15、PID算法相比，計(jì)算量小得多，因此在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。位置式PID控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞推計(jì)算公式：就是目前在計(jì)算機(jī)控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推PID控制算法。：下面是程序typedef struct PID int SetPoint; /設(shè)定目標(biāo) Desired Value long SumError; /誤差累計(jì) double Proportion; /比例常數(shù) Proportional Const double Integral; /積分常數(shù) Integral Const double Derivative; /微分常數(shù) Derivative Const int Last

16、Error; /Error-1 int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID; static PID *sptr = &sPID; /*= Initialize PID Structure PID參數(shù)初始化=*/ void IncPIDInit(void) sptr->SumError = 0; sptr->LastError = 0; /Error-1 sptr->PrevError = 0; /Error-2 sptr->Proportion = 0; /比例常數(shù) Proportional Const sptr->Integral = 0; /積分常數(shù)Integral Const sptr->Derivative = 0; /微分常數(shù) Derivative Const sptr->SetPoint = 0; /*= 增量式PID計(jì)算部分 =*/ int IncPIDCalc(int NextPoint) register int iError, iIncpid; /當(dāng)前誤差 iError = sptr->SetPoint - NextPoi