PID控制原理詳解

PID即：Proportional（比例）、Integral（積分）、Differential（微分）的縮寫，PID控制算法是結(jié)合比例、積分和微分三種環(huán)節(jié)于一體的控制算法，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法，該控制算法出現(xiàn)于20世紀(jì)30至40年代，適用于對(duì)被控對(duì)象模型了解不清楚的場(chǎng)合。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明，運(yùn)用這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到比較滿意的效果。PID控制的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果用以控制輸出。

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，通過P、I、D三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合，即可得到常用的各種調(diào)節(jié)規(guī)律，PID具有原理簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，即使在新型控制算法與控制規(guī)律不斷產(chǎn)生的今天，PID作為最基本的控制方式仍占據(jù)重要的地位，顯示出強(qiáng)大的生命力。

PID控制是一種經(jīng)典的反饋控制算法，可以根據(jù)實(shí)際輸出值與預(yù)期輸出值之間的誤差信號(hào)，及時(shí)調(diào)整控制輸出值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制精度的提高。PID控制的主要原理包括比例控制、積分控制和微分控制。

比例控制（P控制）

比例控制是根據(jù)實(shí)際輸出值與預(yù)期輸出值之間的誤差信號(hào)，按比例調(diào)整控制輸出值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制精度的提高。比例控制的輸出量與誤差成正比，即輸出量P=Kp*ΔE，其中Kp是比例系數(shù)，ΔE為誤差信號(hào)。

比例控制具有快速響應(yīng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是容易出現(xiàn)靜態(tài)誤差和振蕩等問題。

積分控制（I控制）

積分控制是根據(jù)誤差信號(hào)的積分值來調(diào)整控制輸出量，以消除靜態(tài)誤差和提高穩(wěn)態(tài)精度。積分控制的輸出量與誤差信號(hào)的積分值成正比，即輸出量I=Ki*∫ΔEdt，其中Ki為積分系數(shù)。

積分控制能夠消除靜態(tài)誤差，但是容易引起系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩等問題。

微分控制（D控制）

微分控制是根據(jù)誤差信號(hào)的變化率來調(diào)整控制輸出量，以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分控制的輸出量與誤差信號(hào)的變化率成正比，即輸出量D=Kd*d（ΔE）/dt，其中Kd為微分系數(shù)。

微分控制能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是容易引起系統(tǒng)的抖動(dòng)和噪聲等問題。

PID控制

PID控制將比例控制、積分控制和微分控制三種控制方式結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)更為精確的控制。PID控制器的輸出量為PID=KpΔE+Ki∫ΔEdt+Kd*d（ΔE）/dt，其中Kp、Ki和Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

PID控制具有快速響應(yīng)、控制精度高和穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)，是一種廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的控制算法。但是，PID控制也存在一些問題，例如調(diào)節(jié)困難、參數(shù)選擇不當(dāng)容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定等問題。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體控

PID算法的執(zhí)行流程是非常簡(jiǎn)單的，即利用反饋來檢測(cè)偏差信號(hào)，并通過偏差信號(hào)來控制被控量。而控制器本身就是比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的加和。其功能框圖如下：

考慮在某個(gè)特定的時(shí)刻t，此時(shí)輸入量為rin（t），輸出量為rout（t），于是偏差就可計(jì)算為err（t）=rin（t）-rout（t）。于是PID的基本控制規(guī)律就可以表示為如下公式：

?

其中Kp為比例帶，TI為積分時(shí)間，TD為微分時(shí)間。PID控制的基本原理就是如此。