pid是什么意思（pid是什么意思的缩写）

今天我就用图文的形式给大家解释一下什么是PID？各个PID参数的作用是什么？PID在什么情况下使用？快来一起学习吧！

什么是PID？

PID，代表“比例、积分和微分”，是一种非常常见的控制算法。

PID已有107年的历史。这不是一件神圣的事情。大家一定都见过PID的实际应用。

例如，四轴飞行器、平衡车……汽车的巡航控制、3D打印机上的温度控制器……

类似这样：每当某个物理量需要“稳定”（如保持平衡、稳定温度、速度等）时，PID就会派上用场。

那么问题来了：

比如我想控制一个“加热速度”，让一壶水的温度保持在50。为什么我需要使用微积分理论来完成如此简单的任务？

你一定在想：

这不是那么容易吗？如果低于50度，就让它加热。如果超过50度，就会关闭电源。这样不行吗？只需几分钟即可在Arduino中编写几行代码。

没错~要求不高的话确实可以这么做~但是！如果换个角度来说，你就知道问题出在哪里了：

如果我控制的对象是汽车怎么办？

如果你想让车速保持在50公里/小时不变，你怎么敢这么做？

想象一下，如果汽车的巡航控制计算机在某个时间测量到45公里/小时的速度。它立即命令发动机：加速！

结果，发动机突然100%全油门，伴随着嗡嗡声，车子加速到了60公里/小时。

这时，电脑又发出了一条命令：刹车！

结果，吱吱……哇……（乘客吐了）

因此，大多数情况下，用一个“开关量”来控制一个物理量是比较简单粗暴的。有时，保持稳定是不可能的。由于微控制器和传感器的速度不是无限快，因此收集和控制需要时间。

而且，控制对象具有惯性。例如，如果拔掉加热器的插头，其“余热”（即热惯性）可能会导致水温在短时间内继续升高。

三个控制环节的作用

我们先来说说PID控制器的三个最基本的参数：kP、kI、kD。

kP的作用：

P是比例的意思。它的效果是最明显的，原理也是最简单的。我们先来说说这个：

需要控制的量，比如水温，有它当前的“当前值”和我们期望的“目标值”。

当两者相差不大时，让加热器“轻轻”加热。如果由于某种原因温度下降很多，请给加热器“稍微用力”的加热。如果当前温度远低于目标温度，就让加热器“全功率”加热水，尽快让水温接近目标温度。这就是P的作用，与开关控制方式相比，是不是“温柔”了很多呢？

实际编写程序时，让偏差（目标减去电流）与调节装置的“调节强度”建立线性函数关系，即可实现最基本的“比例”控制~

kP越大，调整效果越激进，kP越小，调整效果越保守。

如果你在做平衡车，用P功能，你会发现平衡车在平衡角附近来回“剧烈晃动”，很难稳定。

如果您已经达到这一步——，恭喜您！距离成功仅一步之遥~

kD的作用：

D的作用比较容易理解，所以先讲D，最后讲。

刚才我们有了P的效果，不难发现，只有P似乎无法让平衡站站起来，而且水温在控制上也摇摇欲坠。看起来整个系统都不是特别稳定，总是在“摇晃”。

您在脑海中想象一个弹簧：现在处于平衡位置。拉住它，然后放开。此时它会振动。由于阻力很小，它可能会振荡很长一段时间，然后才能回到平衡位置。

想象一下，如果将上面所示的系统浸入水中并再次拉动：在这种情况下，返回平衡位置的时间会短得多。

我们需要一种控制效果，使受控物理量的“变化速度”趋于0，类似于“阻尼”效果。

因为，当距离目标越近时，P的控制作用就比较小。越接近目标，P的影响越平缓。导致控制量在小范围内摆动的内部或外部因素有很多。

D的作用是使一个物理量的速度趋于0。每当这个量有速度时，D就会向相反的方向施加力，并尽力阻止这种变化。

kD参数越大，与速度相反方向的制动力越强。

如果是平衡车，有P、D控制功能，如果参数调整得当，应该能站起来~欢呼吧。

等等，PID三兄弟好像又多了一位。看起来PD可以保持物理量稳定，那我为什么需要它呢？

因为我们忽略了一个重要的情况：

kI的作用：

我们以热水为例。假设有人把我们的加热设备带到一个非常冷的地方并开始烧水。需要加热到50。

在P的作用下，水温缓慢升高。当达到45时，他发现了一件坏事：天气太冷了，水的消散速度等于P控制的加热速度。

这是怎么办？

P哥是这样想的：我已经离目标很近了，只需轻轻加热即可。D哥是这样想的：加热和散热是对等的，温度没有波动，我好像不需要调整什么。结果，水温永远保持在45，永远不会达到50。

作为人类，我们根据常识知道，加热的功率应该进一步增加。但增量如何计算呢？

前辈科学家想出的方法真是巧妙。

设置积分金额。只要有偏差

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增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。

增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。

增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。

在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。

PID控制器参数整定的方法

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

一、理论计算整定法

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；

二、工程整定方法

它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法，利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P、I、D的大小。

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：

第一步：整定比例控制

将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

第二步：整定积分环节

若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将上面步骤中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

第三步：整定微分环节

若经过以上步骤，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

PID的15个基本概念

没有金刚钻，不揽瓷器活。为了能够掌握并运用PID，我们非常有必要学习下基本概念来武装自己，部分概念会配上实际工程中常用的表示方法，以“实：”开头。

1、被调量反映被调对象的实际波动的量值。被调量是经常变化的。

实：常用检测到的反馈值表示，如yout(t)。

2、设定值PID调节器设定值就是人们期待被调量需要达到的值。设定值可以是固定的，也可以是变化的。

实：人为设定，多用rin(t)表示。

3、控制输出PID调节器根据被调量的变化情况运算之后发出的让外部执行结构按照它的要求动作的指令，即整个调节器的输出。请注意与被调量yout(t)的区别，这两个是完全不同的概念，经常有人在混淆这两个概念。

实：你经常看到的公式“u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]”中的u(t)。

4、输入偏差输入偏差时被调量和设定值之间的差值。

实：error(t)=rin(t)-yout(t)。

5、P（比例）P就是比例作用，简单说就是输入偏差乘以一个系数。

实：如kp，KP都是一样的。

6、I（积分）I就是积分，简单说就是将输入偏差进行积分运算。

7、D（积分）D就是微分，简单说就是将输入偏差进行微分运算。

8、PID基本公式PID调节器参数整定过程通俗讲就是先把系统调为纯比例作用，逐步增强比例作用让系统产生等幅振荡，记录下比例作用和振荡周期，然后这个比例作用乘以0.6，积分作用适当延长

KP=0.6*Km

KD=KP*π/4ω或KD=KP*tu/8

KI=KP*ω/π或KI=2KP/tu

KP：比例控制参数；

KD：积分控制参数；

KI：微分控制参数；

Km：系统开始振荡时的比例值，通常称为临界比例值；

ω：等幅振荡时的频率，tu为振荡周期。这里tuω=2π，而不是tuω=1，学过傅里叶和拉氏变换的同学应该明白这是为什么，这里不做深入探讨。

9、单回路单回路就是只有一个PID的调节系统。

10、串级一个PID不够用，串级就是把两个PID串接起来形成一个串级调节系统，也被成为双回路调节系统。串级调节系统里PID调节器有主调和副调之分。

在串级调节系统中要调节被调量的PID叫做主调，输出直接去指挥执行器动作的PID叫做副调，主调的控制输出进入副调作为副调的设定值。主调选用单回路PID调节器，副调选用外给定调节器。

11、正作用

对于PID调节器而言，控制输出随被调量增高而增高，随被调量减少而减少的作用，叫做PID正作用。

12、负作用

对于PID调节器而言，控制输出随被调量增高而降低，随被调量减少而增高的作用，叫做PID负作用。

13、动态偏差

在调节过程中，被调量和设定值之间的偏差随时改变，任意时刻两者之间的偏差叫做动态偏差。

14、静态偏差

调节趋于稳定之后，被调量和设定值之间还存在的偏差交静态偏差。消除静态偏差是通过PID调节器积分作用来实现的。

15、回调

调节器调节作用显示，使被调量开始由上升变为下降，或者由下降变为上升趋势成为回调。