PID控制理论
pid简单原理(一)
- 什么是PID控制器- PID控制器是指比例-积分-微分控制器，是一种广泛应用于工业控制系统中的控制器。
- 它通过比例项、积分项和微分项来调节控制系统的输出，以使系统的实际输出值尽可能接近设定值。
- 比例项- 比例项是根据系统的偏差来调整控制器的输出。
- 当偏差增大时，比例项也随之增大，从而加快系统对偏差的响应速度。
- 但是，如果比例项设置过大，可能会导致系统的震荡和不稳定。
- 积分项- 积分项是根据系统偏差的累积和来调整控制器的输出。
- 它能够消除系统的静态偏差，使系统更快地达到稳定状态。
- 但是，如果积分项设置过大，可能会导致系统的超调和振荡。
- 微分项- 微分项是根据系统偏差的变化率来调整控制器的输出。
- 它能够抑制系统的振荡和减小超调量，提高系统的稳定性。
- 但是，如果微分项设置过大，可能会导致系统的灵敏度过高，使系统对噪声和干扰更为敏感。
- PID控制器的工作原理- 当系统处于稳定状态时，PID控制器主要依靠比例项来调节系统的输出。
- 当系统出现偏差时，积分项开始起作用，逐渐减小偏差，使系统快速达到稳定状态。
- 当系统的偏差变化率较大时，微分项开始起作用，抑制系统的振荡和减小超调量。
- PID控制器的应用- PID控制器广泛应用于温度控制、压力控制、流量控制等工业控制系统中。
- 它能够快速、稳定地调节系统的输出，使系统能够快速达到设定状态并保持稳定。
总结：PID控制器通过比例项、积分项和微分项来调节控制系统的输出，使系统能够快速、稳定地达到设定状态并保持稳定。
它在工业控制系统中有着广泛的应用，能够有效地控制温度、压力、流量等参数。
PID控制原理
PID 控制原理PID 算法是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性（系统抵御各种扰动因素——包括系统内部结构、参数的不确定性，系统外部的各种干扰等的能力）好及可靠性高而被广泛地应用于过程控制和运动控制中。
尤其是随着计算机技术的发展，数字PID 控制被广泛地加以应用，不同的PID 控制算法其控制效果也各有不同。
将偏差的比例（Proportion ）、积分（Integral ）和微分（Differential ）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID 控制器。
模拟PID 控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID 控制。
常规的模拟PID 控制系统原理框图如图所示。
+r(t) + e(t) + u(t) y(t)- +模拟PID 控制系统原理图该系统由模拟PID 控制器和被控对象组成。
图中， r(t )是给定值， y(t )是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e (t )(te ) = r(t ) − y(t ) （式1－1） e (t )作为PID 控制的输入，u (t )作为PID 控制器的输出和被控对象的输入。
所以模拟PID 控制器的控制规律为u(t ) =Kp [e (t )+dt +Td] （式1－2）其中：Kp ―― 控制器的比例系数Ti －－ 控制器的积分时间，也称积分系数Td ―― 控制器的微分时间，也称微分系数1、比例部分比例部分的数学式表示是：Kp*e(t)比例 积分 微分 被控对象在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。
偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。
控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。
故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。
PID控制原理与控制算法
PID控制原理和控制算法5.1 PID控制原理和程序流程5.1.1过程控制的基本概念过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。
一、模拟控制系统图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值和给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。
控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。
二、微机过程控制系统图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。
控制规律的实现，是通过软件来完成的。
改变控制规律，只要改变相应的程序即可。
三、数字控制系统DDC图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。
微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。
由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。
DDC系统也是计算机在工业使用中最普遍的一种形式。
5.1.2 模拟PID调节器一、模拟PID控制系统组成图5－1－4 模拟PID 控制系统原理框图 二、模拟PID 调节器的微分方程和传输函数 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)和实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
1、PID 调节器的微分方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDI P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 式中 )()()(t c t r t e -= u ——调节器的输入信号；e ——测定值和给定值的差值； I T ——积分时间； D T ——微分时间； P K ——调节器放大倍数。
2、PID 调节器的传输函数 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()( 三、PID 调节器各校正环节的作用1、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小偏差。
PID控制以及汽车控制的应用
未来展望
随着智能控制技术的发展，PID控制算法将与人工智能、机器 学习等技术相结合，实现更加智能化和自适应的控制策略。
未来研究方向包括发展新型PID控制算法、提高控制精度和鲁 棒性、以及探索多目标优化和控制等问题。同时，也需要加 强基础理论和实验研究，推动汽车控制技术的不断创新和发 展。
THANKS
在汽车控制中，PID控制算法广泛应用于发动机控制、底盘控制和车身控制等领域，对提高汽车的动力 性、经济性和舒适性具有重要意义。
实际应用与挑战
Hale Waihona Puke 在实际应用中，PID控制算法需要根 据具体的汽车系统和工况进行参数调 整和优化，以适应不同的行驶条件和 性能要求。
挑战主要来自于系统非线性和不确定 性，以及复杂的行驶环境和多变的驾 驶员意图。为了实现更好的控制效果 ，需要深入研究系统动态特性和驾驶 员行为特征。
控制精度与鲁棒性
控制精度
PID控制器在汽车控制中需要高精度 的控制效果，以满足汽车运行的安全 性和稳定性。
鲁棒性
由于汽车运行环境复杂多变，PID控制 器需要具备良好的鲁棒性，以应对各 种干扰和不确定性。
实时性要求
快速响应
汽车控制需要快速响应，以应对突发情况， PID控制器需要具备高效的计算能力和优化 算法，以满足实时性要求。
详细描述
通过传感器检测车辆的横摆角速度和侧向加速度，PID控制器计算期望横摆力矩并与实际横摆力矩进 行比较，产生一个附加横摆力矩，通过制动系统施加到内侧车轮上，使车辆保持稳定。PID控制器能 够根据车辆的动态响应实时调整附加横摆力矩，提高车辆的操控性和稳定性。
自动泊车系统
总结词
自动泊车系统是利用PID控制算法实现自 动寻找停车位和自动泊车的智能化系统 。
PID控制原理与参数的整定方法
PID控制原理与参数的整定方法PID控制（Proportional, Integral, Derivative）是一种常用的控制算法，广泛应用于工业控制中。
PID控制的原理在于根据系统的偏差来调整控制器的输出，通过比例、积分和微分三个部分的组合来实现稳定控制。
PID控制具有简单、易于实现以及对多种控制系统都适用的优点。
1. 比例部分（Proportional）：控制器的输出与系统偏差成比例关系。
比例参数Kp越大，控制器对于系统偏差的响应越强烈。
2. 积分部分（Integral）：控制器的输出与系统偏差的积分成比例关系，用于消除偏差的累积效应。
积分参数Ki越大，积分作用越明显，能够更快地消除较大的稳态偏差。
3. 微分部分（Derivative）：控制器的输出与系统偏差的导数成比例关系，用于预测系统响应趋势。
微分参数Kd越大，控制器对于系统变化率的响应越快，从而减小超调和加快系统的响应速度。
1.经验整定法：通过试验和经验来估计PID参数。
该方法适用于绝大多数工控场合，但需要经验丰富的工程师进行调试。
2. Ziegler-Nichols整定法：由Ziegler和Nichols提出的一种经典的整定方法。
通过增大比例参数Kp，逐步增大积分参数Ki和微分参数Kd，直到系统出现震荡，然后通过震荡周期和幅值来计算PID参数。
3. Chien-Hrones-Reswick整定法：由Chien、Hrones和Reswick提出的整定方法。
通过对系统的动态响应进行数学分析，求解PID参数的合理取值。
4. Lambda调整法：通过修正Ziegler-Nichols整定法的参数，通过对系统的响应特性进行校正来得到优化的PID参数。
5.自适应整定法：通过分析系统的响应特性，利用数学模型和自适应算法来实时调整PID参数，以使系统保持最佳的控制性能。
需要指出的是，PID控制器参数的整定是一个复杂的问题，依赖于具体的控制对象和控制要求。
PID控制原理
式中， K C 称为比例增益(视情况可设置为正或负)。 在实际应用中，由于执行器的运动（如阀门 制器的输出 u(t)也就被限制在一定的范围之内， 换句话说，在 Kc 较大时，偏差 e(t)仅在一定的范围内与控制器 的输出保持线性关系。 图 4-1 说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围 图中偏差在-50%-50%范围变化时， 如果 Kc=1，则控制器输出 u(t)变化在 0～100%范围（对应阀门的全 关到全开），并与输入 e(t)之间保持线性关系。 Kc>1 时，制器输出 u(t)与输入 e(t)之间的线性关系只在-50%/Kc～ 50%/Kc 满足。 开度）有限，控
e / | emax emin | 100% u / | u max u min |
式中，
[emin , emax ]
为偏差信号范围，即仪表的量程；
[u min , u max ]
围。 习题 4.2(p98)
为控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范
某电动比例调节器的测量范围为 100--200oC，其输出为 0--10mA。当 温度从 140oC 变化到 160oC 时， 测得调节器的输出从 3mA 变化到 7m节是有差调节，积分调节是无差调节 ●比例调节能立即响应偏差变化积分调节调节过程缓慢 ∴当被调参数突然出现较大的偏差时 比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大 但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小 ∴如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力 ●单独的积分调节系统较罕见， 它作为一种辅助调节规律与比例调节 一起组成比例积分调节规律。 对于同一被控对象若分别采用 P 调节和 I 调节，并调整到相同 的衰减率ψ＝0．75，则它们在负荷扰动下的调节过程如图 4-7 中曲 线 P 和 I 所示。它们清楚地显示出两种调节规律的不同特点。
PID控制原理与调整方法
PID控制原理与调整方法1.比例控制（P控制）：比例控制是根据误差的大小来进行调整。
当误差大时，输出信号也会相应地增大，以加大控制作用力度；当误差小于设定值时，输出信号也会适当减小。
比例控制的目的是使输出与设定值之间的误差尽量减小。
2.积分控制（I控制）：积分控制是根据误差的累积量来进行调整。
当误差积累到一定程度时，输出信号会相应地增加或减小，以加速误差的消除过程。
积分控制的目的是缩小偏差，使系统达到更快的稳定状态。
3.微分控制（D控制）：微分控制是根据误差的变化率来进行调整。
当误差的变化率较大时，输出信号也会相应地调整，以实现更迅速的响应。
微分控制的目的是提高系统的稳定性和抗干扰能力。
根据实际控制需求，可以根据被控对象的性质和特点来调整PID控制参数。
以下是几种常用的PID参数调整方法：1.经验调参法：根据经验和实际控制经验，手动调整PID控制参数，逐渐找到使系统达到稳定且性能良好的参数组合。
这种方法简单直观，但需要丰富的实际经验和耐心。
2.理论分析法：根据被控对象的数学模型和系统性能指标的要求，通过理论分析方法来计算合适的PID参数。
这种方法需要深入理解被控对象的特性和控制原理，并具备一定的数学和控制理论基础。
3. 自整定方法：使用自整定算法来在线调整PID控制参数。
自整定方法有多种，如Ziegler-Nichols方法、Chien-Hrones-Reswick方法等。
这些方法均基于试控制行为和系统频率响应参数的分析计算，通过不断试控过程的反馈信息来调整PID参数。
4.优化算法：使用优化算法来寻找最佳的PID参数组合。
优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
这些算法通过不断迭代运算来参数空间中的最优解，以实现系统稳定性和性能的最佳平衡。
需要注意的是，PID参数的调整是一个较为复杂的过程，需要在实际应用中不断试验和调整，根据实际情况进行优化。
此外，不同的被控对象和控制要求可能需要不同的PID参数组合，因此在实际应用中需要灵活调整和适当的参数修正。
(完整版)PID控制详解
PID控制原理和特点工程实际中，应用最为广泛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主要技术之一。
当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器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﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
1、比例控制（P）：比例控制是最常用的控制手段之一，比方说我们控制一个加热器的恒温100度，当开始加热时，离目标温度相差比较远，这时我们通常会加大加热，使温度快速上升，当温度超过100度时，我们则关闭输出，通常我们会使用这样一个函数e(t) = SP – y(t)-u(t) = e(t)*PSP——设定值e(t)——误差值y(t)——反馈值u(t)——输出值P——比例系数滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可以满足控制要求，但很多被控对象中因为有滞后性。
也就是如果设定温度是200度，当采用比例方式控制时，如果P选择比较大，则会出现当温度达到200度输出为0后，温度仍然会止不住的向上爬升，比方说升至230度，当温度超过200度太多后又开始回落，尽管这时输出开始出力加热，但温度仍然会向下跌落一定的温度才会止跌回升，比方说降至170度，最后整个系统会稳定在一定的范围内进行振荡。
如果这个振荡的幅度是允许的比方说家用电器的控制，那则可以选用比例控制2、比例积分控制（PI）：积分的存在是针对比例控制要不就是有差值要不就是振荡的这种特点提出的改进，它常与比例一块进行控制，也就是PI控制。
其公式有很多种，但大多差别不大，标准公式如下：u(t) = Kp*e(t) + Ki∑e(t) +u0u(t)——输出Kp——比例放大系数Ki——积分放大系数e(t)——误差u0——控制量基准值（基础偏差）大家可以看到积分项是一个历史误差的累积值，如果光用比例控制时，我们知道要不就是达不到设定值要不就是振荡，在使用了积分项后就可以解决达不到设定值的静态误差问题，比方说一个控制中使用了PI控制后，如果存在静态误差，输出始终达不到设定值，这时积分项的误差累积值会越来越大，这个累积值乘上Ki后会在输出的比重中越占越多，使输出u(t)越来越大，最终达到消除静态误差的目的PI两个结合使用的情况下，我们的调整方式如下：1、先将I值设为0，将P值放至比较大，当出现稳定振荡时，我们再减小P值直到P值不振荡或者振荡很小为止（术语叫临界振荡状态），在有些情况下，我们还可以在些P值的基础上再加大一点。
PID控制的基本原理
PID 控制的基本原理1．PID 控制概述当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。
反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。
测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和控制系统的响应。
反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。
在过去的几十年里，PID 控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。
在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 结构，而且许多高级控制都是以 PID 控制为基础的。
PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，它的基本原理比较简单，基本的 PID 控制规律可描述为：G S K P K 1 K D S(1-1)PID 控制用途广泛，使用灵活，已有系列化控制器产品，使用中只需设定三个参数（K，K I和 K D）P即可。
在很多情况下，并不一定需要三个单元，可以取其中的一到两个单元，不过比例控制单元是必不可少的。
PID 控制具有以下优点：（1）原理简单，使用方便，PID 参数K P、K I和 K D可以根据过程动态特性变化，PID 参数就可以重新进行调整与设定。
（2）适应性强，按 PID 控制规律进行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是 PID 控制。
PID 应用范围广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，也可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，就可以进行 PID 控制了。
（3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。
但不可否认 PID 也有其固有的缺点。
PID 在控制非线性、时变、偶合及参数和结构不缺点的复杂过程时，效果不是太好；最主要的是：如果 PID 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数作用都不大。
在科学技术尤其是计算机技术迅速发展的今天，虽然涌现出了许多新的控制方法，但 PID 仍因其自身的优点而得到了最广泛的应用，PID 控制规律仍是最普遍的控制规律。
第4章PID控制原理
17
由于P控制器只是一个简单的比例环节，因此不难 理解 cr 的大小只取决于被控对象的动态特性。根 据奈氏判据可知，在稳定边界上有
1
cr
K cr 1
cr Kcr
式中 K cr 为广义被控对象在临界频率下的增益。 P控制器的相角为0，因此被控对象在临界频率 cr 下必须提供-180o的相角，由此可以计算出临界频 率。 cr 和 cr 可认为是被控对象动态特性的 频域指标。
12
对于具有非自平衡特性的工业对象，本身并没有所 谓的静特性，但仍可根据流入、流出量的平衡关系 进行有无残差的分析。比如工业锅炉的水位控制。 为了保持水位稳定，给水量必须与蒸汽负荷保持平 衡。一旦失去平衡关系，水位就会一直变化下去。 因此，当蒸汽负荷改变后，给水阀开度必须有相应 的改变，才能保持水位稳定。如果采用比例控制器， 这就意味着在新的稳态下，水位必须有残差。
2
PID控制具有以下优点：
(1)原理简单，使用方便。 (2)适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼 油以及造纸、建材等各种生产部门。按PID控制进行 工作的控制器早已商品化。在具体实现上它们经历了 机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始 终没有脱离PID控制的范畴。即使目前最新式的过程 控制计算机，其基本的控制功能也仍然是PID控制。 (3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不 大敏感。
U ( s) Gc ( s) Kc E ( s)
5
在实际应用中，由于执行器的运动（如阀门开度）有 限，控制器的输出u(t)也就被限制在一定的范围之内 ，换句话说，在Kc较大时，偏差e(t)仅在一定的范围 内与控制器的输出保持线性关系。图3-1说明了偏差 与输出之间保持线性关系的范围。图中偏差在-50%50%范围变化时，如 果Kc=1，则控制器输出 u(t)变化在0～100%范围 （对应阀门的全关到全 开），并与输入e(t)之间 保持线性关系。当Kc>1 时，制器输出u(t)与输入 e(t)之间的线性关系只在 -50%/Kc～50%/Kc满足。 6
控制理论课程设计pid
控制理论课程设计pid一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握PID控制理论的基本概念、原理和应用方法。
通过本课程的学习，学生将能够：1.知识目标：理解PID控制器的原理、结构和参数调整方法；掌握PID控制算法的实现和应用。
2.技能目标：能够运用PID控制理论分析和解决实际控制系统问题；具备PID控制器的设计和参数优化能力。
3.情感态度价值观目标：培养学生对自动控制技术的兴趣和热情，提高学生解决实际问题的能力，培养学生的创新意识和团队协作精神。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.PID控制理论的基本概念和原理：包括PID控制器的结构、工作原理和参数调整方法。
2.PID控制算法的实现：包括PID控制算法的编程实现和仿真分析。
3.PID控制器的应用：包括PID控制器在各种实际控制系统中的应用案例分析。
4.PID控制器的设计和参数优化：包括PID控制器的设计方法、参数优化策略和实际应用。
三、教学方法为了达到本课程的教学目标，将采用以下教学方法：1.讲授法：通过讲解PID控制理论的基本概念、原理和应用，使学生掌握基本知识。
2.讨论法：通过分组讨论和课堂讨论，引导学生深入思考和理解PID控制理论。
3.案例分析法：通过分析实际案例，使学生了解PID控制器在实际中的应用和效果。
4.实验法：通过实验操作，使学生亲手实践PID控制器的设计和应用，提高学生的实际操作能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学内容和教学方法的实施，将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的PID控制理论教材，为学生提供系统的学习资料。
2.参考书：提供相关的参考书籍，丰富学生的知识体系。
3.多媒体资料：制作课件、教学视频等多媒体资料，提高课堂教学效果。
4.实验设备：准备相关的实验设备和器材，为学生提供实践操作的机会。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，本课程将采用以下评估方式：1.平时表现：通过课堂参与、提问、讨论等环节，评估学生的学习态度和参与程度。
伺服电机pid控制原理
伺服电机pid控制原理PID控制是一种经典的控制理论，它通过分析被控对象的反馈信号与设定值之间的误差，引入三个参数（比例常数、积分常数和微分常数），计算控制量，从而达到稳定控制被控对象的目的。
在伺服电机控制中，PID控制被广泛应用。
PID控制器可以分为两部分：比例部分（P）、积分部分（I）以及微分部分（D），三者的作用分别是：1.比例部分（P）：根据误差大小，输出比例常数与误差之积。
这样做的目的是使得输出量与误差成正比。
2.积分部分（I）：根据误差大小，输出积分常数与误差之积。
这样做的目的是消除静态误差，也就是均衡系统输出的偏差。
3.微分部分（D）：根据误差的变化率，输出微分常数与误差的变化率之积。
这样做的目的是消除瞬间性的误差，也就是快速稳定系统的输出。
PID控制器的核心公式为：u(t) = Kp*e(t) + Ki*∫e(t) dt + Kd*(de/dt)其中，u(t)为控制器输出，e(t)为误差，Kp为比例常数，Ki为积分常数，Kd为微分常数，de/dt为误差变化率，∫e(t) dt为误差的积分。
在伺服电机中，PID控制的目标是控制电机的速度和位置。
在速度控制中，设定值为期望速度，反馈信号为实际速度，误差即两者之差。
在位置控制中，设定值为期望位置，反馈信号为实际位置，误差即两者之差。
根据PID控制器的公式，控制电机的控制量即为输出值u(t)。
实际应用中，PID控制器的参数需要进行调整。
这是因为不同的系统有不同的响应特性，而响应特性是由机械结构和物理参数决定的。
因此，在使用PID控制器时，需要针对具体的系统进行测试和参数调整，以达到最佳控制效果。
总之，PID控制器是一种经典的控制理论，在伺服电机控制中应用广泛。
通过对误差分析，并根据系统的响应特性调整PID控制器的参数，可以实现精确的电机控制，提高电机性能和运行效率。
PID控制原理及参数整定方法
PID控制原理及参数整定方法PID控制是一种经典的控制策略，广泛应用于各种工业自动化系统。
其通过比较设定值与实际输出值，根据误差及其变化趋势，实时调整控制器的参数，以达到期望的控制效果。
本文将详细介绍PID控制原理及参数整定方法，旨在帮助读者更好地理解和应用PID控制。
PID控制模型是由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个环节组成的。
在工业自动化中，PID控制器作为一种核心组件，用于维持系统输出值与设定值之间的误差为最小。
PID控制器具有结构简单、稳定性好、易于实现等优点，因此被广泛应用于各种工业控制系统中。
PID控制原理基于控制系统的稳态误差，通过比例、积分和微分三个环节的作用，达到减小误差的目的。
比例环节根据误差信号的大小，产生相应的控制输出；积分环节根据误差信号的变化率，进一步调整控制输出；微分环节则根据误差信号的变化趋势，提前进行控制调整，以迅速消除误差。
PID参数整定的目的是选择合适的控制器参数，以满足系统的动态性能和稳态性能要求。
整定过程中，需要合理调整比例系数、积分时间和微分增益等参数。
其中，比例系数主要影响系统的稳态误差；积分时间用于控制积分环节的灵敏度；微分增益则决定了微分环节的作用强度。
针对不同的控制对象和系统要求，需要灵活调整这些参数，以获得最佳的控制效果。
以某化工生产线的液位控制为例，说明PID控制原理及参数整定的应用。
在此案例中，液位控制器通过比较设定值与实际液位值的误差，实时调整进料泵的转速，以维持液位稳定。
选择一个合适的比例系数Kp，使得系统具有较快的响应速度；调整积分时间Ti，以避免系统出现稳态误差；适当微分增益Kd的设定，可以改善系统的动态性能。
通过合理的参数整定，液位控制系统可以取得良好的控制效果。
然而，若比例系数过大，系统可能会出现振荡现象；若积分时间过长，系统可能无法达到预期的稳态性能；若微分增益过强，系统可能会对噪声产生过度反应。
因此，在参数整定过程中，需要根据实际情况进行反复调整，以达到最佳的控制效果。
pid控制的工作原理
pid控制的工作原理
PID控制是一种常见的控制算法，它通过不断调整控制设备的
输出，使得被控制对象的状态与预期目标尽量接近。
PID控制
的工作原理可以分为三个部分：比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）。
比例控制（P）部分根据被控制对象的偏差与目标值之间的差
异来调整控制器的输出。
偏差是通过将目标值与被控对象的当前状态进行比较得到的。
积分控制（I）部分累积偏差的历史值，并通过乘上积分常数
来调整控制器的输出。
积分控制主要用于修正系统存在的静差（steady-state error）。
微分控制（D）部分根据偏差的变化速率来调整控制器的输出。
微分部分可以提前预测系统的未来变化趋势，从而更好地控制系统的稳定性。
通过结合比例、积分和微分三个部分，PID控制器调整输出信
号来控制系统的响应。
其中，比例部分主要用于快速响应系统的变化，积分部分用于修正静差，微分部分用于提高系统的稳定性。
PID控制器根据被控制对象的状态反馈信息不断调整输出信号，直到系统的偏差逐渐减小且稳定在目标值附近。
通过不断循环这个反馈调整的过程，PID控制器能够实现对被控制对象的精
确控制。
运动控制经典控制理论PID控制
05
PID控制器的优缺点 分析
优点
简单易懂
PID控制算法原理简单，易于理解和 实现，不需要复杂的数学模型。
适用性强
PID控制器可以应用于多种不同类型 的系统和过程，具有很强的通用性。
实时性好
PID控制器能够实时地对系统误差进 行调节，使系统输出快速响应设定值 的变化。
鲁棒性强
对于系统参数的变化和外部干扰， PID控制器具有一定的鲁棒性，能够 保持系统的稳定性。
超调量
反映系统动态性能的重要指标，超调量越小，系 统稳定性越好。
调节时间
系统从初始状态到达稳定状态所需的时间，调节 时间越短，系统响应速度越快。
稳态误差
系统稳定后输出与期望输出之间的误差，稳态误 差越小，控制精度越高。
控制器优化设计方法
根轨迹法
通过绘制根轨迹图分析系统稳 定性，从而优化控制器参数。
能。
02
模糊PID控制器的设计
设计模糊控制器，确定输入输出变量、模糊化方法、模糊规则等，实现
PID参数的在线调整。
03
模糊PID控制的优势
能够处理不确定性和非线性问题，具有较强的鲁棒性和适应性。
神经网络PID控制
01
神经网络的应用
利用神经网络的自学习、自组织 能力，对PID控制器进行优化， 提高控制性能。
分析PID控制器的设 计方法和性能评估
控制理论的发展历程
经典控制理论
以传递函数为基础，采用频率域 分析方法，主要研究单输入单输 出线性定常系统的分析和设计问 题。
现代控制理论
以状态空间为基础，采用时域分 析方法，主要研究多输入多输出 、非线性、时变等复杂系统的分 析和设计问题。
智能控制理论
PID原理和参数调试
PID原理和参数调试PID控制器是一种经典的闭环控制器，广泛应用于工业、航空、汽车等领域。
它通过不断调整输出信号，使实际输出与设定目标保持一致。
PID控制器的核心理论是PID原理，它描述了控制器如何根据当前误差、积分误差和微分误差来调整输出。
\[u(t)= K_p e(t) + K_i \int_0^t e(τ)dτ + K_d\frac{de(t)}{dt}\]其中，u(t)为控制器的输出，e(t)为偏差信号（设定目标与实际输出的差异），Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分增益参数。
比例增益参数（Kp）决定了控制器的输出与误差的线性关系，它使得系统的响应速度变快。
当Kp过大时，控制器的输出会超过设定范围，引起振荡或不稳定；当Kp过小时，系统响应速度变慢，误差较大。
积分增益参数（Ki）是对误差的积分，用于消除稳态误差。
当Ki增大时，系统对积分误差的响应变快，但过大的Ki会导致系统过冲或震荡。
微分增益参数（Kd）是对误差的微分，用于预测未来误差的变化趋势。
它可以有效抑制系统的超调和振荡，提高系统的稳定性。
过大或过小的Kd值都会导致系统不稳定。
调试PID控制器的参数是一个非常重要的工作，合理地选择参数可以使系统响应快速、稳定且准确。
常用的调试方法有手动试错法、Ziegler-Nichols方法和基于模型的方法等。
手动试错法是最常用的调试方法之一，它需要根据经验不断调整参数直到满足控制需求。
首先，将积分和微分增益设置为零，仅调节比例增益参数。
增大Kp使系统响应更快，但控制器可能出现振荡或不稳定。
找到一个较大的Kp值后，可以逐渐增大Ki，以减小稳态误差。
最后，再逐渐增大Kd以提高系统的稳定性。
Ziegler-Nichols方法是一种经验性的参数整定法，通过观察实际系统的频率响应曲线来选择参数。
它包括三种方法：开环法、闭环法和综合法。
选择其中一方法后，得到的参数是经验性的，可能需要在实际应用中进行微调。
pid的基本原理
pid的基本原理
PID控制器的基本原理是将系统的控制误差乘以三个可调参数比例系数（P）、积分时间常数（I）和微分时间常数（D），并通过加权求和的方式来产生控制器的输出。
这个输出信号被传递到执行器或附加设备上，以调整系统的控制过程。
比例项（P）根据当前误差信号的大小提供输出，其输出与误差成正比。
当误差较大时，输出信号也较大，使系统更快地恢复到设定值附近。
然而，过大的比例参数可能导致系统产生过冲现象。
积分项（I）根据误差信号累积的历史情况提供输出，要消除系统持续存在的偏差。
积分项的输出随时间而累加，并且对较小的误差积分响应更大。
积分参数如果设置过大，可能会造成系统的超调和震荡。
微分项（D）根据误差变化的速率提供输出，以预测系统未来的趋势并对其进行补偿。
微分项可以抑制系统过冲和振荡，然而，过大的微分常数可能会引入噪声或引起系统不稳定。
通过适当调整这三个参数，可以使PID控制器在最佳工作点附近产生稳定、快速和准确的控制响应。
这种控制器广泛应用于工业自动化、过程控制和机器人等领域，其中PID控制器可以根据实际应用的需求进行调整和优化。
PID控制理论
工业自动化术语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(intelligent 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。
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。
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。
PID控制理论
PID控制理论5。
1PID控制原理与程序流程5.1。
1过程控制的基本概念过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。
一、模拟控制系统图5-1—1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较,得到偏差,模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零,其输出通过执行器作用于过程.控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。
二、微机过程控制系统图5—1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。
控制规律的实现，是通过软件来完成的。
改变控制规律，只要改变相应的程序即可。
三、数字控制系统DDC图5—1—3 DDC系统构成框图DDC（Direct Digital Congtrol）系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。
微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法）进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。
由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。
DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。
5.1.2模拟PID 调节器一、模拟PID 控制系统组成图5－1－4 模拟PID 控制系统原理框图 二、模拟PID 调节器的微分方程和传输函数PID 调节器是一种线性调节器,它将给定值r(t)与实际输出值c （t ）的偏差的比例（P ）、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制. 1、PID 调节器的微分方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDI P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()(三、PID 调节器各校正环节的作用1、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小偏差。
PID控制原理
实现PID控制在一些系统中，需要进行PID控制，如一些板卡采集系统，甚至在一些DCS 和PLC的系统中有时要扩充系统的PID控制回路，而由于系统硬件和回路的限制需要在计算机上增加PID控制回路。
在e尔系统中，实时数据库提供了PID控制点可以满足PID控制的需要。
进入到实时数据库组态，新建点时选择PID控制点。
e尔提供的PID控制可以提供理想微分、微分先行、实际微分等多种控制方式。
进行PID控制时，可以把PID的PV连接在实际的测量值上，OP连接在PID实际的输出值上。
这样，在实时数据库运行时，就可以自动对其进行PID控制。
PID参数的调整：在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。
增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。
增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。
在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。
首先整定比例部分。
将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。
如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。
在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。
在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。
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PID控制理论5.1 PID控制原理与程序流程5.1.1过程控制的基本概念过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。
一、模拟控制系统图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。
控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。
二、微机过程控制系统图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。
控制规律的实现，是通过软件来完成的。
改变控制规律，只要改变相应的程序即可。
三、数字控制系统DDC图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。
微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。
由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。
DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。
5.1.2 模拟PID 调节器一、模拟PID 控制系统组成图5－1－4 模拟PID 控制系统原理框图 二、模拟PID 调节器的微分方程和传输函数 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
1、PID 调节器的微分方程 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDIP dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()(三、PID 调节器各校正环节的作用1、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小偏差。
2、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，反之则越强。
3、微分环节：能反应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正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
5.1.3 数字PID 控制器一、模拟PID 控制规律的离散化模拟形式离散化形式)()()(t c t r t e -= )()()(n c n r n e -=dT t de )( Tn e n e )1()(--⎰tdt t e 0)(∑∑===ni n i i e T T i e 0)()(二、数字PID 控制器的差分方程[]00)()()()1()()()()(u n u n u n u u n e n e T T i e T T n e K n u D I P ni D I P +++=+⎭⎬⎫⎩⎨⎧--++=∑= 式中 )()(n e K n u P P = 称为比例项∑==ni IPI i e T TK n u 0)()( 称为积分项[])1()()(--=n e n e TT K n u DPD 称为微分项 三、常用的控制方式1、P 控制 0)()(u n u n u P +=2、PI 控制 0)()()(u n u n u n u I P ++=3、PD 控制 0)()()(u n u n u n u D P ++=4、PID 控制 0)()()()(u n u n u n u n u D I P +++=四、PID 算法的两种类型1、位置型控制――例如图5－1－5调节阀控制[]00)1()()()()(u n e n e T T i e T Tn e K n u ni DI P +⎭⎬⎫⎩⎨⎧--++=∑= 2、增量型控制――例如图5－1－6步进电机控制[][])2()1(2)()()1()()1()()(-+--++--=--=∆n e n e n e TT K n e T TK n e n e K n u n u n u D P I PP【例5—1】设有一温度控制系统，温度测量范围是0～600℃，温度采用PID 控制，控制指标为450±2℃。
已知比例系数4=P K ,积分时间s T I 60=，微分时间s T D 5=，采样周期s T 5=。
当测量值448)(=n c ，449)1(=-n c ，442)2(=-n c 时，计算增量输出)(n u ∆。
若1860)1(=-n u ，计算第n 次阀位输出)(n u 。
解：将题中给出的参数代入有关公式计算得316054=⨯==I PI T T K K ，125154=⨯==T T K K D P D ， 由题知，给定值450=r ，将题中给出的测量值代入公式（5－1－4）计算得2448450)()(=-=-=n c r n e 1449450)1()1(=-=--=-n c r n e 2452450)2()2(-=-=--=-n c r n e代入公式（5－1－16）计算得[]19)2(12212231)12(4)(-≈-+⨯-⨯+⨯+-⨯=∆n u代入公式（5－1－19）计算得1841)19(1860)()1()(≈-+=∆+-=n u n u n u5.1.4 PID 算法的程序流程一、增量型PID 算法的程序流程 1、 增量型PID 算法的算式)2()1()()(210-+-+=∆n e a n e a n e a n u式中)1(0T T T T K a DI P ++=，)21(1T T K a D P +-=，TT K a D P -=2 2、增量型PID 算法的程序流程――图5－1－7（程序清单见教材）二、位置型PID 算法的程序流程 1、位置型的递推形式)2()1()()1()()1()(210-+-++-=∆+-=n e a n e a n e a n u n u n u n u 2、位置型PID 算法的程序流程――图5－1－9只需在增量型PID 算法的程序流程基础上增加一次加运算Δu(n)+u(n-1)=u(n)和 更新u(n-1)即可。
三、对控制量的限制1、控制算法总是受到一定运算字长的限制2、执行机构的实际位置不允许超过上(或下)极限⎪⎩⎪⎨⎧=maxmin)()(u n u u n u max max min min )()()(u n u u n u u u n u ><<≤5.2 标准PID 算法的改进5.2.1微分项的改进一、不完全微分型PID 控制算法1、不完全微分型PID 算法传递函数⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=1111)(S K TS T S T K S G D D D I P C图5－2－1 不完全微分型PID 算法传递函数框图 2、完全微分和不完全微分作用的区别图5-2-2 完全微分和不完全微分作用的区别 3、不完全微分型PID 算法的差分方程 [][])1()()1()()1()(--++--++-=n u n e T K T T n e n e T K T T n u n u D DDDDD D D[])1()()()(--+=∆n u n u K n u T TK n u D D P D IP4、不完全微分型PID 算法的程序流程――图5－2－3 二、微分先行和输入滤波1、 微分先行微分先行是把对偏差的微分改为对被控量的微分，这样，在给定值变化时，不会 产生输出的大幅度变化。
而且由于被控量一般不会突变，即使给定值已发生改变， 被控量也是缓慢变化的，从而不致引起微分项的突变。
微分项的输出增量为 [])1()()(-∆-∆=∆n c n c TT K n u DP D 2、 输入滤波输入滤波就是在计算微分项时，不是直接应用当前时刻的误差e(n)，而是采用滤 波值e(n)，即用过去和当前四个采样时刻的误差的平均值，再通过加权求和形式 近似构成微分项[])3()2(3)1(3)(6)(-----+=n e n e n e n e TT K n u DP D [])4()3(2)2(6)1(2)(6)(-+-+---+=∆n e n e n e n e n e TT K n u DP D5.2.2积分项的改进一、抗积分饱和积分作用虽能消除控制系统的静差，但它也有一个副作用，即会引起积分饱和。
在偏差始终存在的情况下，造成积分过量。
当偏差方向改变后，需经过一段时间后，输出u(n)才脱离饱和区。
这样就造成调节滞后，使系统出现明显的超调，恶化调节品质。
这种由积分项引起的过积分作用称为积分饱和现象。
克服积分饱和的方法： 1、积分限幅法积分限幅法的基本思想是当积分项输出达到输出限幅值时，即停止积分项的计算，这时积分项的输出取上一时刻的积分值。
其算法流程如图5-2-4所示。
2、积分分离法积分分离法的基本思想是在偏差大时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于一预定的门限值ε时才进行积分累积。
这样既防止了偏差大时有过大的控制量，也避免了过积分现象。
其算法流程如图5-2-5。
图5-2-4积分限幅法程序流程 5-2-5积分分离法程序流程 3、变速积分法变速积分法的基本思想是在偏差较大时积分慢一些，而在偏差较小时积分快一些，以尽快消除静差。
即用)(n e '代替积分项中的)(n e)())(()(n e n e f n e ='⎪⎩⎪⎨⎧-=0)())((An e A n e f A n e A n e ><)()( 式中 A 为一预定的偏差限。
二、消除积分不灵敏区1、积分不灵敏区产生的原因 )()(n e T TK n u IPI =∆ 当计算机的运行字长较短，采样周期T 也短，而积分时间T I 又较长时，)(n u I ∆)容易出现小于字长的精度而丢数，此积分作用消失，这就称为积分不灵敏区。
【例5—2】某温度控制系统的温度量程为0至1275℃，A/D 转换为8位，并采用8位字长定点运算。
已知1=P K ，s T 1=，s T I 10=，试计算，当温差达到多少℃时，才会有积分作用？解：因为当1)(<∆n u I 时计算机就作为“零”将此数丢掉，控制器就没有积分作用。
将1=P K ，s T 1=，s T I 10=代入公式计算得)()(1011)()(n e n e n e T T K n u I PI =⨯⨯==∆ 而0至1275℃对应的A/D 转换数据为0～255，温差T ∆对应的偏差数字为 T n e ∆⨯=1275255)( 令上式大于1，解得C T ο50>∆。