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PID调节教程

什么是PID调节

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：

测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控

制系统的响应。

这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更

好地纠正系统。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，

现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的

系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输

入e(t)与输出u(t)的关系为

u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)式中积分的上下限分别是0和t

因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)

其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数

它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数

（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取

其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其

简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。

其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程

的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系

统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。

在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”

模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、

安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整

定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回

路控制器和分散控制系统的一个标准。

在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存

在一些问题需要解决：

如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好

过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会

引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。

如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态

特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一

个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方

法，参数整定可靠与否存在很多问题。

因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连

续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计

算PID参数。

PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地

不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数

都没用。

虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器

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(intelligentregulator)，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、