前面的文章已經(jīng)針對PID進(jìn)行過分析：PID是比例、積分、微分的三種控制方式組合成的控制算法的稱謂。

在使用PID算法進(jìn)行控制的時(shí)候，難點(diǎn)往往都不是怎么樣去用代碼實(shí)現(xiàn)，而是PID控制器的參數(shù)整定。PID參數(shù)整定是非常關(guān)鍵的，這些參數(shù)的設(shè)置影響了PID控制算法的快速性、穩(wěn)定性。所以正確地理解PID各參數(shù)的實(shí)際物理意義，對PID控制來說是非常重要的。

對PID的理解還是與鍋爐加熱系統(tǒng)的溫度控制來加以說明。對鍋爐而言，我們不考慮其他的控制功能和附加因素，就以控制溫度穩(wěn)定在我們期望值而言對PID控制算法進(jìn)行剖析。

1、 比例控制起什么作用？

假設(shè)鍋爐系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，距離我們期望的溫度500℃是有很大的差距的，這個(gè)時(shí)候就通過比例控制的方式加大調(diào)節(jié)力度，讓溫度快速變化到期望的溫度。

這個(gè)時(shí)候的比例系數(shù)的選取就非常的重要：

比例系數(shù)如果太小，調(diào)節(jié)的力度不夠，使系統(tǒng)輸出量(溫度值)變化緩慢，調(diào)節(jié)所需的總時(shí)間過長。

增大比例系數(shù)：可以使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，調(diào)節(jié)速度加快，還可以減小穩(wěn)態(tài)誤差。但比例系數(shù)如果過大，調(diào)節(jié)力度太強(qiáng)，容易造成調(diào)節(jié)過頭，嚴(yán)重的甚至使溫度忽高忽低，來回震蕩，超調(diào)量也會(huì)增大，這不是我們希望看到的。

所以，單純的比例控制很難讓確保調(diào)節(jié)的穩(wěn)定，也難以做到完全消除誤差。

2、積分控制起什么作用？

在控制系統(tǒng)中，輸出量與設(shè)定值兩者的差值就是控制的偏差，有偏差就說明輸出量并未穩(wěn)定在期望值上，需要繼續(xù)調(diào)節(jié)。

以鍋爐溫度的調(diào)節(jié)來說，假如溫度的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)的，積分控制就相等于是根據(jù)誤差值去改變電位器的角度。如果輸出的溫度低于設(shè)定值，那偏差就為正，積分項(xiàng)是增大的，這個(gè)時(shí)候就要增大電位器的角度，使電流變大，溫度升高。反之，如果輸出的溫度高于設(shè)定值，那偏差就為負(fù)，積分項(xiàng)是減小的，這個(gè)時(shí)候就要減小電位器的角度，使電流變小，溫度降低。

總而言之，PID控制中，積分作用就是對偏差的累積，用于消除靜差。積分累積效果可以參見下圖。

但是積分作用它本身是有滯后的特性的。如果積分作用太強(qiáng)的話，相當(dāng)于電位器的角度扭的太大了，超調(diào)容易增大；而積分作用太弱的話，消除靜差的速度又很緩慢，對控制效果不夠明顯。

所以，積分的比例系數(shù)要選擇合適，才能達(dá)到比較好的調(diào)節(jié)效果。

3、微分控制起什么作用？

在PID中，微分就是反映偏差的變化速率的。系統(tǒng)的偏差變化越快，那微分的絕對值就越大，反之絕對值越小。

當(dāng)系統(tǒng)的偏差增大時(shí)，微分為正，偏差減小時(shí)，微分為負(fù)。系統(tǒng)的輸出量的微分部分與偏差的微分成正比，是可以反映被控量的變化趨勢的。

4、采樣周期

PID控制算法中，一個(gè)很重要的時(shí)間參數(shù) — 采樣周期。

這個(gè)采樣周期怎么理解呢？簡單而言，PID控制算法是按照一定的周期執(zhí)行的，那這個(gè)執(zhí)行的周期就稱為采樣周期。

一般而言，采樣周期越小，PID算法調(diào)控作用就越頻繁，控制效果就會(huì)越迅速。反之，采樣周期越大，PID調(diào)控作用就越滯后，控制效果就會(huì)變差。

那這么說的話，是不是只要采樣周期越小就越好呢？答案肯定是否定的。因?yàn)楝F(xiàn)在很多的PID控制算法都是通過計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的，如果采樣周期太小的話，會(huì)增加計(jì)算機(jī)的CPU運(yùn)算負(fù)擔(dān)和工作量，而且一般相鄰幾次的采樣不會(huì)有很大的偏差，變化也不會(huì)很大，所以采樣周期也沒必要太小。

5、PID的參數(shù)整定

PID參數(shù)的整定過程才是最重要的過程，一般的整定流程如下：

1）先只加P控制，通過調(diào)整P的參數(shù)，讓變化較快，但是到達(dá)設(shè)定值之后的振蕩幅度比較小即可。

2）然后加入I控制，這個(gè)時(shí)候適當(dāng)減小P的參數(shù)值，一點(diǎn)點(diǎn)的增加I的參數(shù)，然后看輸出效果。

3）P和I都設(shè)置后好，再一點(diǎn)點(diǎn)加D，這個(gè)時(shí)候可能P、I、D三個(gè)參數(shù)都需要調(diào)整，以求最后找到比較合適的參數(shù)。

總而言之，參見下面的步驟進(jìn)行：

（1）P（比例）：先調(diào)大后調(diào)小，觀察輸出的響應(yīng)曲線。

如果響應(yīng)過沖較大，再次適當(dāng)減小 P 值，直到達(dá)到理想的響應(yīng)。

（2）I（積分）：先將 I 設(shè)為零，逐漸增加 I 值。

觀察輸出是否有穩(wěn)定的偏差，如果有，則增大 I 值。

但是要注意，過大的 I 值可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以需要進(jìn)行適度的試驗(yàn)和調(diào)整。

（3）D（微分）：先將 D 設(shè)為零，逐漸增加 D 值。

觀察輸出是否有震蕩或振蕩的現(xiàn)象，如果有，則減小 D 值。

微分作用主要是抑制系統(tǒng)的過沖和震蕩，但是過大的 D 值也可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

對于這個(gè)PID參數(shù)的整定，我個(gè)人認(rèn)為沒什么一步到位的好方法，針對不同的系統(tǒng)，同樣的控制算法，參數(shù)都不會(huì)一樣的，還要根據(jù)實(shí)際的情況去調(diào)節(jié)。

下面有一個(gè)PID參數(shù)調(diào)節(jié)的順口溜：

參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查。

先是比例后積分，最后再把微分加。

曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。

曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳。

曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降。

曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長。

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來。

動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長。

理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1。

一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低 。

奉圖一張：