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1、河南理工大学 电气工程与自动化学院 主要内容 4.1 PID控制原理（2学时） 4.2 PID控制参数的整定方法（2学时 ） 第4章 PID控制器及参数整定 河南理工大学 电气工程与自动化学院 4.1 PID控制原理 PID :Proportional-Integral-Derivative(比例积分微分) 本质上是一种负反馈控制，特别适用于过程的动态性能良 好、对控制性能要求不太高的情况。包括三种基本的控制 方法：比例控制、积分控制和微分控制。 上世纪20年代，船舶自动导航的研究中提出的，是最常见 、应用最广的一种控制策略。 特点：结构简单、鲁棒性强、使用方便、易于操作。 河南理工大学 电气
2、工程与自动化学院 4.1 PID控制原理-比例控制 控制器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系 比例增益 控制器输出的稳态值 增量形式 河南理工大学 电气工程与自动化学院 4.1 PID控制原理-比例控制 比例度：调节阀开度改变100%（即对 气开调节阀从全关到全开）时所需要 的系统被控量（或给定偏差）的允许 变化范围。 习惯上，使用比例度（带） 表示比例控制作用的强弱。 河南理工大学 电气工程与自动化学院 比例增益对开环稳定系统稳定裕量的影响 对开环稳定的一 阶惯性系统，比 例增益越大，系 统的稳定裕量越 小，稳定性越差 。 河南理工大学 电气工程与自动化学院 比例增益对开环不稳定系统稳定
3、裕量的影响 对开环不稳定的一 阶惯性系统，比例 增益越大，系统的 稳定裕量越大，稳 定性越好。 河南理工大学 电气工程与自动化学院 比例增益对控制性能的影响 河南理工大学 电气工程与自动化学院 4.1 PID控制原理-比例控制 特 点 1. 有差调节，稳态误差随比例度的增大而增大； 2. 对开环稳定的自衡系统，比例增益 Kc 增大（或比例度下降），系统的调 节作用增强，动态性能增强，稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高 、最大偏差下降）； 河南理工大学 电气工程与自动化学院 4.1 PID控制原理-积分控制 控制器的输出信号u与输入偏差信号e的积分成比例关系 积分时间常数控制器输出的稳态值
4、河南理工大学 电气工程与自动化学院 积分作用对控制性能的影响 河南理工大学 电气工程与自动化学院 4.1 PID控制原理-积分控制 特 点 1. 能消除稳态余差，提高稳态控制精度； 2.使系统的相位滞后90o，造成控制作用不及时，动态品质变差，过渡过程缓慢， 积分控制是牺牲了动态品质来换取稳态性能的改善； 3.增大积分作用（或减小积分时间常数）可以在一定程度上提高响应速度，但会加 剧系统的不稳定性，使振荡加剧； 4.不单独使用。 河南理工大学 电气工程与自动化学院 比例环节 积分环节 4.1 PID控制原理-比例积分控制 增量形式 传递函数 积分时间常数 河南理工大学 电气工程与自动化学院 P
5、I时域响应特性 比例、积分控制 是可变增益的比 例控制 ；是粗调 的比例控制和细 调的积分控制的 组合。 河南理工大学 电气工程与自动化学院 Ti对系统动态性能的影响 河南理工大学 电气工程与自动化学院 PI频域特性 河南理工大学 电气工程与自动化学院 4.1 PID控制原理-比例积分控制 特 点 1. PI控制结合P控制的快速反应与I控制的消除稳态误差。 粗调：偏差出现时，比例作用迅速反应输入的变化；细调：积分 作用使输出逐渐增加，最终消除稳态误差。 2. 系统的相频特性存在相位滞后，造成系统的稳定性和动态品 质变差。 3. 存在积分饱和现象。 河南理工大学 电气工程与自动化学院 防积分饱和
6、原理分析 讨论：正常情况为标准的PI 控制算法；而当出现超限 时，自动切除积分作用。 为什么? 河南理工大学 电气工程与自动化学院 4.1 PID控制原理-微分控制 控制器的输出信号u与输入偏差信号e对时间的导数成比例 t t O e O e=A 对偏差变化趋势预测。不能单独 工作，只能起辅助调节作用。 河南理工大学 电气工程与自动化学院 微分作用对控制性能的影响 问题：微分 作用对噪声 敏感，如何 克服？ 河南理工大学 电气工程与自动化学院 比例环节 微分环节 4.1 PID控制原理-比例微分控制 增量形式 传递函数 微分时间常数 河南理工大学 电气工程与自动化学院 实际PD时域响应特性 河
7、南理工大学 电气工程与自动化学院 理想PD频率特性 河南理工大学 电气工程与自动化学院 实际PD频率特性 河南理工大学 电气工程与自动化学院 特 点 1. 有差调节。 微分相位超前，提高了稳定裕度，提高系统稳定性。 1. 减小系统稳态误差，提高系统的响应速度。 2. 微分作用太强，调节阀频繁开闭，容易使系统振荡。常常比 例为主，微分为辅。 4.1 PID控制原理-比例微分控制 河南理工大学 电气工程与自动化学院 比例环节积分环节微分环节 4.1 PID控制原理-比例积分微分控制 增量形式 传递函数 河南理工大学 电气工程与自动化学院 实际串联式PID时域响应 河南理工大学 电气工程与自动化学院
8、 实际并联式PID时域响应 河南理工大学 电气工程与自动化学院 实际PID频域特性 河南理工大学 电气工程与自动化学院 特 点 1.快速稳定的无差调节。 2.比例作用，减小系统稳态误差，提高系统的响应速度。 3.微分作用，相位超前，提高了稳定裕度，提高系统稳定性。 4. 积分作用，减小余差。 4.1 PID控制原理-比例积分微分控制 河南理工大学 电气工程与自动化学院 PID控制系统仿真举例 河南理工大学 电气工程与自动化学院 1.控制通道时间常数较大时，引入微分调节。若工艺容许有余差， 可选用PD调节；若工艺要求无余差，可选用PID调节。 2.控制通道时间常数较小、负荷扰动不大、且工艺要求允
9、许有余差 ，可以选择P调节。 3.控制通道时间常数较小、负荷扰动不大、且工艺要求无余差，可 以选用PI调节。 4.控制通道时间常数很大、且纯滞后较大、负荷变化剧烈时，不宜 采用单回路的PID控制。 4.1 PID控制原理-算法选择原则 河南理工大学 电气工程与自动化学院 5. 广义过程的传递函数表示为如下形式时 还可根据0/T0 的比值来选择调节规律： 0/T00.2，选用P或PI调节规律。 0.20.75）；有自衡特性的高阶等容过程， 整定参数使系统衰减率偏小（即0.75）。 河南理工大学 电气工程与自动化学院 例1 已知开环系统的传递函数为 ， 采用临界比例度法整定系统的P，PI,PID控制 器参数，并绘出整定后系统的单位阶跃响应曲 线。 4.2 PID参数的整定方法-临界比例度法 河南理工大学 电气工程与自动化学院 使等幅震荡，求临界参数 Kk=30； Tk=2.81 河南理工大学 电气工程与自动化学院 P控制 ,查表 Kp=15 河南理工大学 电气工程与自动化学院 PI控制,查表 Kp=13.5,Ti=2.3417
