核心答案是 PID 算法一共包含三种基础控制环节,分别是比例控制 P 积分控制 I 微分控制 D,三个环节根据需求可以单独使用,也可以两两组合,还可以三个环节全部组合成完整 PID 控制,也就是比例积分微分控制,PID 是工业自动控制里面最经典的闭环控制算法,核心是采集系统误差,利用三种控制特性分别对误差进行运算,最后叠加输出调节量,很多初学者容易混淆,以为 PID 算法只有完整三参数这一种形式,实际上工程里面经常只用 P 控制,或者 PI 控制,PD 控制,完整 PID 一般用在动态要求高的场景,理解每一种控制的特点优缺点,才能根据被控对象选择对应的 PID 算法控制组合,这也是自动控制课程和单片机 工控项目里面的核心考点。
三种基础控制环节分项讲解
比例控制 P 也就是 Proportional,按照当前误差大小成比例输出,误差越大输出调节力度越大,反应速度快,但是单纯 P 控制存在固有缺点,就是稳态误差,系统稳定之后误差不能完全消除,适合对稳态精度要求不高,只需要快速响应的场景。
积分控制 I 也就是 Integral,对误差进行累计积分,只要系统还存在误差,积分项就会持续累加输出,作用就是消除稳态误差,但是积分项容易带来超调,让系统震荡,响应变慢,积分一般不会单独使用,大多搭配 P 组成 PI 控制。
微分控制 D 也就是 Derivative,根据误差的变化率进行调节,预判误差接下来的变化趋势,提前抑制误差变化,能够减小超调,改善动态震荡,提升响应平稳性,但是微分对噪声非常敏感,干扰信号会被放大,微分很少单独使用,一般搭配 P 组成 PD 控制。
PID 衍生组合控制类型
P 控制 只保留比例环节,结构最简单,响应快,存在稳态误差
PI 控制 比例加积分,工程最常用,保留比例快速响应,积分消除稳态误差,缺点是容易超调,温度控制 压力控制大量使用 PI 控制
PD 控制 比例加微分,比例快速调节,微分抑制超调震荡,适合位置伺服 电机这类动态系统,缺点是仍然存在稳态误差
PID 控制 比例积分微分三者全部启用,同时兼顾快速响应 消除静差 抑制超调,动态性能最好,但是参数整定难度更高,对噪声敏感,高精度动态被控对象使用
完整理解判断步骤
第一步确认被控对象需求,如果只要求快速响应,允许存在少量静差,可以选择 P 控制
第二步如果要求必须消除稳态误差,不需要太强的动态抑制,优先选择 PI 控制
第三步如果系统容易超调震荡,对动态平稳性要求高,优先选择 PD 控制
第四步如果既需要消除静差,又要抑制超调,动态精度要求高,就选用完整 PID 控制
第五步完成组合选择之后,再分别整定对应的 P I D 参数,调试系统响应曲线
控制类型对比表格
控制类型 组成 核心优势 主要缺陷 典型应用
P 控制 仅比例 响应速度快 存在稳态误差 简单调速
PI 控制 比例加积分 消除稳态误差 容易超调 温度压力
PD 控制 比例加微分 抑制超调震荡 存在稳态误差 位置伺服
PID 控制 比例积分微分 综合性能最优 参数难整定 高精度动态系统
补充深度拓展
除了基础的位置式 PID,工程里面还有增量式 PID 实现方式,这个属于算法实现形式,并不是新增的第四种控制环节,很多同学会把增量式 PID 当成新的控制种类,这个是高频误区,增量式只是输出计算方式改变,内部依旧是 P I D 三个控制环节,另外还有很多改进型 PID,比如积分分离 PID 抗饱和 PID,这些都是在原有 PID 三种控制基础上做优化改进,不属于独立的新控制种类,考试题目问 PID 算法包括哪几种控制,标准答案就是 P I D 三种基础控制环节,以及对应的组合形式。
常见问题
问题 1 PID 算法包括哪几种控制环节,积分能不能单独使用
回答 1 PID 算法包括比例 P 积分 I 微分 D 三种控制环节,积分 I 一般不会单独使用,积分单独使用输出会持续累积,系统很难稳定,工程大多和比例组成 PI 控制。
问题 2 PID 算法包括哪几种控制组合,PI 控制主要解决什么问题
回答 2 PID 算法组合包含 P PI PD PID 四种,PI 控制是比例加积分,主要依靠积分环节消除单纯 P 控制留下来的稳态误差,是工控里面最常用的 PID 算法控制组合。
问题 3 增量式 PID 是不是 PID 算法里面新的一种控制
回答 3 增量式 PID 不属于新增控制种类,它只是 PID 算法的计算实现形式,内部依然是 P I D 三种控制,不要把实现形式和 PID 算法包括的控制环节混淆。
问题 4 PID 算法包括哪几种控制里面微分 D 有什么缺点
回答 4 PID 算法里面微分 D 控制会放大噪声干扰,对输入信号里面的毛刺非常敏感,所以微分一般不会单独使用,大多搭配比例组成 PD 控制改善动态震荡。
免责申明
本文属于自动控制原理科普讲解,PID 算法相关内容参考自动控制通用教材,工程实际选型还需要结合被控对象特性,本文不能替代专业工控设计与课程考试标准答案。


