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1、PID控制原理在工程实际中，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。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的 主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的 数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数 必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得 系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。 PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、
2、微分计算出控制量进行 控制的。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定 三个参数（Kp, Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个 单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元 是必不可少的。特点首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过 对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变 化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，P
3、ID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工 作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器P、I 、D参数比例增益P变频器的PID功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从 而满足调节的精度：另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以 保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。比例增益P就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数 P都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时，
4、P可按中间偏大值预置或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。积分时间如上所述比例增益 P越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节I ，其效果是,使经过比例增益 P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大（或减小），从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间I太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此，I的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动 系统的时间常数较大时，积分时间应长些。微分时间D在微分控制中，控制器的输出与输
5、入误差信号的微分（即误差的变化 率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡 甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay ）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法 是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作 用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+
6、微分(PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。P、I 、D参数的调整原则P、I 、D参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I ，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益 P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I ，还可加大微分时间 D。1.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
7、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PID控制器的参数整定离散控制器如式1-1所示。i -nU(n)二 Kpe(n) Ke(i) Kd&n)-e(n-1)曰(1-1)式1-1叫做位置型PID控制算法。e(n)表示第n个偏移量，e(n“)为第n-1 个偏移量。由式1-1可以看出，位置型PID算法用到过去的偏移量的累积。计算 过程中容易产生较大的累加误差且随着时间的推移，需要计算的项增加导致计算过程较为耗时，对系统的实时性有一定影响。对式1-1作出相应的变化，推导出式 1-2。U(n) =U(n1) Kp【e(n) Yn1)匕旳)n) e(n2)2e(n 1)(1
8、-2)式1-2叫做增量型PID控制算法。对于本文研究的移动机器人控制系统而言， 使用式1-2计算第n时刻需要输出的控制量时，只需要知道前一次的输出量 U(n _1)和最近三个时刻偏移量。计算量相对较少，节约了内存空间和计算时间， 而且可以减小偏移量的累积误差，提高控制的精度。因此常选用增量型PID控制算法。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。两种方法各有其特点，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：首先只用比例控制，调整Kp的值使得系统出现临界震荡状态，这时的Kp值 记为Kr，一次震荡的时间记为，采样周期记为Ts。可以通过查临界比例度法 参数表进行参数整定，如表1.1所示。经过计算确定PID控制器三个参数大概范 围。对计算的参数经过多次试验调整，表1.1 PID参数整定试验数据控制器类型KpKiKdP控制器0.5 KrPI控制器0.45 KrKpTs0.85TrPID控制器0.6 KrKpTs0.5Tr0.125KpTd Ts