PID控制器参数对系统性能的影响分析

一、绪论PID 参数的整定就是合理的选取PID 三个参数。

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态误差等方面考虑问题，三参数作用如下：比例调节作用：成比例地反映系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生与其成比例的调节作用，以减小偏差。

随着P K 增大，系统的响应速度加快，系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超调，并且加大P K 只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差。

比例调节的显著特点是有差调节。

积分调节作用：消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数i T ，i T 越小，积分速度越快，积分作用就越强，系统震荡次数较多。

当然i T 也不能过小。

积分调节的特点是误差调节。

微分调节作用：微分作用参数d T 的作用是改善系统的动态性能，在d T 选择合适情况下，可以减小超调，减小调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。

因此，可以改善系统的动态性能，得到比较满意的过渡过程。

微分作用特点是不能单独使用，通常与另外两种调节规律相结合组成PD 或PID 控制器。

二、设计内容1. 设计P 控制器控制器为P 控制器时，改变比例系数p K 大小。

P 控制器的传递函数为：()P P K s G =，改变比例系数p K 大小，得到系统的阶跃响应曲线当K=1时，P当K=10时，PK=50时，当P当P K =100时，p K 超调量σ% 峰值时间p T 上升时间r T 稳定时间s T 稳态误差ss e 1 49.8044 0.5582 0.2702 3.7870 0.9615 10 56.5638 0.5809 0.1229 3.6983 0.7143 50 66.4205 0.3317 0.1689 3.6652 0.3333 10070.71480.25060.07443.64100.2002仿真结果表明：随着P K 值的增大，系统响应超调量加大，动作灵敏，系统的响应速度加快。

PID控制原理及参数设定PID控制是一种常用的自动控制算法，它通过反馈控制的方式，根据控制对象的输出与期望目标的差异来调整输入信号，实现对控制对象的稳定控制。

PID控制由比例（P）、积分（I）和微分（D）三部分组成，分别对应了不同的控制机制。

P（比例）控制是指控制信号与误差的线性比例关系，P控制主要用于快速响应系统，能够快速减小误差，但不能完全消除误差。

P控制的公式为：u(t)=Kp*e(t)，其中u(t)表示控制信号，Kp为比例增益，e(t)为误差。

通过调节比例增益Kp的大小，可以控制系统的响应速度。

I（积分）控制是指控制信号与误差的累积关系，I控制主要用于消除系统的稳态误差。

I控制的公式为：u(t) = Ki * ∫e(t)dt，其中Ki为积分增益。

通过调节积分增益Ki的大小，可以控制系统的稳态误差。

D（微分）控制是指控制信号与误差的变化率关系，D控制主要用于抑制系统的超调和震荡。

D控制的公式为：u(t) = Kd * de(t)/dt，其中Kd为微分增益，de(t)/dt为误差的变化率。

通过调节微分增益Kd的大小，可以控制系统的稳定性和响应速度。

根据PID控制的原理，控制信号可以表示为：u(t) = Kp * e(t) +Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt。

其中，e(t)为误差，t为时间。

在实际应用中，PID控制器还需要设置参数，包括比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益Kd。

如何设置这些参数是设计一个有效的PID控制器的关键。

参数设定方法有很多种，常用的方法包括经验法、试验法和自整定法等。

经验法是一种基于经验规则的参数设定方法，它根据控制对象的特性和应用经验来选取参数。

经验法比较简单易用，但通常需要根据实际情况进行适当的调整。

试验法是通过试验分析控制对象的动态响应来选取参数，常用的试验方法有阶跃响应法、脉冲响应法和频率响应法等。

试验法的参数设定相对准确，但需要进行一定的试验工作，并且需要对试验数据进行分析。

积分饱和示例
单回路系统积分饱和现象举例
单回路系统积分饱和仿真结果
单回路系统的防积分饱和原理
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s 1
讨论：正常情况为标准的PI控制算法； 而当出现超限时，自动切除积分作用。
积分外反馈
积分分离
PID控制器的作用
比例作用P是基本控制作用，输出与输入无 相位差。Kc越大控制作用越强，随着Kc 的 增加(比例度δ减小) ，余差下降，最大偏 差减小，但稳定性变差。
控制器增益 Kc或比例度δ
但稳定增性益下K降c 的；增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，
积分时间Ti
但控制积系分统作的用稳的定增性强下（降即；Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，
微分时间Td
性得到微加分强作，用但增对强高（频即噪T声d 增起大放）大，作可用使，系主统要的适超合前于作特用性增滞强后，较稳大定的 广义对象，如温度对象等。
假设测量范围为 200 ~ 400 ℃, Kp = 1.75, Tp = 10 min, τ = 7 min. Kc = 0.98, Ti = 14 min, T“积分饱和”问题
ysp(t)
＋ －
K
C
ççèæ1
1 TI s
÷÷øö
u
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
响应曲线
u(t) u0
0
y(t)
p y0
τT
T0
T1 T2
u1 y1
T3
对象的近似模型：
y(s) Kp es u(s) Tps1

实验二数字pid控制计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。

因此连续pid控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。

在计算机pid控制中，使用的是数字pid控制器。

一、位置式pid控制算法按模拟pid控制算法，以一系列的采样时刻点kt代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，可得离散pid位置式表达式：?tu(k)?kp?e(k)??ti?k?e(j)?j?0k?td(e(k)?e(k?1))??t?e(k)?e(k?1) t ?kpe(k)?ki?e(j)t?kdj?0式中，ki?kpti，u为控制,kd?kptd，e为误差信号（即pid控制器的输入）信号（即控制器的输出）。

在仿真过程中，可根据实际情况，对控制器的输出进行限幅。

二、连续系统的数字pid控制仿真连续系统的数字pid控制可实现d/a及a/d的功能，符合数字实时控制的真实情况，计算机及dsp的实时pid控制都属于这种情况。

1．ex3 设被控对象为一个电机模型传递函数g(s)?1，式中2js?bs j=0.0067,b=0.1。

输入信号为0.5sin(2?t)，采用pd控制，其中kp?20,kd?0.5。

采用ode45方法求解连续被控对象方程。

d2ydyy(s)1?，则?u，另y1?y,y2?y?2因为g(s)?，所以j2?bdtu(s)js?bsdt??yy??12，因此连续对象微分方程函数ex3f.m如下 ?y?2??(b/j)y?(1/j)*u?2? function dy = ex3f(t,y,flag,para) u=para; j=0.0067;b=0.1;dy=zeros(2,1);dy(1) = y(2);dy(2) = -(b/j)*y(2) + (1/j)*u;控制主程序ex3.mclear all;close all;ts=0.001; %采样周期xk=zeros(2,1);%被控对象经a/d转换器的输出信号y的初值e_1=0;%误差e(k-1)初值u_1=0;%控制信号u(k-1)初值for k=1:1:2000 %k为采样步数time(k) = k*ts; %time中存放着各采样时刻rin(k)=0.50*sin(1*2*pi*k*ts); %计算输入信号的采样值para=u_1; % d/a tspan=[0 ts];[tt,xx]=ode45(ex3f,tspan,xk,[],para); %ode45解系统微分方程%xx有两列，第一列为tt时刻对应的y，第二列为tt时刻对应的y导数xk = xx(end,:); % a/d，提取xx中最后一行的值，即当前y和y导数yout(k)=xk(1); %xk(1)即为当前系统输出采样值y(k) e(k)=rin(k)-yout(k);%计算当前误差de(k)=(e(k)-e_1)/ts; %计算u(k)中微分项输出u(k)=20.0*e(k)+0.50*de(k);%计算当前u(k)的输出%控制信号限幅if u(k)>10.0u(k)=10.0;endif u(k)<-10.0u(k)=-10.0;end %更新u(k-1)和e(k-1)u_1=u(k);e_1=e(k);endfigure(1);plot(time,rin,r,time,yout,b);%输入输出信号图xlabel(time(s)),ylabel(rin,yout); figure(2);plot(time,rin-yout,r);xlabel(time(s)),ylabel(error);%误差图程序运行结果显示表1所示。

PID控制的原理和特点PID控制是一种广泛应用于工业自动控制系统中的控制算法，它能够根据系统的实时反馈信息和设定值进行调整，以实现系统的稳定性和精确性控制。

PID控制器由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个控制参数组成，其原理和特点如下。

1.原理：-比例控制（P）：比例控制是根据误差信号的大小，调整控制量的变化速度。

比例控制参数的增大会增加控制量的调整速度，但可能导致过冲和振荡。

-积分控制（I）：积分控制通过累积误差信号，调整控制量的累积变化。

积分控制能够消除稳态误差，但会增加系统的响应时间。

-微分控制（D）：微分控制通过测量误差信号的变化率，调整控制量的变化速度。

微分控制可以快速响应系统变化，并减小过冲和振荡，但对噪声信号敏感。

2.特点：-稳定性：PID控制器能够稳定系统的控制量，使其不受外界干扰和变化的影响。

通过比例、积分和微分控制的协调作用，可以使系统快速响应并抑制过冲和振荡。

-精确性：PID控制器能够实现精确的控制，使系统的实际值与设定值之间的差异最小化。

通过实时调整比例、积分和微分参数，PID控制器能够实现精确的控制效果。

-适应性：PID控制器可以适应不同的被控对象和工作环境。

通过调整比例、积分和微分参数，PID控制器能够适应不同的工艺需求和系统特性。

-简单性：PID控制器的实现较为简单，只需要调整三个控制参数。

同时，PID控制器具有较好的工程实践经验，为工程师提供了便利。

-但是，PID控制器对被控对象的具体性质和系统参数较为敏感，需要经验和调试来优化参数的选择。

对于一些具有非线性和时变特性的系统，PID控制器的效果可能不理想。

3.优化方法：为了更好地适应不同的控制需求和系统特性，人们对PID控制器进行了多种优化方法的研究。

其中一些常见的优化方法包括：自整定（Autotuning）方法、模型预测控制（MPC）方法和自适应控制方法。

-自整定方法：通过对被控对象进行特定的激励信号输入，然后根据输出信号对PID参数进行在线调整，以自动找到最佳参数配置，提高系统控制性能。

PID功能详解一、PID控制简介PID（ Proportional Integral Derivative）控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

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，它实际上是一种算法。

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。

从信号变换的角度而言，超前校正、滞后校正、滞后一超前校正可以总结为比例、积分、微分三种运算及其组合。

PID调节器的适用范围：PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的效果。

均可以达到0.1%,甚至更高的控制要求。

PID控制的不足1.在实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定，难以建立精确的数学模型，常规的PID控制器不能达到理想的控制效果；2.在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、效果欠佳，对运行工况的适应能力很差。

二、PID控制器各校正环节任何闭环控制系统的首要任务是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）的响应命令。

PID调整的主要工作就是如何实现这一任务。

增大比例系数P将加快系统的响应，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现，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。

PID参数优化和前馈控制PID参数优化和前馈控制是现代控制理论中常用的方法，用于改进控制系统的性能和稳定性。

PID控制器是一种常用的控制算法，用于根据误差信号对系统进行修正。

前馈控制是一种将预期输出作为输入的控制策略，用于在系统受到外部干扰时快速响应并减小误差。

PID控制器的参数优化是指通过调整控制器的比例、积分和微分参数，使得系统的响应最优。

常用的方法有试误法、经验法和优化算法。

试误法是通过反复试控和调整参数的方法，逐渐接近最优参数组合。

经验法是通过先验知识和经验经过实践总结得到的一组参数推荐值。

优化算法是利用数学模型和计算方法，通过计算和优化得到最优参数组合。

在PID参数优化过程中，首先需要建立系统的数学模型。

一般来说，模型可以是线性的或非线性的，根据系统的特性选择相应的模型。

然后，可以将模型简化为一阶或二阶系统，并根据实际情况选择适当的参数范围。

接下来，可以使用试误法、经验法或优化算法进行参数调整。

试误法需要反复实验，记录系统的响应，通过调整参数使得系统的响应逐渐接近期望的效果。

经验法可以根据已有的经验和先验知识得到一组推荐的参数组合。

优化算法可以利用数学模型和计算方法，在给定的参数范围内计算和优化得到最优参数组合。

常用的优化算法有遗传算法、模拟退火算法和粒子群算法等。

前馈控制是一种通过预测未来的输入信号来修正系统输出的控制策略。

它通过将预期输出作为输入信号的一部分参与控制，提前响应系统可能受到的外部扰动。

前馈控制可以降低系统的稳态误差和快速响应系统的变化。

但是前馈控制也有一定的局限性，如模型的准确性和预测能力的限制。

在前馈控制中，需要通过数学模型和观测信号来进行预测。

首先，需要建立系统的数学模型，包括系统的动态特性和扰动的影响。

然后，根据模型和实时观测到的信号，可以进行预测。

最后，通过与实际输出进行比较，得到修正的控制输入信号。

前馈控制的效果取决于模型的准确性和预测能力，因此模型的选择和参数的确定非常重要。

PID控制器作为工业控制中的主导控制器结构，其 获得成功应用的关键在于，大多数过程可由低阶动 态环节（一阶或二阶惯性加纯滞后）近似逼近，而 针对此类过程,PID控制器代表了在不知道被控对象 数学模型的基础上一个实用而廉价的解。PID不需 要依赖于系统的传函。
12
5.2 基本PID控制算法
比例(P)控制 积分(I)控制 比例积分(PI)控制 微分(D)控制 比例微分(PD)控制 比例积分微分(PID)控制 基本PID控制算法小结
微分作用总是阻止被控参数的任何变化。
适当地加入微分控制，可有效抑制振荡、提高系统的 动态性能。
实际中的微分控制由比例作用和近似微分作用组成。
20
5.2.5 比例微分(PD)控制
比例微分作用是比例作用和微分作用的综合
r(t)
+
e(t)
K (1Ts)
p
d
-
u(t) KCes y(t)
16
5.2.2 积分(I)控制
积分作用：
u(t ) 1
t
e( )d
Ti 0
传递函数为 U (s) 1 E(s) Tis
定义： T为i “积分时间常数”。
优缺点
前向通道上提高控制系统的型别，改善系统的稳态精度。
积分作用在控制中会造成过调现象，乃至引起被控参数 的振荡。因为u(t)的大小及方向，只决定于偏差e(t)的大 小及方向，而不考虑其变化速度的大小及方向。
就是Td。
22
例：如下图所示，当Td为0和不为0时系统的阶跃响应有何区 别？
r(t)
+
e(t)
K (1Ts)
p
d
-
u(t ) K 1P e s y(t ) 1JsTP2s

PID控制器的参数整定(1)PID是比例,积分,微分的缩写.比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。

因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。

反之Ti大,则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。

因此,可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。

此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。

(2) PID具体调节方法①方法一确定控制器参数数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。

在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。

对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。

对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。

一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。

对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。

选择参数控制器结构确定后，即可开始选择参数。

参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。

工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。

PID控制器及PID参数整定
授课内容：
• • • •
自动控制原理的一般概念 控制系统的性能指标 P、I、D在控制系统中的作用 PID参数整定方法
1 自动控制规律的一般概念
• 所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的情况
下，利用控制器使被控对象(如机器、设备和生产 过程)的某些物理量(或工作状态)能自动地按照预 定的规律变化(或运行)。完成这一过程的所有元 件与装置组成的整体就称为自动控制系统。
2、PID=Proportion Integration Differentiation
按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为 pid调节器，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一 种调节器。Pid调节器结构简单，参数易于调整，在长期 应用中已积累了丰富的经验。特别在工业过程中，由于控 制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生 变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模 型辨识，但往往不能得到预期的效果，所以人们常采用 PID调节器，并根据经验进行在线整定。由于软件系统的 灵活性，PID算法可以得到修正而更加完善。 2.1 模拟PID调节器 PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定 值w与实际输出值y进行比较构成控制偏差 • e=w–y • 并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量（如图 4-11-1所示），所以简称为PID调节器。
1.3.2. 稳态响应 如果一个线性系统是稳定的，那么从任何初始条件 开始，经过一段时间就可以认为它的过渡过程已经结束， 进入了与初始条件无关而仅由外作用决定的状态，即稳态 响应。所以稳态响应是指当t 趋于无穷大时系统的输出状 态。稳态响应表征系统输出量最终复现输入量的程度，提 供系统有关稳态误差的信息，用稳态性能来描述。 由此可见，线性控制系统在输入信号作用下的性能 指标，通常由动态性能和稳态性能两部分组成。 1.3.3 稳态性能指标 稳态性能指标是表征控制系统准确性的性能指标，是一 项重要的技术指标，通常用稳态下输出量的期望值与实际 值之间的差来衡量，称为稳态误差。如果这个差是常数， 则称为静态误差，简称静误差或静差。稳态误差是系统控 制精度或抗扰动能力的一种度量。

设计一：二阶系统的PID 控制器设计及参数整定一设计题目 二设计要求1. 控制器为P 控制器时，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。

2. 控制器为PI 控制器时，改变积分时间常数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。

(例如当kp=50时，改变积分时间常数)3. 设计PID 控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%，过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。

图2 闭环控制系统结构图三设计内容1. 控制器为P 控制器时，改变比例系数p k 大小P 控制器的传递函数为：()P P G s K =，改变比例系数p k 大小，得到系统的阶跃响应曲线仿真结果表明：随着Kp 值的增大，系统响应超调量加大，动作灵敏，系统的响应速度加快。

Kp 偏大，则振荡次数加多，调节时间加长。

随着Kp 增大，系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超调，并且加大Kp 只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差。

程序：num=[1]; den=[1 2 25]; sys=tf(num,den); for Kp=[1,10:20:50] y=feedback(Kp*sys,1); step(y); hold ongtext(num2str(Kp)); end2. 控制器为PI 控制器时，改变积分时间常数i T 大小（50=pK 为定值）PI 控制器的传递函数为： 11()PI P I G s K T s=+⋅ ，改变积分时间常数i T 大小，得到系统的阶跃响应曲线仿真结果表明：Kp=50，随着Ti 值的加大，系统的超调量减小，系统响应速度略微变慢。

相反，当Ti 的值逐渐减小时，系统的超调量增大，系统的响应速度加快。

Ti 越小，积分速度越快，积分作用就越强，系统震荡次数较多。

PI 控制可以消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。

程序num=[1]; den=[1 2 25]; Kp=50;sys=tf(num,den); for Ti=1:2:7PI=tf(Kp*[Ti 1],[Ti 0]); y=feedback(PI*sys,1); step(y,8) hold ongtext(num2str(Ti)); end3. 控制器为PID 控制器时，改变微分时间常数d T 大小（50=pK ，15.0=i T ）PID 控制器的传递函数为：11()PID P D I G s K T s T s=+⋅+⋅ ，改变微分时间常数d T 大小，得到系统的阶跃响应曲线仿真结果表明：Kp=50、Ti=0.15，随着Td 值的增大，闭环系统的超调量减小，响应速度加快，调节时间和上升时间减小。

PID控制器的表达式
❖ PID控制器的传递函数
仍然参照图1，对PID的时域表达式进行拉普拉斯变换，可得
Gc (s)
E(s) U(s)
Kp
Ki s
Kds
Kp
1
1 Ti s
Tds
于是可得几种控制方案的控制器传递函数分别为
比例(P)控制器 Gc(s) Kp
比例积分(PI)控制器
Gc(s)
系统仿真与MATLAB PID控制系统的分析与设计
一个简单PID控制的实例
冲热水淋浴，假定冷水龙头开度保持不变，只调节热水
❖ 比例关系 根据具体的龙头和水压，温度高一度，热水需要关小一定的量，
比如说，关小一格。换句话说，控制量和控制偏差成比例关系， 偏差越大，控制量越大
控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之差。在比例控制规
N
式中，N→∞时，则为纯微分运算。实际中，N不必过大，一般
N=10，就可以逼近实际的微分效果。
PID参数对控制性能的影响
❖ PID参数对控制性能的影响
PID控制器的Kp,Ti,Td三个参数的大小决定了PID控制器的比例、
积分、微分控制作用的强弱
下面举例分别分析Kp,Ti,Td三个参数中一个参数发生变化而另两
PID参数对控制性能的影响
❖ 积分时间常数Ti对控制性能的影响
积分作用的强弱取决于积分常数Ti。Ti越小，积分作用就越强，
反之Ti大则积分作用弱。
积分控制的主要作用是改善系统的稳态性能，消除系统的稳态误
差。当系统存在控制误差时，积分控制就进行，直至无差，积分 调节停止，积分控制输出一常值
加入积分控制可使得系统的相对稳定性变差
step(Gc);

根据线性化后的模型设计PID控制器，并调整参数以满足系统性 能要求。
在MATLAB中搭建仿真模型，验证PID控制器对复杂系统的控制 效果。
PID控制器的参数优化
参数优化方法
采用智能优化算法（如遗传算法、粒子群算法等）对PID 控制器参数进行优化，以进一步提高控制性能。
01
MATLAB实现
在MATLAB中编写优化算法程序，通过 Simulink仿真模型进行测试和验证。
积分控制
02
03
微分控制
通过累积输入信号的变化量来控 制输出信号，以减小输出信号的 误差。
通过预测输入信号的变化趋势来 控制输出信号，以减小输出信号 的超调和响应时间。
PID控制器的参数整定
比例系数
影响控制器的增益，比例系数越 大，控制器的增益越大，输出信 号变化越快。
积分系数
影响积分控制的强度，积分系数 越大，积分控制作用越强，误差 减小越快。
温度控制系统中的应用
温度控制系统是PID控制器的另一个重要应用领域。在工 业和科学实验中，温度控制对于保持恒定的实验条件和产 品质量至关重要。
PID控制器用于温度控制系统的目的是通过自动调节加热 元件的功率或冷却介质的流量，将温度维持在设定的范围 内。
PID控制器通过比较温度传感器的实际测量值与期望值之 间的误差，来调整加热元件或冷却介质的控制信号，以减 小误差并实现稳定的温度控制。
pid控制及其 matlab仿真-详细
目 录
• PID控制理论简介 • MATLAB仿真环境介绍 • PID控制器在MATLAB中的实现 • PID控制器的性能分析 • PID控制器的应用实例 • 结论与展望
01
CATALOGUE
PID控制理论简介

电气控制系统中的PID控制技术研究在工业自动化控制系统中，PID控制技术是最常用的控制算法之一。

PID控制技术是指通过比较目标值与实际值之间的差异，并不断调整控制器输出值的大小和方向，以便实现目标值的稳定控制目的。

PID控制技术广泛应用于各种电气控制系统中，本文将从PID控制技术原理、PID控制策略、PID控制器设计以及PID控制器的性能分析几个方面来探讨PID控制技术在电气控制系统中的应用和研究。

一、PID控制技术原理PID控制技术由三个控制部分组成，即比例控制器（P）、积分控制器（I）和微分控制器（D）。

其中P控制器通过比较目标值和实际值之间的差异产生控制信号，控制器输出与误差大小成正比；I控制器通过累计误差来产生控制信号，控制器输出与误差积累大小成正比；D控制器通过检测目标值和实际值之间的变化率来产生控制信号，控制器输出与误差变化率成正比。

综合这三个控制器，可以控制系统的误差、稳定性和响应速度，从而实现控制系统的稳定控制。

二、PID控制策略目前，PID控制技术有许多常见的控制策略。

其中最常见的是“串级PID控制”和“并联PID控制”两种策略。

串级PID控制策略是指在一个PID控制器的输出信号输入到另一个PID控制器的输入端，从而形成一个串级控制系统。

这种控制策略可应用于控制系统中的水平运动或流量等参数的稳定控制。

并联PID控制策略则是利用两个或多个PID控制器来控制同一系统参数的控制策略，其与串级控制器的区别在于并联控制器的控制器输入通过加权平均的方式产生输出信号。

该控制策略主要应用于参数变化快的控制系统中。

三、PID控制器设计PID控制器的设计包括控制器参数的选择和适配。

确定控制器参数的好方法是根据控制对象的动态特征并进行试控确定。

其中，速度、惯性、负载扰动等方面都会影响控制对象的动态特性。

当控制对象的动态特性发生变化时，要进行控制器参数的重新调整才能得到良好的控制效果。

四、PID控制器的性能分析PID控制器通常是以误差、误差积分和误差微分为控制目标进行设计的。

PID参数详解攻略PID控制器是一种常用的自动控制器，广泛应用于工业生产、机械设备等领域。

PID控制器的参数调整对于控制系统的性能至关重要，合适的参数设置能够提高系统的稳定性、响应速度和抗干扰能力。

下面是对PID 控制器参数的详细解释和调整攻略。

PID控制器有三个参数：比例系数Proportional（P）、积分系数Integral（I）和微分系数Derivative（D）。

这三个参数按照一定的比例，对输入信号做出调整并输出控制信号。

比例系数P代表了反馈控制中的比例关系，它通过增加或减小与误差信号成正比的控制量，来对系统进行修正。

较大的P值可以提高系统的响应速度，但可能会引入过量的震荡或不稳定性。

积分系数I表示了系统的积分作用，可用于消除稳态误差。

增加I值可以增大系统的稳定性和减小稳态误差，但可能会增加系统的超调量。

微分系数D反映了系统的变化速率，用于预测系统的趋势并减小其响应过程中的超调。

适当增加D值可以提高系统的抗干扰能力和稳定性，但过大的D值可能引入过多的噪声。

现实中，调整PID参数是一个非常复杂的过程，需要结合实际系统的特性和需求来进行。

一般来说，可以采用以下步骤进行PID参数调整：1.初始参数设定：根据系统的特性和预期性能，可以通过试探或经验给出初始参数值。

一般来说，可以将P、I、D初始值都设为较小的数值。

2.指标选择：选择合适的指标来评价系统的性能，如超调量、调节时间和稳态误差等。

3.指标优化：通过不断调整参数，使得选择的指标达到最优值。

可以采用试错法、经验法、数学模型等方法进行参数优化。

4.稳定性测试：在确定了一组参数之后，需要对系统的稳定性进行测试，包括对负载变化、扰动等的响应能力。

5.适应性调整：在实际应用中，系统的特性和工作环境可能会发生变化，适应性调整是对PID参数进行实时优化的一种方法。

需要注意的是，PID参数的调整过程需要耐心和实践，需要进行多次实验和参数调整，以找到最佳的参数组合。

PID控制中P、I、D参数的作用PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

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，它实际上是一种算法。

1、比例部分：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。

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。

单纯的比例控制很难保证调节得恰到好处，完全消除误差。

2、积分部分；积分控制相当于根据当时的误差值，周期性地微调电位器的角度，每次调节的角度增量值与当时的误差值成正比。

温度低于设定值时误差为正，积分项增大，使加热电流逐渐增大，反之积分项减小。

因此只要误差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化。

积分调节的“大方向”是正确的，积分项有减小误差的作用。

一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值，因此积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，积分作用一般是必须的。

3、微分部分；闭环控制系统的振荡甚至不稳定的根本原因在于有较大的滞后因素。

因为微分项能预测误差变化的趋势，这种“超前”的作用可以抵消滞后因素的影响。

适当的微分控制作用可以使超调量减小，增加系统的稳定性。

对于有较大的滞后特性的被控对象，如果PI控制的效果不理想，可以考虑增加微分控制，以改善系统在调节过程中的动态特性。

如果将微分时间设置为0，微分部分将不起作用。

微分控制的缺点是对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的能力降低。

为此可在微分部分增加惯性滤波环节。

PID控制详解PID控制详解⼀、PID控制简介PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来的控制策略之⼀，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性⾼，被⼴泛应⽤于⼯业过程控制，尤其适⽤于可建⽴精确数学模型的确定性控制系统。

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，它实际上是⼀种算法。

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。

从信号变换的⾓度⽽⾔，超前校正、滞后校正、滞后－超前校正可以总结为⽐例、积分、微分三种运算及其组合。

PID调节器的适⽤范围：PID调节控制是⼀个传统控制⽅法，它适⽤于温度、压⼒、流量、液位等⼏乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的效果。

均可以达到0.1%，甚⾄更⾼的控制要求。

PID控制的不⾜1. 在实际⼯业⽣产过程往往具有⾮线性、时变不确定，难以建⽴精确的数学模型，常规的PID控制器不能达到理想的控制效果；2. 在实际⽣产现场中，由于受到参数整定⽅法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、效果⽋佳，对运⾏⼯况的适应能⼒很差。

⼆、PID控制器各校正环节任何闭环控制系统的⾸要任务是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）的响应命令。

PID调整的主要⼯作就是如何实现这⼀任务。

增⼤⽐例系数P将加快系统的响应，它的作⽤于输出值较快，但不能很好稳定在⼀个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现，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。