值得收藏！搞自动化的一看就懂，自动化控制中PID参数的意义及整定方法

在工业控制中，PID控制是最常见的控制算法，成熟、稳定】简单、实用，但是很多新手不理解其含义，觉得PID参数很难调节，搞了好几天也没控制好。

我们先了解一下自动化控制系统的组成，它是由控制器、执行机构、传感器及控制对象组成。控制器类似我们的大脑，它的作用就是指挥控制；执行机构就是执行控制器指令的装置，好比我们的四肢；传感器就是用来测试参数的，如我们的眼睛、耳朵等；控制对象就是我们要控制的东西，比如说控制温度。比如说我们要调节火炉温度，控制过程是这样的：传感器先传回当前温度给控制器，控制器判断没有达到温度，控制器就会发出指令，让煤气阀门开大一点以加大火（执行结构），火炉的温度（控制对象）就会升高，升高了多少传感器会实施传给控制器判断，下一步是开大还是关小阀门？

看起来是不是挺简单的，跟我们人的行为差不多。不过，你发现一个很关键问题隐藏在这里了吗？控制器让阀门开大或者关小，开大或者关小的幅度是多少？要提前打开或者晚点关闭吗？生活经验告诉我们，我们烧开水都是温度快到的时候就要开始把火关小，而控制器是怎么做到 这些的呢？它可没有我们大脑聪明。

是的，控制器没有那么聪明，可是我们人类有呀。所以我们就要发明算法，让算法可以模拟控制对象被控制过程的变化规律。我们所说的PID控制器，其实就是使用PID算法的控制器，它是综合了比例放大（P）、积分运算（I）以及微分运算（D）的综合算法控制器。

比例控制（P），它的作用是调整系统的开环增益，提高系统的稳态精度，加快响应速度，它只改变信号增益，不改变信号相位。提高P，可以加快系统调节，减小稳定误差，但是容易超调，导致系统振荡，简单的形容P就是“快而不稳"，一般不单独用P控制。

数学模型上公式：POUT=（Kp*Ek）（kp为比例常数，EK为当前误差）

从上面公式可以看出，P的输出是偏差越大，输出越强，反之越小，与人工控制有很大相似性。

积分控制（I），积分，这里可以理解为累积的意思。在控制过程，每执行一次程序，就会增加一个对当前的误差成比例微小部分，并与之前的积分值累加，作为控制量输出。积分时间越小，积分作用越大。只要误差不为零，积分项就不会停止作用，它总是朝着要减少误差的方向进行不断调整，直至误差消除。所以积分的作用就是提高控制精度，消除稳态误差。

积分算法： IOUT=(kp* ( (1/Ti) Exdt))（ Iout是积分输出，EX是一个时间段内某次的误差，Kp是增益系数）

由于积分主要依据的是历史误差，所以积分具有滞后性。积分时间TI，其实可以理解为对TI范围内的误差要累加进去，TI越大，相当于考虑比较久以前时间内误差对输出信号的影响；TI越小，就是只考虑最近一段时间内误差对输出信号的影响。如果是一个处于相对稳态变化的系统，TI越长，越能反应系统整体特性，但是系统反应会变慢。反之TI越小，积分作用越大，系统响应迅速，但是容易出现超调导致振荡。

可能有人会问，积分是以前历史误差的累加，会不会无限增加？其实不会的，因为有振荡，控制量超过目标值后，误差就会变成负的，这样就会减小累计误差，来回几次振荡，累计误差基本就没有了。在比例P作用下，会使得积分项加速向目标值收敛。

微分控制（d），其在算法上就是比较前两次误差的差Dk=Ek-（Ek-1），用以判断误差的变化趋势，所以微分具有超前调节作用，用于改善时间上有较大滞后性的控制对象。

数学模型上的公式：DOUT=Kp*(Td(de/dt)（DOUT是微分输出，Kp是系数，Td是微分时间）

微分控制反应迅速，但不能消灭余差，对于恒定偏差输入没有控制作用，故不能单独使用。微分时间td越大，微分作用越大。这好比有经验的人在操作，提前就开始控制动作，而不是等到达到目标值才动作。

充分理解了PID参数意义，再结合对工况、控制元件性能了解的基础上，就可以很好的调节这三个参数。在一般现场调试中，可以按照如下步骤进行：

1、关闭I和D，或者设置TI为很大，TD为0；

2、将P设置得比较大，使得系统发散振荡，然后慢慢减小P，调到系统变成衰减振荡（超调量不要超过10%），其中以出现振荡幅度4:1为最佳。

如果调整到4：1振荡衰减后，可以参考后面4:1衰减曲线法PID整定经验参数进行设置，当然也可以按下面步骤继续调节。

3、先设置一个比较大的TI值，然后逐步减小，一直到系统出现振荡。然后再慢慢增大TI，直至不再出现震荡，记录此时的TI数值，最终设置的值比它大一点，如1.5倍。

4、设置一个较小的TD值，然后慢慢增大，直至系统不再振荡。最终取值的时候可以将其减小为一半或者1/3。

5、要注意的是，系统最好在全负荷下进行调节，至少80%以上，才能真实反映系统的执行的状况。

常见的工业四大参数，也就是温度、压力、液位、流量，在控制上已经很成熟，从在经验上，PID参数可以按照下面范围取值，可以减少调节的时间。千万要注意的是，不同的控制系统（电控、气控）或者不同的介质情况，会对控制参数有较大影响，千万不要生搬硬套。

1、温度控制：比例 P取20~80%，积分时间TI取180~600s，微分TD取3~180s；

2、压力控制：比例 P取30~70%，积分TI取24~180s；

3、液位控制：比比例 P取20~80%，积分TI取60~300s；

4、流量控制：比例 P=40~100%,积分时间TI取6~60s。

一般而言，温度存在滞后性，所以需要用到微分，其他的控制几乎是实时性的，没有必要使用微分。当然，具体要根据工况来设置，如果控制机构或者传感器安装得不太合理，使得调节对象变化存在滞后，那则可以考虑加入微分来改善，或许效果更好。