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PID控制仿真|增益调整与阶跃响应

调整比例增益Kp、积分时间Ti和微分时间Td,比较输出、控制量、超调、90%到达时间与IAE。支持一阶惯性、纯滞后、二阶与积分对象的学习仿真。

PID增益
比例增益 Kp
积分时间 Ti (s)
s
Ti越大积分越弱,完全关闭请用下方复选框。

微分时间 Td (s)
s
目标值 SP
仿真时间 (s)
s
预设
性能指标
计算结果
—
90%到达时间 (s)
—
调节时间 ts (s)
—
超调量 %
—
结束时偏差 %
—
IAE
—
ITAE
过程变量 y(t) 与设定值
控制器输出 u(t)
U
过程变量 y(t) 设定值 SP 控制输出 u(t)
理论与主要公式
$$u(t)=K_p\!\left[e(t)+\frac{1}{T_i}\!\int_0^t\!e\,d\tau+T_d\frac{de}{dt}\right]$$
ZN阶跃响应整定公式:
$K_p=1.2\,\tau/(K\cdot L),\quad T_i=2L,\quad T_d=0.5L$
计算结果
0.70
设定值 SP
0.000
当前值 PV
0.700
偏差 e
0.00
控制输出 u
0.0%
超调量
—
上升时间
—
调节时间
0.700
稳态偏差
0.000
Ki=Kp/Ti
0.00
Kd=Kp·Td
PV(液位) SP(设定值) e(偏差) u(流入量=控制输出)
比例增益 Kp1.50
积分时间 Ti (s)8.0
微分时间 Td (s)0.00
目标液位 SP0.70
过程时间常数 τ (s)5.0
改变Kp/Ki/Kd后,闭环响应会明显呈现“迟钝→灵敏→振荡→不稳定”的变化。对于一阶滞后对象,仅采用P控制时会残留稳态偏差=1/(1+Kp·K),加入I项后偏差趋于0。

使用相同条件进行比较

计算示例

默认一阶对象的过程增益为1、时间常数5秒。Kp=1、Ti=5秒、Td=0秒、设定值1、时长50秒时,90%到达时间约11.5秒,IAE约4.99。先只改变Kp,同时观察输出和控制量。

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模型与适用范围

基本形式为u=Kp(e+∫e dt/Ti+Td·de/dt),对应并联参数Ki=Kp/Ti、Kd=Kp·Td。实现使用0.02秒步长、微分滤波和±10控制量限制。水箱演示使用独立参数。

常见问题

Ti越大,积分作用越强吗?

Kp固定时Ki=Kp/Ti,因此Ti越大积分越弱。彻底关闭积分请选中“关闭积分作用”;P预设会选中此项。独立水箱示意在Ti最大值40秒时关闭积分。

响应指标如何定义?

上升时间为首次达到目标值90%的时间,不是10–90%。整定时间仅在最后一次越出±2%带后至计算结束始终处于带内时显示;结束时仍在带外显示“—”。结束时偏差是有限时间数值,不一定是稳态误差。

Ziegler–Nichols按钮能找到最优参数吗?

它只提供初始建议,部分模型使用假定滞后,并将结果限制在输入范围内。不保证最优性或实机稳定,仍需检查饱和、控制量和响应。

可以直接用于真实设备吗?

不能直接照搬。必须核对PID形式、单位、采样周期、噪声及执行器限制。本页用于简化模型比较,不具备写入设备参数的功能。

理论参考(不代表本工具的精度认证)

MathWorks: PID forms

说明更新:2026年9月6日