PID控制算法总结

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。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。

一、 PID含义

PID是英文单词比例（Proportion），积分（Integral），微分（Differential coefficient）的缩写。PID调节实际上是由比例、积分、微分三种调节方式组成，它们各自的作用如下：

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

二、公式

PID控制算法在实际应用中又可分为两种：位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。控制理论上两者是相同的，但在数字量化后的实现上会存在差别。

2.1 位置式数字 PID 控制

 k 采样时刻的离散 PID 表达式：

上式中，Ki=Kp/Ti，Kd=Kp*Td，T 为采样周期，k 为采样序号，k=1,2,…，e(k-1)和e(k)分别为第（k-1）和第 k 时刻所得到的系统偏差信号。

2.2增量式 PID 控制

增量式 PID 控制是指控制器的输出是控制量的增量Δu(k)，当执行机构需要的是控制量的增量而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式 PID 控制算法进行控制。

式中，Ki=Kp/Ti，Kd=Kp*Td，T 为采样周期，k 为采样序号，k=1,2,…，e(k-2)、e(k-1)以及 e(k)分别为第（k-2）、第(k-1)和第 k 时刻所得到的系统偏差信号。

三、采样周期和控制周期

四、C语言描述PID算法程序

4.1增量型PID的C语言实现

4.2 位置型PID的C语言实现

五、PID调试

由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦，特别是对初学者。下面简单介绍一下调试PID参数的一般步骤：

5.1负反馈

自动控制理论也被称为负反馈控制理论。首先检查系统接线，确定系统的反馈为负反馈。例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。其余系统同此方法。

5.2．PID调试一般原则

a.在输出不振荡时，增大比例增益P。 
b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。 
c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。 
　　

5.3．位置式PID调节

a.确定比例增益P 
　　确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。

　　b.确定积分时间常数Ti 
　　比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。

　　c.确定微分时间常数Td 
　　积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。

d.系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。 

5.4 增量式pid调节

增量式pid调节目标速度时候参数整定：

        先加大KI，这时候会越来越接近实际速度，当KI过大的时候，在切换目标速度的时候，就会抖动，这时候就是KI大了响应速度高了，但导致超调量增加，这时候就加大增量式的KP，来缓减抖动，减小超调量。

（注：网上大多资料都是错的，把增量式跟位置式混为一谈）

六、PID常用口诀

参数整定找最佳，从小到大顺序查 

先是比例后积分，最后再把微分加 

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 

曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 

曲线偏离回复慢，积分时间往下降 

曲线波动周期长，积分时间再加长 

曲线振荡频率快，先把微分降下来 

动差大来波动慢。微分时间应加长 

理想曲线两个波，前高后低4比1 

一看二调多分析，调节质量不会低 

参考文献：

https://blog.csdn.net/Uncle_GUO/article/details/51367764

https://wenku.baidu.com/view/5ebd4893240c844768eaee1c.html

https://wenku.baidu.com/view/ee44725d9a6648d7c1c708a1284ac850ad02049c.html?rec_flag=default&sxts=1553696871419