PID控制参数对系统性能影响的分析

PID控制算法及参数设定PID控制算法的基本原理是将控制信号分为三部分：比例项（P项）、积分项（I项）和微分项（D项）。

比例项用于根据当前的偏差大小调整控制量的大小，积分项用于累积偏差，消除偏差的累积效应，微分项用于预测偏差的变化趋势，避免系统产生超调现象。

比例项（P项）是最简单的控制项，它根据当前偏差的大小，乘以一个比例系数Kp来调整控制量的大小。

当偏差增大时，P项的作用使系统更快地达到目标值，但过大的比例系数可能导致系统产生过冲或震荡。

积分项（I项）用于消除偏差的累积效应，即调整控制量来消除系统的稳态误差。

积分项根据偏差累积值与一个积分系数Ki的乘积来调整控制量的变化，当系统的偏差较大时，I项的作用比P项更加明显，但过大的积分系数可能导致系统产生过调。

微分项（D项）用于预测偏差的变化趋势，通过对偏差的变化速率进行监测，来调整控制量的变化速度。

微分项根据偏差变化率与一个微分系数Kd的乘积来调整控制量的变化速度，当偏差的变化速率较大时，D项的作用比P项和I项更加明显，但过大的微分系数可能导致系统对噪声敏感。

参数设定是PID控制的关键，它直接影响系统的稳定性和性能。

常用的参数设定方法有经验法、试验法和自整定法。

经验法是根据经验和实际应用中的经验规则来设定参数，试验法是通过试验调整参数，观察系统的响应特性，并根据实际需求进行调整。

自整定法是通过对系统的数学模型进行分析，选取合适的准则和算法来自动调整参数。

常用的自整定方法有Ziegler-Nichols法和Chien-Hrones-Reswick 法。

Ziegler-Nichols法是基于试验法的参数设定方法，根据试验的系统响应特性来选取参数。

它通过改变比例增益和积分时间来观察系统的响应，并根据系统的临界稳定度来选择参数。

Chien-Hrones-Reswick法是基于数学模型的参数设定方法，根据系统的数学模型和性能指标来优化参数的选择，以达到最佳控制效果。

PID参数是什么意思
比例系数（P）：比例系数是根据输入信号与输出信号之间的比例关
系来调节系统的性能。

增大比例系数可以加速系统的响应速度，但也可能
导致系统的不稳定性和过冲。

积分时间（I）：积分时间是系统根据过去一段时间内的误差累积值
来进行调整的时间常数。

通过增加积分时间，可以减小系统的静态误差和
消除因为较小的误差而引起的震荡。

微分时间（D）：微分时间是根据过去一段时间内误差变化率来进行
调整的时间常数。

增大微分时间可以提高系统的稳定性和抑制震荡，但同
时也会增加系统的噪声响应。

PID控制器通过不断地调整这三个参数，使得控制系统能够更好地满
足设定目标并具有更好的稳定性和响应速度。

PID控制器可以根据具体的
控制对象和需求进行参数调整，通过试错法或者自整定算法来寻找最佳参数。

在实际应用中，PID控制器广泛用于各种自动控制系统中，如温度控制、液位控制、速度控制等。

PID参数的选择对于控制系统的性能和稳定
性具有重要影响，需要根据具体的系统特性和要求进行合理调整。

例如，在温度控制系统中，如果需要提高系统的响应速度，可以增大
比例系数；如果需要减小静态误差，可以增大积分时间；如果需要提高稳
定性，可以增大微分时间。

但需要注意的是，过大或过小的参数值都可能
导致系统的不稳定性和性能下降。

总之，PID参数是控制系统中用于调节和优化控制器性能的关键参数，通过合理选择和调整这三个参数，可以实现对控制系统的精确控制和优化。

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。

T13. PID自动控制系统参数整定（化工仪表与自动化，指导教师：卢红梅）实验一：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验二：上水箱液位PID整定实验一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。

3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

4）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

5）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。

6）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验设备THKJ100-1型过程控制实验装置配置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

型参数为串联釜数N三、实验原理实验一原理：阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过控制器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。

同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。

实验二原理：图13.1单回路上水箱液位控制系统图13.1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。

根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。

当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。

因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。

一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

P是比例，它加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

kp越大，系统的响应速度就越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。

kp取值过小，则会降低调节精度，是响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。

I是积分，它消除系统的稳态误差。

ki越大，系统的静态误差消除越快，但ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。

若ki过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

D是微分，它改善系统的动态特性，主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。

但kd过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

由它们对系统产生的影响我们知道，它们三个参数不是独立的而是相互依存、相互影响的，所以对它们的设置我们采用逐步设置的方法：1）首先设置P值，即比例。

先使I、D值为0，观察控制温度曲线，如果曲线振动频繁时，说明P值太小，适当的加大P值，如果曲线冲出设定温度太大，并且从最高点回到设定温度时间较长时，说明P值太大，过度放大了设定温度与控制温度的差值，应适当的减小P值，直至曲线出现等辐振荡时，记下这时的P值。

2）当P值设定完后，实时温度曲线等辐振荡，出现稳态误差（即等辐振荡时实时温度与设定温度之差），我们为了精确控制消除稳态误差引入I值。

首先加入一个比较小的初始I值，观察等辐振荡的曲线是否从最高点到设定温度时间加快，如果效果不明显，说明积分时间太长，要往下降，即增大I值，如果观察到曲线振幅减小，但波形周期加长，说明积分时间短，即降低I值。

反复调整，直到出现在控制精度要求内稳定的温度曲线。

微分项D值的设定：微分项是提前预测误差变化的趋势，并抑制误差的变化。

当发现温度的变化受外界干扰较大时，需要加入微分项，如烘干炉进口、出口采用升降机上下接车时，升降机带走大量的热量，温度出现大范围的波动时，就需要加入微分项，如果发现加入微分项后，振荡频率过快，应减小微分参数。

PID调整参数与过程控制PID（Proportional-Integral-Derivative）控制是一种常见的闭环控制方法，用于调节和控制过程中的目标变量。

PID控制器根据当前的设定值和实际反馈值，通过计算出控制偏差和其变化率的比例、积分和微分部分，生成控制输出信号，以实现目标变量的精确控制。

PID调整参数是指根据控制过程的特性和要求，对比例、积分和微分参数进行调整，以获得最佳的系统响应和稳定性。

PID调整参数的重要性在于能够使系统更加稳定、快速和精确地响应变化。

具体来说，调整参数可以影响系统的超调量、响应时间和稳态误差等性能指标。

如果参数设置不合理，系统可能会出现超调、震荡甚至不稳定等问题。

在进行PID调整参数时，首先需要了解过程的特性。

过程控制是指对一种物理过程或化学过程进行控制，例如温度、压力、液位等。

了解过程特性可以帮助确定参数调整的方向和范围。

通常可以通过实验或系统建模的方法获得过程的数学模型，以此为基础进行参数调整。

调整PID参数的常用方法包括经验法、试探法和优化方法。

经验法是指基于经验的直觉和启发性规则进行参数调整，例如增益调整法、摆幅调整法和相位裕度法等。

试探法是指通过试错的方式逐步调整参数，直到满足要求。

优化方法是指使用数学模型和优化算法，通过数值计算来寻找最优的参数组合。

在调整参数时，有几个关键因素需要考虑。

首先是超调量，即系统输出超过设定值的最大偏差。

较小的超调量可以提高系统的稳定性，但可能会牺牲系统的响应速度。

其次是响应时间，即系统从输入信号变化到输出信号稳定的时间。

较短的响应时间可以提高系统的快速性，但可能导致较大的超调。

另外，稳态误差也是需要考虑的因素，即系统在达到稳态后的偏差值。

稳态误差较大可能需要调整控制器的积分参数。

总之，PID调整参数与过程控制密切相关，合理的PID参数可以使系统更稳定、快速和精确地响应目标变量。

调整参数的过程需要经验、实验和优化算法的结合，以获得最佳的控制性能。

比例环节：产生和偏差成比例变化的控制作用来减少偏差。

积分环节：主要用于消除静差。

积分时间越大，积分作用越弱；积分时间越短，积分作用越强。

微分环节：通过偏差的变化趋势预测偏差信号的变化，并在偏差变大之前产生抑制偏差变大的控制信号，从而加快控制的响应速度。

PID参数调整原则：先在保证系统不振荡的前提下尽量增大P；然后调节积分时间使系统响应迅速并且超调较小。

如果系统对超调和动态误差要求较高，可以加入微分作用。

PI 参数选取不当时，系统在快速起动到高速后，可能产生减速过电压故障（如果没有外接制动电阻或制动单元），这是由于在速度超调后的下降过程中系统再生制动状态能量回馈所致，可以通过调整PI 参数来避免。

ASR（速度调节器）：主体为PI（比例积分）结构，在速度矢量控制中输出给定转矩，可以对发电和电动状态的转矩分别进行限幅，有两组转矩限幅值，可以通过数字输入选择；在有PG的V/F控制中输出滑差频率，大小由“ASR输出频率限幅”（相对最大频率的百分比）限制。

积分限幅图6－9：速度矢量控制的ASR结构积分限幅图6－10：有PG的V/F控制的ASR结构ASR的调整方法：如下图所示，虚线为给定速度（给定频率）的波形，实现为反馈速度（运行频率）的波形。

响应太慢，有静差，减小Ti图6－11：ASR参数调整中的现象和应对措施ASR参数调整原则：先在保证系统不振荡的前提下尽量增大P；然后调节积分时间使系统响应迅速并且超调较小。

ASR的调整方法：选择合适的ASR切换频率；调整高速时的ASR参数使系统高速运行稳定且动态响应好；调整低速时的ASR参数使系统低速运行稳定且动态响应好。

提示：ASR参数不合适使速度超调过大时，速度恢复的减速过程中有可能因能量回馈引起过压。

ASR参数切换功能：如果系统高速和低速带载运行需要不同的ASR参数，可以使用ASR参数切换功能。

ASR有两套比例增益和积分时间参数以满足高速和低速运行的需求。

零速时使用低速参数，ASR切换频率以上用高速参数，在零速到ASR切换频率之间采用高低速参数插值得到，实现参数平滑过渡。

目录1 系统整体分析 (1)2 由参考输入决定的系统类型及误差常数 (2)2.1 P控制器作用下的参考输入分析 (2)2.2 PI控制器作用下的参考输入分析 (3)2.3 PID控制器作用下的参考输入分析 (4)2.4 三种控制器的比较 (5)3 由扰动输入决定的系统类型和误差常数 (7)3.1 P控制器作用下的扰动输入分析 (7)3.2 PI控制器作用下的扰动输入分析 (7)3.3 PID控制器作用下的扰动输入分析 (8)3.4 三种控制器的比较 (9)4在Matlab中的仿真与验证 (10)4.1 未加控制器的系统响应 (10)4.2 加入P控制器后的系统响应 (12)4.3 加入PI控制器后的系统响应 (14)4.4 加入PID控制器后的系统响应 (16)4.5 控制器的性能总结 (18)参考文献 (20)P 、PI 和PID 控制器性能比较１ 系统整体分析二阶系统的结构图如图1所示：图1 二阶系统的结构图可知系统对象模型为)1(5s )1s (1s)(G ++=，系统为单位反馈的情形，)s (D i 为控制器单元，)s (G 为系统对象模型。

可求得系统的输出方程和控制器输出方程分别为： (1) (2)进而得到系统的误差方程为：(3)由已知条件可将系统的传输函数和控制器函数分别写为：(4)19)s (D 1= (5)s 2/119)s (D 2+= (6)19/42/119)s (D 3s s ++= (7)Y2 由参考输入决定的系统类型及误差常数如图1，如果考虑系统的输入只有参考信号，即令W=0，那么系统的误差方程为：E =(8)大部分情况下，参考输入不会是常数，但是如果考虑时间足够长以至系统能够充分进入稳定状态，那么参考输入可以近似地表示成多项式的形式，然后研究不同次数的多项式输入信号对系统的性能影响。

这样，误差常数根据参考输入的次数的不同对应有：阶跃输入下的静态位置误差系数、斜坡输入下的静态速度误差系数和加速度输入下的静态加速度误差系数。