在实际工程中，应用最广泛的调节器控制规律是比例、积分和微分控制，也简称为PID控制。自PID控制器问世以来，由于其结构简单、稳定性好、运行可靠、调节方便，已成为工业控制的主要技术之一。

PID控制是一种传统的控制方法，适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有的现场。在不同的现场，只需对PID参数进行不同的设置，只要参数设置得当，就能取得良好的效果。可以达到0.1%甚至更高的控制要求。

今天，我给你一个理论上的解释。在下面的文章中，我将根据不同的工业控制案例，讲解西门子S7-200、S7-300和薄涂PLC如何使用PID控制，以及如何编程和注意事项！

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那么什么是PID控制呢？

我先举个例子吧！一、PID的故事小明接到这样一个任务：有一个水箱漏水(而且漏水的速率不一定固定)，要求水位维持在一定的位置。一旦发现水位低于所需位置，应向水箱中加水。小明接到任务后一直守在水箱旁。010到31019，他觉得无聊，就去自己房间看小说，每30分钟查一次水位。水漏得太快。每次小明来检查，水都快喝完了，离要求的高度差很远。小明每3分钟换一次检查。结果每次水来的时候都不怎么漏，不用加水。来得太频繁的东西是没用的。几次测试后，确保每10分钟检查一次。该检查时间被称为采样周期的开始。小明用勺子加水。水龙头离水箱十几米远，经常要跑好几趟才能加够水。于是小明改成桶加水，一加就是桶。跑的次数少了，加水的速度更快了。但是，水箱溢了好几次，我也不小心湿了好几次鞋。小明又用头了。我没有用勺子或者水桶，但是我用了。这个浇水工具的大小叫做比例系数。小明还发现，虽然水不会溢出来，但有时候会高于要求的位置，还是有湿鞋的危险。他想了另一个办法，在水箱里装一个漏斗。每次加水都是倒入漏斗而不是直接倒入水箱，这样可以慢慢加。这个溢出问题解决了，但是加水的速度又慢了，有时候还赶不上漏水的速度。于是他试着换不同大小的漏斗来控制加水的速度，最终找到了满意的漏斗。漏斗的时间叫积分时间小明终于喘了一口气，但是任务的要求突然严格起来，对水位控制的时效性要求很大提高。一旦水位过低，必须立即将水加到要求的位置，不能过高，否则发不出工资。小明又尴尬了！于是他又开动脑筋，终于让他想到了一个办法。他经常在身边放一壶备用水。他发现水位低了，就一壶水下去，不经过漏斗，这样时效性有保证，但有时候水位高很多。他还要求在水位以上的水中打一个洞，然后在下面的备用桶上接一根管子，这样多余的水就会从上面的洞里漏出来。这种漏水的速度叫做差速时间。看到几个帖子问采样周期，临时想到这样一个故事。微分的类比有点牵强，但有助于理解。呵呵，是入门级的。如果能帮助新手理解PID，但愿就够了。钟晓明的实验是一步一步独立完成的，但实际浇水工具、漏斗直径、溢流孔都同时影响了浇水速度和水位超调量。做了后面的实验后，经常会修正前面实验的结果。

钟晓明的实验是一步一步独立完成的，但实际浇水工具、漏斗直径、溢流孔都同时影响了浇水速度和水位超调量。做了后面的实验后，经常会修正前面实验的结果。

先倒半杯水

实际值：杯中的实际水量；

产值：从水壶中倒出的水和从水杯中舀出的水；

测量：人眼(相当于传感器)

执行人：人

执行：倒水

反向：舀水

(1)P比例控制

即人们看到水杯中的水量没有达到水杯的半杯刻度时，就按照一定的水量从水壶中的国王杯中倒水，或者如果水杯中的水量超过刻度，就用一定的水量从水杯中舀水。这个动作可能会导致少于半杯或多于半杯停止。

描述：

比例控制是最简单的控制方法。控制器的输出与输入误差信号成比例。当只有比例控制时，系统的输出中存在稳态误差。

(2)PI积分控制

就是往水杯里倒一定量的水。如果发现杯子里的水没有水垢，就会一直倒下去。后来发现水超过半杯，就把杯子里的水舀出来。然后，如果不够，你就一遍又一遍地倒。如果太多，你就舀，直到水达到刻度。

描述：

在积分I控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成比例。对于一个自动控制系统，如果进入稳态后还有稳态误差，则称该控制系统有稳态误差或简称有稳态误差系统。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入“积分项”。项对的误差取决于时间的积分，积分项会随着时间的增大而增大。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增大而增大，从而推动控制器的输出增大，进一步减小稳态误差，直至等于零。因此，比例积分(PI)控制器可以使系统进入稳态后无稳态误差。

(3)PID微分控制

也就是人的眼睛看杯子里的水量和刻度之间的距离。缝隙大的时候，他们就用水壶里的大量水倒水。当人们看到水量接近刻度时，他们减少从水壶中汲取的水量，慢慢接近刻度，直到停留在杯中的刻度处。最后，如果能准确地停在标尺的位置，则为静态无误差控制；如果你停在秤附近，有静态误差控制。

描述：

在微分控制D中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成比例。

在工程实践中，应用最广泛的调节器控制规律是比例、积分和微分控制，简称PID控制，也称为PID调节。PID控制器发明至今已有近70年的历史，由于其结构简单、稳定性好、运行可靠、调节方便，已成为工业控制的主要技术之一。当不能完全掌握被控对象的结构和参数，或不能获得精确的数学模型，而控制理论的其他技术又难以采用时，必须通过经验和现场调试来确定系统控制器的结构和参数。这时候应用PID控制技术是最方便的。即当我们对一个系统和被控对象不完全了解，或者不能通过有效的测量手段得到系统参数时，最适合使用PID控制技术。PID控制，其实也有PI和PD控制。PID控制器是以系统误差为基础，利用比例、积分和微分来计算控制量进行控制。

PID参数

(1)比例(p)控制

比例控制是最简单的控制方法。控制器的输出与输入误差信号成比例。当只有比例控制时，系统的输出中存在稳态误差。

(2)整合(I)控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成比例。对于一个自动控制系统，如果进入稳态后还有稳态误差，则称该控制系统有稳态误差或简称有稳态误差系统。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入“积分项”。项对的误差取决于时间的积分，积分项会随着时间的增大而增大。在…里

(3)微分(D)控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比。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。原因是有大惯性分量(环节)或延迟分量，可以抑制误差，它们的变化总是滞后于误差的变化。解决方法是“提前”误差抑制效果的变化，即当误差接近零时，误差抑制效果应该为零。也就是说，仅仅在控制器中引入“比例”项往往是不够的。比例项的作用只是放大误差的幅度，目前需要增加的是“微分项”，可以预测误差变化的趋势。这样，带有比例微分的控制器可以提前使抑制误差的控制效果等于零甚至为负，从而避免被控量的严重超调。因此，对于大惯性或大滞后的被控对象，比例微分(PD)控制器可以改善系统在调节过程中的动态特性。

在整定PID参数时，用理论方法确定PID参数当然是最理想的方法，但在实际应用中，更多的时候是用试凑法来确定PID参数。

一般增大比例系数P会加快系统的响应速度，有静态误差时有助于减小静态误差。但过大的比例系数会使系统产生较大的超调，产生振荡，使稳定性变差。

增加积分时间I有利于减少超调和振荡，增加系统的稳定性，但消除了系统的静态误差时间变长。

增加微分时间D有利于加快系统的响应速度，减小超调量，增加系统的稳定性，但抑制系统扰动的能力减弱。

共同尝试时，可以参考上述参数对系统控制过程的影响趋势，实施先比例、后积分、再微分的设定步骤进行参数调整。

PID控制器参数的调整方法

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。根据被控过程的特点，确定PID控制器的比例系数，积分时间，微分时间。整定PID参数的方法有很多，可以归纳为两类：

一、理论计算整定方法

它主要基于系统的数学模型，通过理论计算确定控制器参数。用这种方法得到的计算数据不能直接使用，而必须由实际工程进行调整和修改。

二、工程设置方法

它主要依靠工程经验，直接在控制系统的测试中进行，其方法简单易掌握，因此在工程实践中应用广泛。PID参数的工程整定方法主要有临界比值法、响应曲线法和衰减法。三种方法各有特点，它们的共同点是通过试验，然后根据工程经验公式调整控制器参数。但无论采用哪种方法，控制器参数都需要在实际运行中最终调整和完善。

目前一般采用临界比率法。用这种方法整定PID控制器参数的步骤如下：

(1)首先，预先选择一个足够短的采样周期，使系统工作；

(2)只增加比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，然后记录比例放大系数和临界振荡周期；

(3)在一定的控制程度下，通过公式计算PID控制器的参数。

PID参数的设定：靠经验和对技术的熟悉程度，参考测量值跟踪和设定值的曲线，来调整P，I，d的大小。

常用公式：

设置参数找到最好的，从小到大依次检查；

先求比例积分，最后加微分；

曲线振荡频繁，比例带盘要放大；

曲线在th附近浮动

如果在比例控制下稳态误差不能满足要求，则应增加积分控制。先将上一步选择的比例系数降低到原来的50 ~ 80%，然后将积分时间设置为较大的值，观察响应曲线。然后减少积分时间，增加积分函数，相应调整比例系数。反复尝试得到满意的响应，确定比例和积分的参数。

第三步，设置差分链接。

如果通过以上步骤，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不尽如人意，那么就要加入微分控制，形成PID控制。设定微分值时间TD=0，逐渐增大TD，相应改变比例系数和积分值时间，反复尝试，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，不抱瓷器活。为了掌握和应用PID，我们非常有必要学习基本概念来武装自己。有些概念会搭配实际项目中常用的表达方式，以“实：”开头。1调整量：反映调整对象实际波动的量。调整后的数量是不断变化的。实数：常用检测到的反馈值来表示，如yout(t)。2整定值：PID调节器的整定值是人们期望调节的值。设定值可以是固定的或可变的。实际：人为设定，常用rin(t)表示。3控制输出：PID调节器根据被调节量的变化，计算后发出的使外部执行结构按其要求动作的指令，即整个调节器的输出。请注意yout(t)和规定数量之间的差异。这两个概念完全不同，人们经常混淆。Real:你经常看到的公式“u(t)=KP[e(t)1/tie(t)dt TD * de(t)/dt”中的U(t)。4输入偏差：输入偏差时调整量与设定值之差。Real: error(t)=rin(t)-yout(t)。5(比例):P是比例作用。简单来说就是输入偏差乘以一个系数。现实：比如kp和KP都一样。I(积分):I是积分，简单来说就是对输入偏差进行积分。现实：如ki。d(积分):D就是微分，简单来说就是对输入偏差进行微分。现实：比如kd。8 PID的基本公式：一般来说，PID调节器的参数设定过程是先将系统调整到纯比例作用，逐渐加强比例作用使系统产生等幅振荡，记录比例作用和振荡周期，然后将这个比例作用乘以0.6，并适当延伸积分作用KP=0.6*KmKD=KP*/4或KD=KP*tu/8KI=KP*/或KI=2KP/tuKP。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；:等幅振荡的频率，tu为振荡周期。这里Tu=2，而不是tu=1。学过傅里叶和拉普拉斯变换的同学应该明白这是为什么，这里就不赘述了。9单回路：单回路是只有一个PID的调节系统。10级联：一个PID不够。串级就是将两个PID串联起来，形成串级调节系统，也叫双环调节系统。在串级调节系统中，PID调节器分为主调节器和辅助调节器。在串级调节系统中，调节被调节量的PID称为主调，其输出直接指向执行机构的PID称为副调。主音的控制输出进入辅助音，作为辅助音的设定值。主调门选用单回路PID调节器，辅调门选用外部给定调节器。11正效应对于PID调节器来说，控制输出随调节量的增大而增大，随调节量的减小而减小的效应称为PID正效应。12负面效应对于PID调节器来说，控制输出随被调节量的增加而减少，随被调节量的减少而增加的效应称为PID负面效应。13动态偏差在调节过程中，被调节量与设定值之间的偏差随时变化，它们之间在任何时刻的偏差称为动态偏差