PID控制原理与参数的整定方法

给四轴调了好久的PID，总算是调好了，现分享PID参数整定的心得给大家，还请大家喷的时候手下留情。

首先说明一下，这篇文章的主旨并不是直接教你怎么调，而是告诉你这么调有什么道理，还要告诉大家为什

么„只‟使用PID的四轴会在飞行中震荡，告诉大家为什么光使用PID并不能实现对四轴姿态‘足够好’的控制。文

章中还是涉及了不少自控原理和其他控制相关的姿势，没有一点底子的话确实会看着很困惑（不然那么些人花好

几年学控制还有什么意义？）。如果你只想知道结论的话，直接看文章开头和结尾部分就好了（作者也支持大家

这么做，这样被喷的几率就小了=_=）。

本人是刚刚转行学控制，思考错误的地方还请各位大神批评指正。

Ps：用wps画系统框图太费劲了，于是就一个豆没有画„„，大家不会怪罪我吧？

PID控制器是什么？

我想每一个看到这里的人都对PID的概念有了足够的了解，我一遍遍叽歪比例积分微分没有任何意义。这里

我只想说一些大家提的较少的‘重点’内容：

PID控制器是一个线性的控制器！从这里开始我们进入正题了，虽然若干年来PID已然成为了世界上使用最

普遍的控制方法，也逐渐被人们神话到几乎可以控制一切„„„„„„但是，从理论上来说，只有‘线性的，符

合要求的’被控系统才能在PID控制下实现良好的控制效果。

所以说，我们首先第一步，要保证我们的被控系统在被PID控制的区域‘表现为’一个线性系统才行。于是

这里有人会说了，现实中没有哪个系统是线性的，自然，我们的四轴飞行器在大范围内是一个非常典型的非线性

系统（随便按照理论推推模型就会出现漫天的三角函数），也就是说，我们‘仅’使用标准PID控制的话是不可

能让四轴从各个姿态回到目标状态的过程都能保持稳定。于是这里出现我们使用PID时要注意的第一个问题：

我们的PID控制只能工作在四轴角度偏移不大的一个近似线性的区域内。这个区域没有定论，不过你要是飞

机偏了90°的话想用PID调回到水平状态指定是非常危险的事情。PID的模型相关问题非常重要也比较费口舌，

PID参数整定方法

在工程实际中，应用最为广泛的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的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌

握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参

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﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控

制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、

积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅

有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，

如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统

（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分

项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分

项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于

零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大

惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变

化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就

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Blackcafe @ Apr 30,2008

对于温度控制系统参数的整定过程及方法，搜索了很多论坛，大家都只提到PID数学原型，

很少看到有实验过程及Kp,Ki,Kd参数的整定过程及方法，这2天闲着没事，来做个温度控

制实验，并将一些实验过程写上来，我也是正在摸索阶段，希望大家踊跃发言哟，各位有好

的建议尽管提出来，然后我来实验，将实验数据整理上来，希望对于以后想做温度控制的朋

友有所帮助

硬件：

1。用可控硅控制200W加热丝，对一铁块(重量2斤)加热，用K型热电偶采集温度，采用

MAX6675做温度转换，可以到0。25度的精度，并且外围很简单，很容易与CPU对接，采

用SPI通信，读取当前的温度值

2。过零检测电路，将交流信号全波整流后得到的波形去控制NPN管，将信号整形后接到

CPU外部中断脚，为系统提供基准时间，所以CPU中断的频率是100HZ

实验目标：

在100度到200度内可对任意设定的温度恒温，精度先做到+/-1度吧

基本的控制实现方法：

因为是对加热的铁块温度进行控制，属于滞后效应系统，所以采样周期先定为5秒（这里指

的是PID计算的周期，注意我的温度采样是时时的），所以CPU外部中断次数为500次，

对应的PID计算结果输出为0~500，就是说把这5秒钟划分为500等份，根据计算的结果来

决定在这5秒钟内应该加热多少等份

软件：

采用PID控制方法，我先采用位置式输出方式，公式原型：u(t) = kp * e(t) + ki * [e(1) + e(2)

+ ....+ e(t)] + kd * [e(t) - e(t-1)]，这里先做基本的PID算法，达到控制目标后再来优化算法提

PID控制原理与PID参数的整定方法

PID是比例、积分、微分的简称，PID控制的难点不是编程，而是控制器的参数整定。参数整定的关键是正确地理解各参数的物理意义，PID控制的原理可以用人对炉温的手动控制来理解。阅读本文不需要高深的数学知识。

1．比例控制

有经验的操作人员手动控制电加热炉的炉温，可以获得非常好的控制品质，PID控制与人工控制的控制策略有很多相似的地方。

下面介绍操作人员怎样用比例控制的思想来手动控制电加热炉的炉温。假设用热电偶检测炉温，用数字仪表显示温度值。在控制过程中，操作人员用眼睛读取炉温，并与炉温给定值比较，得到温度的误差值。然后用手操作电位器，调节加热的电流，使炉温保持在给定值附近。

操作人员知道炉温稳定在给定值时电位器的大致位置(我们将它称为位置L)，并根据当时的温度误差值调整控制加热电流的电位器的转角。炉温小于给定值时，误差为正，在位置L的基础上顺时针增大电位器的转角，以增大加热的电流。炉温大于给定值时，误差为负，在位置L的基础上反时针减小电位器的转角，并令转角与位置L的差值与误差成正比。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器输出中的比例部分与误差成正比。

闭环中存在着各种各样的延迟作用。例如调节电位器转角后，到温度上升到新的转角对应的稳态值时有较大的时间延迟。由于延迟因素的存在，调节电位器转角后不能马上看到调节的效果，因此闭环控制系统调节困难的主要原因是系统中的延迟作用。

比例控制的比例系数如果太小，即调节后的电位器转角与位置L的差值太小，调节的力度不够，使系统输出量变化缓慢，调节所需的总时间过长。比例系数如果过大，即调节后电位器转角与位置L的差值过大，调节力度太强，将造成调节过头，甚至使温度忽高忽低，来回震荡。

增大比例系数使系统反应灵敏，调节速度加快，并且可以减小稳态误差。但是比例系数过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，比例系数太大甚至会使闭环系统不稳定。