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，简称PID控制，也称为PID调节。PID控制器因其结构简单、稳定性好、运行可靠、调节方便而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，我给大家做一个理论上的解释。在下面的文章中，我将讲解西门子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:一个水箱漏水(而且漏水的速度不一定恒定)，要求水面高度保持在一定位置。一旦发现水面高度低于要求位置，应向水箱加水。
接到任务后，小明一直守在水箱旁。时间长了，他觉得无聊，就跑到房间里看小说，每30分钟检查一次水位。水漏得太快。小明每次来检查，水都漏出来，远远达不到要求的高度。小明每3分钟换一次检查。结果每次水都不怎么漏，也不用加水。他经常做的事情是无用的。几次测试后，确保每10分钟检查一次。这个检查时间称为采样周期
起初，小明用勺子加水。水龙头离水箱有十几米远，经常要跑好几趟才能加够水。于是小明改用水桶加水。一加是个桶。跑的次数少了，加水的速度更快了。但是，有几次，水箱溢水，鞋子不小心湿了。小明又用脑了。我不需要勺子或水桶。老子用的是盆。几趟下来，发现刚刚好，不用跑太多次。这个浇水工具的大小叫做比例因子
小明还发现，虽然水不会过度溢出，但有时会高于要求的位置，仍然存在湿鞋的危险。他想了另一个办法，在水箱里装一个漏斗。每次他不是直接把水倒进水箱，而是倒进漏斗，让它慢慢加。这个溢出问题已经解决了，但是加水的速度比较慢，有时候跟不上漏水的速度。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。漏斗时间称为积分时间
小明终于松了一口气，但任务的要求突然严格起来，水位控制的时效性大大提高。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！于是他又努力工作，终于让它想到了一个办法。他经常在身边放一盆备用水。他发现水位低了，就会带着一盆水下去，不经过漏斗，这样时效性就有保证了，但有时候水位会高很多。他在水面上凿了一个略高于所需水位的洞，然后在下面的备用水桶上接了一根管子，这样多余的水会从上面的洞里漏出来。漏水的速度叫做微分时间。
看到几个问采样期的帖子，临时想到了这个故事。微分的类比有点牵强，但能帮助理解，呵呵，入门级，如果能帮助新手理解PID，就够了。故事中，小明的实验是一步一步独立完成的，但实际加水工具、漏斗直径、溢流孔大小都会同时影响加水速度和水位超调大小。做了后面的实验后，经常会修改前面实验的结果。
故事中，小明的实验是一步一步独立完成的，但实际加水工具、漏斗直径、溢流孔大小都会同时影响加水速度和水位超调大小。做了后面的实验后，经常会修改前面实验的结果。
PID控制方式下，用水壶往杯子里倒半杯水带刻度后停止；
设定值:水杯半杯刻度；
实际值:杯中的实际水量；
输出:从水壶中倒出的水和从杯子中舀出的水；
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刻度的一半，就按照一定的水量或者水杯中的水量超过刻度，从水壶中的国王水杯中倒水，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，系统输出中存在稳态误差。
(2)PI积分控制
即在杯中倒入一定量的水。如果发现杯子里的水量没有刻度，就会一直倒。后来发现水量超过半杯，就从杯子里舀水到外面，不够就反复倒水，多了就舀水，直到水量达到刻度。
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来说，如果进入稳态后还有稳态误差，则称控制系统有稳态误差或简称系统有稳态误差。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入“积分项”。积分项对的误差取决于对时间的积分，随着时间的增加，积分项会增加。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而增加，从而推动控制器的输出增加，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。差距大的时候，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，就减少水壶中的水量，慢慢接近刻度，直到停留在杯中的刻度处。最后，如果它能准确地停在标尺的位置，它就是无静差控制；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，PID控制技术是最适合的。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，系统输出中存在稳态误差。
(2)积分(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来说，如果进入稳态后还有稳态误差，则称控制系统有稳态误差或简称系统有稳态误差。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入“积分项”。积分项对的误差取决于对时间的积分，随着时间的增加，积分项会增加。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而增加，从而推动控制器的输出增加，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)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)成比例。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”误差抑制函数的变化，即当误差趋近于零时，误差抑制函数应为零。也就是说，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”，可以预测误差的变化趋势。这样，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。
如果在PID参数调整时，有一种理论上的方法来确定PID参数，当然是最理想的方法。然而，在实际应用中，更多的是采用试凑法来确定PID参数。
增大比例系数p一般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。但如果比例系数过大，系统会有较大的超调，产生振荡，恶化稳定性。
增加积分时间I有利于减小超调和振荡，增加系统的稳定性，但系统静态误差的消除时间变长。
增加微分时间d有利于加快系统的响应速度，减小系统的超调量，增加稳定性，但系统抑制扰动的能力减弱。
在试运行中，可以参考上述参数对系统控制过程的影响趋势，实行先比例、后积分、再微分的设定步骤进行参数调整。
PID控制器参数整定方法
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、积分时间和微分时间。整定PID控制器参数的方法有很多，可以归纳为两类:
一、理论计算和设定方法
它主要是根据系统的数学模型，通过理论计算来确定控制器参数。这种方法得到的计算数据不一定能直接使用，必须通过实际工程进行调整和修改。
二。工程设置方法
主要依靠工程经验，直接在控制系统的测试中进行。该方法简单易掌握，在工程实践中应用广泛。PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法、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测试后根据工程经验公式整定控制器参数。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。
现在一般采用临界比率法。使用该方法整定PID控制器参数的步骤如下:
(1)首先，预先选择足够短的采样周期以使系统工作；
(2)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，记录此时的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:是依靠经验和对过程的熟悉，参考测量值跟踪和设定值曲线来调整P、I、D的大小。
常用公式:
找到最佳参数设置，从小到大检查；
先比例后积分，再加微分；
曲线震荡频繁，比例带盘面要放大；
曲线围绕大湾浮动，比例带盘转向小盘；
曲线偏离缓慢，积分时间减少；
曲线波动周期越长，积分时间越长；
第一步，设定比例控制
将比例控制函数由小变大，观察每次响应，直到得到一条响应快、超调小的响应曲线。
第二步，积分环节
如果比例控制下稳态误差达不到要求，则应增加积分控制。首先将上一步选择的比例系数降低到原始值的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，直到得到满意的响应，从而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，动态过程不尽如人意，则应加入微分控制，形成PID控制。先设定微分时间TD=0，逐渐增大TD，同时相应改变比例系数和积分时间，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[/S2/]
没有金刚钻，没有瓷器。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，从“实:”开始。
1调整量:反映调整对象实际波动的量。调节量总是在变化。
实际:通常由检测到的反馈值表示，如yout(t)。
2设定值:PID调节器的设定值是人们期望被调节量达到的值。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进行运算后，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。请注意与调整量yout(t)的差异。这两个概念完全不同，人们经常混淆这两个概念。
其实:你经常会看到公式“u(t)= KP[e(t)+1/ti∫e(t)dt+TD * de(t)/dt]”中的u(t)。
4输入偏差:输入偏差时调整量与设定值之差。
实际上:误差(t)=rin(t)-yout(t)。
P(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:和kp一样，KP也一样。
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是微分，简单来说就是输入偏差的微分运算。
现实:比如kd。
8 PID基本公式PID调节器参数整定过程一般来说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，适当延长积分作用。
KP = 0.6 *公里
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。学过傅里叶和拉普拉斯变换的同学应该明白这是为什么，这里就不深入讨论了。
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串联起来形成串级控制系统，也叫双环控制系统。在串级控制系统中，PID调节器可分为主调节器和辅助调节器。
在串级控制系统中，被调节量的PID称为主调门，其输出直接指导执行机构动作的PID称为副调门，主调门的控制输出进入副调门作为副调门的设定值。主调节器采用单回路PID调节器，辅助调节器采用外部调节器。
1积极效果
对于PID调节器来说，控制输出随着被调节量的增加而增加，随着被调节量的减少而减少，这就是所谓的PID正效应。
12负面影响
对于PID调节器来说，控制输出随着被调节量的增加而减小，随着被调节量的减少而增加，这就是所谓的PID负效应。
13动态偏差
在调节过程中，被调节量与设定值之间的偏差是随时变化的，两者之间的随时偏差称为动态偏差。
14静态偏差
调整趋于稳定后，调整量与设定值仍有偏差。静态偏差的消除是通过PID调节器的积分功能实现的。
15回电
调节器的调节功能表现为被调节量开始由上升变为下降，或者由下降变为上升趋势再变为回调。
你明白吗？
