PID控制原理与调整方法

一、前言
在我们燃烧器的自动燃烧控制中，普遍的使用到了PID控制，由于我们对它的了解程度不够深刻，在许多应用现场和用户面前给我们带来了很多尴尬。

为了让大家能深刻的理解并掌握PID，这里我将我搜集到的一些资料结合本人现场调试的一些经验与心得，与大家共同学习探讨。

二、PID控制类型与意义
所谓的PID控制其实是自动控制输出的一种控制类型。

它还有P（比例）控制、I（积分）控制、D（微分）控制，组合在一起使用的有PI控制、PD 控制、PID控制。

尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。

这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。

如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。

1、比例（P）控制
单独的比例控制也称“有差控制”，控制器输出的变化与输入控制器的偏差（偏差指目标值与实际值之间的差）成比例关系，偏差越大输出越大（或越小根据正反比例有关）。

输出=偏差*比例
比如说，一个热风炉出口温度的PID控制的比例是10，它的预定值是500°C。

那么它在小于490°C的时候会输出100%，在495°C的时候会输出50%，在499°C的时候输出10％，在偏差是0的时候，控制器的输出也是0。

实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例度太大，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。

对于反应灵敏、放大能力强的被控对象（例如热风炉的温度控制），为提高系统的稳定性，应当使比例度稍小些；而对于反应迟钝，放大能力又较弱的被控对象（例如蒸汽压力的控制），比例度可选大一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相应减小余差。

这里说的比例度的大小不是指P值数字的大小，而是指P值在整个被控对象中所占比例的大小，例如，我们平常的蒸汽压力控制目标为2.0MPa，它的比例取值为1，但它已占最大差值比例的50% ,1/（2-0）*100%=50%。

而热风温度控制中，热风目标为500℃，比例取10时，它占最大差值的10%,10/(500-0)*100%=2% 单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。

2、比例积分（PI）控制
比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。

只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。

但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。

克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。

积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。

这里的“积分”指的是“积累”的意思。

积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。

只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。

所以，积分控制可以消除余差。

积分控制规律又称无差控制规律。

积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。

积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。

积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。

因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。

所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。

这样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。

因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。

比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。

由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。

但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。

对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。

3、比例微分（PD）控制
比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。

所谓“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。

为此，人们设想：能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？犹如有经验的操作人员，既可根据偏差的大小来改变阀门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。

这就是具有“超前”控制作用的微分控制规律。

微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。

微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小以及偏差是否存在与否无关。

如果偏差为一固定值，不管多大，只要不变化，则输出的变化一定为零，控制器没有任何控制作用。

微分时间越大，微分输出维持的时间就越长，因此微分作用越强；反之则越弱。

当微分时间为0时，就没
有微分控制作用了。

同理，微分时间的选取，也是需要根据实际情况来确定的。

微分控制作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。

因此，不能单独使用微分控制规律。

比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。

尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。

4、比例积分微分（PID）控制
最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。

它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。

当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。

只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。

三、PID控制器调试方法
1、比例系数的调节
比例系数P的调节范围一般是：0.1--100.
如果增益值取 0.1，PID 调节器输出变化为十分之一的偏差值。

如果增益值取100，PID 调节器输出变化为一百倍的偏差值。

可见该值越大，比例产生的增益作用越大。

初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系
统波动足够小时，
再改动积分或微
分系数。

过大的P
值会导致系统不
稳定，持续振荡；
过小的P值又会
使系统反应迟钝。

合适的值应该使
系统由足够的灵
敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。

2、积分系数的调节
积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。

积分时间设为1秒，则输出变化 100%所需时间为 1 秒。

初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。

3、微分系数的调节
微分值是偏差值的变化率。

例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。

大部分控制系统不需要调节微分时间。

因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。

如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。

如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。

初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。

四、总结
PID参数的整定还需要我们在现场的实践中不断地摸索，与总结。

下面是自动控制前辈们的经验总结。

我给其配上一些曲线图以便于大家更形象深刻的理解。

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（大）回复慢，积分时间往下砍曲线波动周期长，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。