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1、 PID 控制算法 控制系统的性能在很大程度上取决于控制算法。随着计算机控制技木的发展相继出 现了一些新的控制算法，但以往广泛应用的 PID 算法仍然广泛应用。PID 控制(ProportionalIntegralDerivative)是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种 控制策略。经过长期的工程实践，总结形成了一整套PID 控制方法。由于它已形成了 典型结构，且参数整定方便、结构改变灵活，在大多数工业生产过程控制中效果较为满 意，因此长期以来被广泛采用，并且与新的控制技术相结合，继续发展。 随着微型计算机的广泛应用，很多原来的连续控制系统都可以用计算机控制系统代 替，提高了控制系统的性能。可
2、以说，现代控制系统实质上是计算机控制系统。在计算 机控制系统中也常常将 PID特性数字化，实施数字 PID控制。因此， PID控制规律是一 种极为重要的控制规律。所谓PID控制规律，就是一种对偏差信号进行比例、积分和微分变换的控制规)(te 律PID控制规律的数学表达式如下式所示00)(1)()(udtdeTdtteteKtuDtip（811） 为控制常量，即偏差为零时的控制变量。0u下面把 PID 控制分成三个环节来分别说明： a. 比例调节0ueKup式中为比例系数，为控制常量，即偏差为零时的控制变量。偏差。pK0uyre偏差一旦产生，比例调节立即产生控制作用，使被控制的过程变量向使偏差减
3、小的方向y 变化。比例调节能使偏差减小，但不能减小到零，有残存的偏差（静差） 。加大比例系数 可以提高系统的开环增益，减小静差，从而提高系统的控制精度。但当过大时，会pKpK使动态质量变差，导致系统不稳定。 b. 积分调节（I 调节） 在积分调节中，调节器输出信号的变化速度 du/dt 与偏差成正比，即e或其中 为积分常数，越大积分作用越弱。I 调节的特点是无差调节，与 P 调节的有ii差调节形成鲜明对比。上式表明，只有当被调节量偏差为零时，I 调节器的输出才会保持 不变。I 调节的另一个特点是它的稳定作用比 P 调节差。采用 I 调节可以提高系统的型别， 有利于系统稳态性能的提高，但积分调节
4、使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号 产生 90的相角迟后，对系统的稳定性不利。 c. 微分调节（D 调节） 在微分调节中，调节器的输出与被调节量或其偏差对于时间的导数成正比，即dtdeud其中 为积分常数，越大微分作用越强。由于被调节量的变化速度（包括其大小dd和方向）可以反映当时或稍前一些时间设定值 r 与实际输出值 y 之间的不平衡情况，因此 调节器能够根据被调节量的变化速度来确定控制量 u，而不要等到被调节量已出现较大的 偏差后才开始动作，这样等于赋予调节器以某种程度的预见性。 然而，单纯按控制微分规律动作的调节器是不能工作的。这是因为实际的调节器都有 一定的失灵区，如果偏差很小
5、以致被调节量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节 器并不会动作。但是经过相当长的时间以后，被调节量偏差却可以积累到相当大的数字而edtdui1Tiedtu 01 得不到校正。因此微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节动作结合成 PD 和 PID 调节，可以使系统增加一个-1/的开环零点，使系统的相角裕度提高，因而有助于系d统动态性能的改善。 可见，参数、的大小对系统的动态特性和稳定特性有很大的影响，比例调pKid节参数加大，提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，偏大，振荡次数加多，调pKpK节时间变长，当太大时，系统不稳定。积分调节能消除系统的稳态误差，提高控制系pK统的控制精度，
6、但积分调节通常使系统稳定性下降，越小积分作用越强，系统将不稳定。i越大积分作用越弱，对系统稳定性能的不利影响减小，但消除静差的时间增加。微分调i节可以改善系统动态特性，参数偏大、偏小时，超调量都较大，而且调节时间较长。所d以只有参数、合适时，系统才可以得到满意的动态特性和稳定特性。 pKidd. 比例加微分调节(PD 调节) 若调节器的输出 u(t)既与偏差信号成正)(te比，又与偏差的一次导数成正比，则称这种)(te调节器为比例加微分调节器，简称 PD 调节器。 采用 PD 调节器的系统称为比例加微分控制系统。 PD 调节的结构图如图 8-8 所示。PD 调节的时 域方程为 (8-12)()
7、()(dttdeteKtudp式中表示比例系数，为微分时间常数。和二者都是可调的参数。 pKdpKd)()1 ()(sEsKsUdp由此可得作为校正装置的比例加微分调节器的传递函数为（8-13）)1 ()()()(sKsEsUsGdpcPD 调节中的微分调节部分对于的变)(te化非常敏感。偏差一有变动， u(t)值随之变)(te化，变化愈剧烈，则 u(t)变化愈大。若正)(te)(te向变动(不断增大)，则 u(t)值增大；若负向)(te变 动(不断减小)，则 u(t)值减小。 e. 比例加积分调节(PI 调节) 若调节器的输出既与偏差信号成正比，又与 偏差信号对时间的积分成正比，则称这种调节
8、器为比例加积分调节器，简称 PI 调节器。采 用 PI 调节规律的系统称为比例加积分控制系统。 PI 调节的结构如图 4-4 所示。PI 调节器的输出为式中：表示比例系数，为积分时间常数。和二者都是可调的参数。不过，通过pKipKi)(1)()(0tipdtteteKtu图 8-8 比例加微分调节U(s) )1 (SKdpGc(s)B(s)E(s)R(s)+图 8-9 比例加积分调节U(s)Gc(s)E(s)R(s)+)11 (sKip积分时间常数只能调节积分控制规律；而改变比例系数，则同时对比例控制规律及ipK积分控制规律都有影响。 PI 调节器的传递函数为)11 ()()()(sKsEsUsGipcPI 控制不仅给系统引进了一个纯积分环节，并且还引进了一个开环零点。纯积分环节 提高了系统的无差度阶数(即系统的类型)，改善了系统的稳态性能。但其缺点是使系统的 稳定性下降，不过，由于附加的零点又能改善系统的稳定性能，所以，的零点正好)(sGc弥补了积分环节的缺点。综上所述，PI 控制不仅改善了系统的稳态性能(即稳态误差)，而 且对系统的稳定性影响不大。PID 等控制算法是在对被控对象建立数学模型(传递函数、状态方程)的基础上实现的。 但实际的生物环境系统是复杂的，往往很难确定这些变化过程的传递因数和状态方程。近 年来在模糊控制论基础上发展起来的所谓模糊控制，适应了复杂系统的控制。
