在常用的控制中，不但对控制的稳定程度有要求，对动态指标也有要求，都要求负载发生变化或调节器给定值调整等引起控制变化后，控制系统能够快速恢复到稳定状态。本文详实阐述了三个参数之间的关系和相互之间的影响，为现场快速调整提供了依据。

PID三个参数分别代表比例、积分、微分，PID控制的重点不是怎样编制控制程序，而是在于怎样确定调节器的参数，参数确定的难点是能够正确地理解各参数的物理含义。
 
控制机制上，比例越大调节速度就越迟钝，反之就灵敏，偏差越大调节作用越强。积分越小就趋向灵敏，偏差存在的时间越久积分调节作用越大。微分主要是补偿控制滞后的问题，微分数值越大调节作用越强烈，偏差变化速率越大微分调节作用越强。实际上，一般的控制是针对温度的，流量整定用比例就行，液位用比例加积分，温度要用以上三者来综合调整。

1、PID调节器的适用范围
传统的控制方法是运用PID调节参数控制，它适用在液位、流量、压力、温度等的现场控制。在不同形式的控制现场，只是PID设置参数值的不同，只要参数设置得当大多可以达到很好的控制效果(控制效果取决于PID调节器的控制算法和参数，在多数工况下，控制算法的作用更加明显)。PID参数整定，特别是在现场，需要冷静的观察与PID参数整定口诀结合，多次实践后定会有所提高。PID口诀本站内有数篇原创文章，大家可站内搜索。


2、PID参数的意义和作用指标分析
①比例定义与作用
在实际控制中，输出的大小与误差的大小成正比关系，当误差占整体量程的百分比达到P值时，比例作用的输出为100%，这时的P就定义为比例带参数。

②比例控制
在实际工作中，有经验的师傅在手动控制加热炉的炉温时，往往可以获得非常好的控制效果，PID控制与人工控制在方法原理上基本相同。例如，操作人员用比例控制的思维进行手动控制电加热炉的炉温，操作人员事先知道炉温稳定在给定值时，控制电位器所处的位置角度（我们将它称为位置S），并且会根据当时的温度误差值去调整电位器的旋转角度，从而控制加热电流强度。当炉温小于给定值时，此时误差为正，可在电位器位置S的基础上适当的增大电位器的旋转角度，以增大加热的电流。当炉温大于给定值时，误差为负，在位置S的基础上适当减小电位器的旋转角度，并使得角度与位置S的差值和误差成正比，上述控制思路就是所说比例控制。增大比例系数可以使控制系统反应特别灵敏，调节速度加快，减小稳态时的误差。但是比例调整得过大会造成超调量增大，造成振荡频次增加，调整时间延长，系统动态性能变坏。

③积分定义与作用
在对某一恒定的误差进行积分，令其积分“I”秒后，其积分输出与比例作用相同，这I就定义为积分时间。
在实际控制中，只要有误差的存在，就会对误差进行积分，使得控制输出继续增大或减小，直到误差为零时，积分作用才停止，输出不再变化。系统的PV值保持稳定，当PV值等于SP值时，表示达到了所需的控制效果。

但由于实际的控制系统不能随着输出值立即跟随发生变化，在输出变化后，PV值不会马上跟随变化，要等待一些时间才逐步发生变化，因此积分变化速度的快慢必须与实际系统的惯性相匹配，惯性越大、积分作用就应该弱些，积分时间I就应该大些，反之亦然。如果积分作用太强，积分输出变化过快，就会发生积分超调而引起振荡。

④积分控制
PID调节器中的积分对应于下图1中误差曲线与坐标轴包围的面积（图中灰色部分）。PID控制程序是周期性进行的，其周期称为采样周期。计算机的程序用图1中各矩形面积之和来近似的积分，图中的TS就是采样周期。

图1   PID调节器积分运算示意图

调节器在每次PID运算时，在原有的积分值基础上，会增加一个与当前的误差值ev（n）成正比的微小部分。误差为负值时，积分的增量为负值。
而当人们在手动调节温度时，积分控制相当于根据当时的误差值，反复地微调电位器的旋转角度，每次电位器调节的角度值与当时的误差值成正比关系。温度低于设定值时误差为正值，积分增大，使加热电流逐渐增大。因此只要误差不为零，调节器的输出就会在积分作用下不断变化。一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零时，积分部分才不再发生变化，并且刚好等于稳态时所需要的控制器输出值，由此等同于温度控制系统中电位器转角的位置S。

⑤D微分定义与作用
D是微分作用的持续时间，表示从微分作用产生时刻起到微分作用减小到零(接近零)时为止，系统所用的时间。
微分作用是在产生误差之前，预先发现有产生误差的趋势时就开始调节，是提前控制，可以最大限度地减少动态误差，使系统控制效果更好。但是微分作用只能作为比例和积分控制的一种补充作用不能起到主导作用。微分作用也不能太强，太强也会引起系统的不稳定而产生振荡，微分只能在P和I调好后逐步再由小往大调整，一点一点的加上去。

⑥微分控制
误差的微分就是误差的变化速率，误差增大时，微分为正；误差减小时，微分为负。控制器输出的微分与误差的微分成正比，这反映了被控量变化的趋势。
有经验的操作人员往往在温度上升过快，但是尚未达到设定值时，会预感到温度将会超过预先的设定值，而出现超调现象，于是会及时调节电位器的旋转角度，提前减小加热的电流。

图2    阶跃响应曲线
上图2中的c(∞)为被控量c(t)的稳态值或被控量的期望值，误差e(t)=c(∞)-c(t)。在图2中启动过程的上升阶段，被控量尚未超过其稳态值，但是因误差e(t)不断减小，误差的微分和控制器输出的微分部分为负值，减小了控制器的输出量，相当于提前给出了制动作用，所以可以减少超调量。因此微分控制具有超前和预测的特性，在超调尚未出现之前就能提前起到控制作用。
对于有较大的滞后特性的被控对象，如果PI控制的效果不是很理想，可以考虑适当的增加微分控制量，用以改善系统在调节过程中的动态特性。如果将微分时间设置为0，微分部分不发生作用。
微分控制的缺点是对干扰噪声比较敏感，使系统抑制干扰的能力降低，因此可在微分部分增加惯性滤波环节，滤除干扰噪波。

3、PI控制
调节器输出中的积分与当前的误差值和过去历次误差值的累加值成正比，因此积分作用本身就具有严重的滞后特性，对系统的稳定性不利。此时的积分系数设置得不合理，其负面作用就很难通过积分的作用迅速地进行修正。如比例项没有延迟，只要误差出现，比例部分就会立即起作用。因此积分作用很少单独使用，它往往与比例和微分联合使用，组成PI或PID控制器。

PI和PID调节器不仅克服了单纯的比例调节有稳态误差的缺点，并且避免了单纯的积分调节响应慢、动态性能不好的缺点，因此在实际工作中被广泛使用。

4、综合调试
比例，积分和微分，三者相互作用的关系是：比例主要起调节作用，是主导性的。
积分作用是辅助调节作用；微分作用是补偿作用。在实际调试时可按照以下步骤进行：
①首先检查PID调节器，关掉积分作用和微分作用，先调整P。即令I＞3600s，D=0s，将P由大往小调整达到能快速响应，又不产生振荡为好，最后需要结合控制的量程进行估算。
②当P调好后再调整I，I值由大往小调，以便能够快速响应，消除静差，而又不产生超调为止，调整中应考虑与系统惯性时间常数相匹配。
③在P、I参数调好后，再调D值。系统D=0，1或2，在滞后较大的系统，D值才可以调大些。
④PID参数修改后，可以少量调整给定值，观察系统的跟踪响应情况，判断PID参数是否合适。
⑤如果P值太小，I值太小或D值太大均会引起系统超调而发生振荡。
⑥对于个别系统，如加温快降温慢，或升压快降压慢，或液位升得快降得慢等不平衡系统是很难控制的，更难兼顾动态指标，这种情况下往往只能将P调大些，I值也调大些，牺牲动态指标来保证稳态指标。

在调整PID调节器参数时，应先根据调节器的参数与所在系统动态和稳态性能之间的关系，用现场实验的方法不断调节调节器的参数。在调试中最重要的问题是在系统性能无法达到令人满意的效果时，要知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小。假如阶跃响应的超调量过大，经过多次振荡后才能逐步稳定或者根本无法稳定，此时，应减小比例系数、增大积分时间。如阶跃响应没有超调量，但是被控量变化过于缓慢，应按相反的方向调整参数值。

经反复调节比例系数和积分时间，但超调量仍然较大，此时就可以加入微分控制，微分时间从0逐渐往大调节。

总之，PID参数的调试是一个综合性、各参数互相影响和相互关联的过程，实际调试时的反复尝试是非常重要的，也是必须做的。
作者：特变电工股份公司新疆后勤管理分公司 周云涛