PID控制参数对系统性能影响的分析
PID控制算法及参数设定
PID控制算法及参数设定PID控制算法的基本原理是将控制信号分为三部分：比例项（P项）、积分项（I项）和微分项（D项）。
比例项用于根据当前的偏差大小调整控制量的大小，积分项用于累积偏差，消除偏差的累积效应，微分项用于预测偏差的变化趋势，避免系统产生超调现象。
比例项（P项）是最简单的控制项，它根据当前偏差的大小，乘以一个比例系数Kp来调整控制量的大小。
当偏差增大时，P项的作用使系统更快地达到目标值，但过大的比例系数可能导致系统产生过冲或震荡。
积分项（I项）用于消除偏差的累积效应，即调整控制量来消除系统的稳态误差。
积分项根据偏差累积值与一个积分系数Ki的乘积来调整控制量的变化，当系统的偏差较大时，I项的作用比P项更加明显，但过大的积分系数可能导致系统产生过调。
微分项（D项）用于预测偏差的变化趋势，通过对偏差的变化速率进行监测，来调整控制量的变化速度。
微分项根据偏差变化率与一个微分系数Kd的乘积来调整控制量的变化速度，当偏差的变化速率较大时，D项的作用比P项和I项更加明显，但过大的微分系数可能导致系统对噪声敏感。
参数设定是PID控制的关键，它直接影响系统的稳定性和性能。
常用的参数设定方法有经验法、试验法和自整定法。
经验法是根据经验和实际应用中的经验规则来设定参数，试验法是通过试验调整参数，观察系统的响应特性，并根据实际需求进行调整。
自整定法是通过对系统的数学模型进行分析，选取合适的准则和算法来自动调整参数。
常用的自整定方法有Ziegler-Nichols法和Chien-Hrones-Reswick 法。
Ziegler-Nichols法是基于试验法的参数设定方法，根据试验的系统响应特性来选取参数。
它通过改变比例增益和积分时间来观察系统的响应，并根据系统的临界稳定度来选择参数。
Chien-Hrones-Reswick法是基于数学模型的参数设定方法，根据系统的数学模型和性能指标来优化参数的选择，以达到最佳控制效果。
PID参数是什么意思
PID参数是什么意思
比例系数（P）：比例系数是根据输入信号与输出信号之间的比例关
系来调节系统的性能。
增大比例系数可以加速系统的响应速度，但也可能
导致系统的不稳定性和过冲。
积分时间（I）：积分时间是系统根据过去一段时间内的误差累积值
来进行调整的时间常数。
通过增加积分时间，可以减小系统的静态误差和
消除因为较小的误差而引起的震荡。
微分时间（D）：微分时间是根据过去一段时间内误差变化率来进行
调整的时间常数。
增大微分时间可以提高系统的稳定性和抑制震荡，但同
时也会增加系统的噪声响应。
PID控制器通过不断地调整这三个参数，使得控制系统能够更好地满
足设定目标并具有更好的稳定性和响应速度。
PID控制器可以根据具体的
控制对象和需求进行参数调整，通过试错法或者自整定算法来寻找最佳参数。
在实际应用中，PID控制器广泛用于各种自动控制系统中，如温度控制、液位控制、速度控制等。
PID参数的选择对于控制系统的性能和稳定
性具有重要影响，需要根据具体的系统特性和要求进行合理调整。
例如，在温度控制系统中，如果需要提高系统的响应速度，可以增大
比例系数；如果需要减小静态误差，可以增大积分时间；如果需要提高稳
定性，可以增大微分时间。
但需要注意的是，过大或过小的参数值都可能
导致系统的不稳定性和性能下降。
总之，PID参数是控制系统中用于调节和优化控制器性能的关键参数，通过合理选择和调整这三个参数，可以实现对控制系统的精确控制和优化。
PID控制器的参数整定(经验总结)
PID控制器的参数整定(1)PID是比例,积分,微分的缩写.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。
(2) PID具体调节方法①方法一确定控制器参数数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。
在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。
对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。
对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。
一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。
对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。
选择参数控制器结构确定后，即可开始选择参数。
参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。
工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。
PID自动控制系统参数整定实验报告
T13. PID自动控制系统参数整定（化工仪表与自动化，指导教师：卢红梅）实验一：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验二：上水箱液位PID整定实验一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
4）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
5）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
6）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备THKJ100-1型过程控制实验装置配置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。
型参数为串联釜数N三、实验原理实验一原理：阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过控制器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。
同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
实验二原理：图13.1单回路上水箱液位控制系统图13.1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
PID
P是比例，它加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。
kp越大，系统的响应速度就越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。
kp取值过小，则会降低调节精度，是响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。
I是积分，它消除系统的稳态误差。
ki越大，系统的静态误差消除越快，但ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。
若ki过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。
D是微分，它改善系统的动态特性，主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。
但kd过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。
由它们对系统产生的影响我们知道，它们三个参数不是独立的而是相互依存、相互影响的，所以对它们的设置我们采用逐步设置的方法：1）首先设置P值，即比例。
先使I、D值为0，观察控制温度曲线，如果曲线振动频繁时，说明P值太小，适当的加大P值，如果曲线冲出设定温度太大，并且从最高点回到设定温度时间较长时，说明P值太大，过度放大了设定温度与控制温度的差值，应适当的减小P值，直至曲线出现等辐振荡时，记下这时的P值。
2）当P值设定完后，实时温度曲线等辐振荡，出现稳态误差（即等辐振荡时实时温度与设定温度之差），我们为了精确控制消除稳态误差引入I值。
首先加入一个比较小的初始I值，观察等辐振荡的曲线是否从最高点到设定温度时间加快，如果效果不明显，说明积分时间太长，要往下降，即增大I值，如果观察到曲线振幅减小，但波形周期加长，说明积分时间短，即降低I值。
反复调整，直到出现在控制精度要求内稳定的温度曲线。
微分项D值的设定：微分项是提前预测误差变化的趋势，并抑制误差的变化。
当发现温度的变化受外界干扰较大时，需要加入微分项，如烘干炉进口、出口采用升降机上下接车时，升降机带走大量的热量，温度出现大范围的波动时，就需要加入微分项，如果发现加入微分项后，振荡频率过快，应减小微分参数。
PID参数性能分析及改进
Ｇ （ ｓ ） 一Ｋｐ （ １ ＋亡 ＋丁 ） ． 上 ｉ Ｓ
以 ２阶线 性 函 数 为 被 控 对 象 ， 进行 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器 （ 图 １ ） 的仿 真 ， 其 传 递 函数
— 一 ．
器， Ｍ— Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器等 复 合 型 控 制 器 ，可 以达 到 相 对 理 想 的控制 效 果 ，它 对 各 种 被 控 对 象 、 不 同 的控 制 指 标 均能 实现 Ｐ Ｉ Ｄ 最 佳调 整．
［ 关 键 词 ］参 数 整 定 ；模 糊 理 论 ； 忆 阻器 ； 仿 真 ［ 中 图 分 类 号］Ｔ Ｐ ２ ７ １ ． ３ ［ 文献 标 识 码 ］ ：Ａ
Ｐ Ｉ Ｄ控 制器 因其 结构 简单 ， 适应 性好 ， 稳 定 性强 在工 业控 制 中被普 遍使 用 ， 尽管传统的 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 器 可 以满 足常规 的控 制 过 程 ， 但 在 工 业 控 制 过程 中经 常会 碰 到大滞 后 、 时变的、 非 线 性 的 复 杂 系统 ， 如 果 系统 中的参 数 未知 或缓 慢变 化或 带有延 时 和 随机 干 扰， 很 有 可能 无法 获得 较 精 确 的数 学 模 型 或模 型 的 构造 很复 杂． 对于这 种 情 况若 使 用 常 规 的 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器， 可 能 较难 整 定 Ｐ Ｉ Ｄ参 数 ， 而 使 系统 难 以达 到满 意 的结果 ． Ｐ ｔ Ｄ控 制 器 参 数整 定 好 坏 常 常 是 以在 系 统 中能不 能达 到期 望 的 效 果 为标 准 的． 为 了解 决 这 些 问题 ， 出现 了很 多整 定 Ｐ Ｉ Ｄ参数的方法 ， 但 不 是
太 不 理想就 是 过 于 复 杂 ， 而采 用 Ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ—Ｐ Ｉ Ｄ 控 制
常数 的大小 ， 丁 越小 ， 积分作用越强， 反 之 则 积 分作 用弱 ． 但 它 的相 位 角 为 一 ９ Ｏ 。 ， 这将 会 减 小相 位
PID调整参数与过程控制
PID调整参数与过程控制PID（Proportional-Integral-Derivative）控制是一种常见的闭环控制方法，用于调节和控制过程中的目标变量。
PID控制器根据当前的设定值和实际反馈值，通过计算出控制偏差和其变化率的比例、积分和微分部分，生成控制输出信号，以实现目标变量的精确控制。
PID调整参数是指根据控制过程的特性和要求，对比例、积分和微分参数进行调整，以获得最佳的系统响应和稳定性。
PID调整参数的重要性在于能够使系统更加稳定、快速和精确地响应变化。
具体来说，调整参数可以影响系统的超调量、响应时间和稳态误差等性能指标。
如果参数设置不合理，系统可能会出现超调、震荡甚至不稳定等问题。
在进行PID调整参数时，首先需要了解过程的特性。
过程控制是指对一种物理过程或化学过程进行控制，例如温度、压力、液位等。
了解过程特性可以帮助确定参数调整的方向和范围。
通常可以通过实验或系统建模的方法获得过程的数学模型，以此为基础进行参数调整。
调整PID参数的常用方法包括经验法、试探法和优化方法。
经验法是指基于经验的直觉和启发性规则进行参数调整，例如增益调整法、摆幅调整法和相位裕度法等。
试探法是指通过试错的方式逐步调整参数，直到满足要求。
优化方法是指使用数学模型和优化算法，通过数值计算来寻找最优的参数组合。
在调整参数时，有几个关键因素需要考虑。
首先是超调量，即系统输出超过设定值的最大偏差。
较小的超调量可以提高系统的稳定性，但可能会牺牲系统的响应速度。
其次是响应时间，即系统从输入信号变化到输出信号稳定的时间。
较短的响应时间可以提高系统的快速性，但可能导致较大的超调。
另外，稳态误差也是需要考虑的因素，即系统在达到稳态后的偏差值。
稳态误差较大可能需要调整控制器的积分参数。
总之，PID调整参数与过程控制密切相关，合理的PID参数可以使系统更稳定、快速和精确地响应目标变量。
调整参数的过程需要经验、实验和优化算法的结合，以获得最佳的控制性能。
PID控制PID控制系统的分析与设计PPT教程
PID控制器的表达式
❖ PID控制器的传递函数
仍然参照图1，对PID的时域表达式进行拉普拉斯变换，可得
Gc (s)
E(s) U(s)
Kp
Ki s
Kds
Kp
1
1 Ti s
Tds
于是可得几种控制方案的控制器传递函数分别为
比例(P)控制器 Gc(s) Kp
比例积分(PI)控制器
Gc(s)
系统仿真与MATLAB PID控制系统的分析与设计
一个简单PID控制的实例
冲热水淋浴，假定冷水龙头开度保持不变，只调节热水
❖ 比例关系 根据具体的龙头和水压，温度高一度，热水需要关小一定的量，
比如说，关小一格。换句话说，控制量和控制偏差成比例关系， 偏差越大，控制量越大
控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之差。在比例控制规
N
式中，N→∞时，则为纯微分运算。实际中，N不必过大，一般
N=10，就可以逼近实际的微分效果。
PID参数对控制性能的影响
❖ PID参数对控制性能的影响
PID控制器的Kp,Ti,Td三个参数的大小决定了PID控制器的比例、
积分、微分控制作用的强弱
下面举例分别分析Kp,Ti,Td三个参数中一个参数发生变化而另两
PID参数对控制性能的影响
❖ 积分时间常数Ti对控制性能的影响
积分作用的强弱取决于积分常数Ti。Ti越小，积分作用就越强，
反之Ti大则积分作用弱。
积分控制的主要作用是改善系统的稳态性能，消除系统的稳态误
差。当系统存在控制误差时，积分控制就进行，直至无差，积分 调节停止，积分控制输出一常值
加入积分控制可使得系统的相对稳定性变差
step(Gc);
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〈〈计算机控制技术》课程三级项目
某二阶系统的PID控制器设计及参数整定
报告人：刘宝
指导教师：刘思远
燕山大学机械工程学院机电控制系
2012年9月23日
目录
〈〈计算机控制技术》课程三级项目 ............................................... 1
1.1 PID控制的应用现状 ......................................................... 3
1.2 PID控制器各个参数对系统系能的影响 ........................................ 3
1.2.1比例系数 KP对系统性能的影响 .............................................. 3
1.2.2积分系数K1对系统性能的影响 ............................................... 4
1.2.3微分系数 K2对系统性能的影响 .............................................. 5
1.3对给定的系统进行 PID控制调节 ................................................ 6
1.4收获与感想 ................................................................... 8
1.1 PID控制的应用现状
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，乂称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0
从理论角度而言,PID控制是20世纪40年代开始的调节原理的一种典 型代
表。PID控制再世纪控制工程中应用最广，据不完全统计，在工业过程 控制、航
空航天控制等领域中，PID孔的应用占80%以上。尽管PID控制已 经写入经典教
科书，然而由于 PID控制的简单与良好的应用效果，人们仍 在不断研究PID控
制器各种设计方法(包括各种自适应调节、最优化方法) 和未来潜力。
由于液压控制系统大功率、高控制精度、技术成熟等特点，在要求精度 高
的重型机械机构中得到了广泛应用。在现实工业中比例伺服阀与 PID控
制器的结合，使得液压控制对于位移、速度、压力等的控制获得更加良好的 效
果。
1.2 PID控制器各个参数对系统系能的影响
1.2.1比例系数 心对系统性能的影响
(1) 对系统的动态性能影响：KP加大，将使系统响应速度加快，KP偏
大时，系统振荡次数增多，调节时间加长； 心太小乂会使系统的响应速度
缓慢。KP的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。
(2) 对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提下，加大 KP可以减少 稳
态误差，但不能消除稳态误差。因此KP的整定主要依据系统的动态性能。
调节P的大小对系统动态性能影响如图。由图可见，当K p加大时，可 是
系统动作灵敏，速度加快，在系统稳定的前提下，系统的稳态误差将减小， 却不
能完全消除系统的稳态误差。Kp偏大时，系统的震荡次数增多，调节 时间增长。
Kp太大时，系统会趋丁不稳定。
1.2.2积分系数K1对系统性能的影响
积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用， 构成PI控制或PID 控
制。
(1) 对系统的动态性能影响：对丁合适的k1值，可以减小系统的超调 量，
提高了稳定性，引入积分环节的代价是降低系统的快速性。
(2) 对系统的稳态性能影响：积分控制有助丁消除系统稳态误差，提 高系
统的控制精度，但若k1太大，系统可能会产生震荡，影响系统的稳定 性。
由此可见，积分作用能够消除稳态误差，提高控制精度，系统积分作用 的
引入通常使系统的稳定性下降，K1太大时系统将不稳定，K1偏大时系统 的震荡
次数较多。
1.2.3微分系数K2对系统性能的影响
(1) 对系统的动态性能影响：微分系数 K2的增加即微分作用的增加 可以
改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。适当加大比例 控制，可
以减少稳态误差，提高控制精度。但 K2值偏大或偏小都会适得其 反。另外微分
作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。
(2) 对系统的稳态性能影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变
化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。它引进一个早期的修正作用，有助丁 增加
系统的稳定性。
Step Response
Time (sec)
微分控制经常与比例控制或积分控制联合使用。引入微分控制可以改善 系
统的动态特性，当K2偏小时，超调量较大，调节时间也较长；当 K2合 适时可
以提高系统响应速度，提高系统稳定性。
1.3对给定的系统进行PID控制调节
通过改变不同的参数，便可得到在不同参数情况下的系统响应， 而且以 一
个活晰的图像表示出来。
■Kp=8 ,k1 ==D.4 jiriflus n ce -Of d^ffe rent U2 -
K2 二 kp±Di/T
0.5 1 _L 2 2.5
3.5 4
首先取比例系数 Kp=30系统响应如图。由图中可以看出，系统响应较 满足系统
的要求，但是稳态误差较大，需要引入积分环节，进行 PI调
取比例系数Kp=30, K1=0.4系统响应如图。由图可以看出，系统的稳
快,
节
态误差已经达到要求，但是系统的超调量较大，震荡次数较多，调整时间较
长，需要引入微分环节，进行 PID调节。
取Kp=35, K1=0.4 , K2=15系统响应如图。由图可以看出，系统的超 调量
小丁 2%,调整时间小丁 0.2s,稳态误差小丁 5%,很好的满足了系统的 要求。
PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。 在工业过程 控
制中，通常要保证闭环系统稳定，对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。 在不
同干扰下输出应能保持在给定值附近， 控制量尽可能地小，在系统和环 境参数
发生变化时控制应保持稳定。 一般来说，要同时满足这些要求是很难 做到的，
必须根据系统的具体情况，满足主要的性能指标，同时兼顾其它方 面的要求。
在选择采样周期T时，通常都选择T远远小丁系统的时间常数。因此， PID
参数的整定可以按模拟控制器的方法来进行。
1.4收获与感想
通过这次的课程三级项目，我更加深入的了解了 PID的控制机理，单 纯的
学习课本上的理论知识，我们只能大概的了解它的机理，但是其深层含 义却无法
体会，这次通过 matlab程序仿真，通过一次一次的参数整定，了
解到每一个参数的变化对系统行性能的影响，这样从实际中了解到这些知
识，才能更加领会其中的真正机理，为以后的 PID设计工作打下坚实的基
1 | : I
System；
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Time (sec]: 0.11
Amplitude: 1 .01
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System： G
Tiijw 0.65
Arwlitude： 0.902
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通过这次的三级项目，我感到我还有许多工程软件的使用不太熟悉， 在 接
下来的时间里，我要加强这方面的学习，只有好好的掌握了每一个工程软 件的使
用方法，它们才能更好的为我们的工程分析服务，才能够给我们的设 计提高可靠
的理论根据。