「运动控制」“PID控制原理及参数调整”经验

一、前言

PID是上世纪工业应用最早、最广泛的闭环控制器，现在各高校、研究所对学生的工程实践入门，仍然是以PID为首选，小白总结了传承的和自己的操作经验。PID是比例、积分、微分的简称，它的难点不在于编程，而是参数整定。

二、PID工作原理

PID控制方法（如图）因其靠控制目标与实际行为之间的误差来决定消除此误差的优点而被广泛应用于各控制领域中。然而随着现代工业的迅速发展，对控制系统性能的要求越来越高，又由于当时的认识水平和技术条件有限，经典PID逐渐显露出其缺点首先，在PID控制器中直接取控制目标与对象输出的误差容易使闭环系统产生很大的超调；其次，PID控制器中的误差微分的反馈作用不能得到充分发挥；最后，PID中误差的比例（P）、积分（I）、微分（D）的简单的线性加权求和不一定是最好的组合形式。

PID在实际应用中的缺点：PID算法只应用于模型参数为时不变系统，才能获得理想的效果，否则系统性能会变差，而且在对PID参数进行调整过程中，PID参数的调整值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的优化值，从而使PID控制作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。实际的应用环境以及目标系统往往具有时变性，非线性，以及参数的不确定性。

三、比例、积分与微分增益参数

1. 比例环节K

增大比例增益K，可提高系统的反应灵敏度，加快响应速度，并且可以减小稳态误差。但比例系数过大，会导致超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，甚至会使闭环系统失稳。单纯的比例控制很难保证调节得恰到好处，往往会出现静差现象。

2. 积分环节I

积分环节根据当时的误差值，周期性地微调控制偏差，且每次调节的增量值与当时的误差值成正比，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。积分调节的控制思想是正确的，有减小误差与静差的作用。直到系统处于稳状，误差恒为零时，即比例部分和微分部分均为零，积分产生的控制输出才不再变化。积分环节可有效消除稳态误差，提高控制精度，PI控制比PD具有更广的适用领域。

3. 微分环节D

闭环控制系统的振荡，甚至失稳的主要原因在于控制器的滞后输出。微分环节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减少了超调量，增加了系统的稳定性。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。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，在一般的复杂系统控制中，对微分环节增加惯性滤波器。

三、PID调整方法

根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，通过不断试验的方法调节控制器的参数。需要掌握的一个工程经验是，当系统性能不令人满意时，知道应该调节哪一个参数，且知道该参数应该增大还是减小。首先使用PI控制器，为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不太大，积分时间不太小，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给PI发入一个阶跃信号，根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间，反复调节PID的参数，以获得理想的效果。如果阶跃响应的超调量过大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间；如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数；如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用；反复调节比例系数和积分时间后，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。

综上，PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中需要多次尝试以获得最优值。