《pid控制原理知识》由会员分享，可在线阅读，更多相关《pid控制原理知识（131页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 PID控制原理PID控制原理 PID控制的特点PID控制的特点 比例控制(P控制)比例控制(P控制) 比例积分控制(PI控制)比例积分控制(PI控制) 比例积分微分控制(PID控制)比例积分微分控制(PID控制) 数字PID控制数字PID控制 利用MATLAB实现PID控制规律利用MATLAB实现PID控制规律 2 PID控制的特点PID控制的特点 PID 控制是比例积分微分控制PID 控制是比例积分微分控制 （Proportional-Integral-Differential）（Proportional-Integral-Differential） 历史最久、应用最广，适应性最强的控制
2、方 式 历史最久、应用最广，适应性最强的控制方 式 在工业生产过程中，PID控制算法占85%90%在工业生产过程中，PID控制算法占85%90% 3 反馈控制 反馈控制 根据误差进行的控制根据误差进行的控制 给定（目标） 输出（控制结果） 给定（目标） 输出（控制结果） PID控制的特点PID控制的特点 4 反馈控制反馈控制 控制器控制器执行器被控对象 测量 执行器被控对象 测量/变送器变送器 - + 目标误差输出目标误差输出 广义对象广义对象 PID PID控制的特点PID控制的特点 5 常规PID控制系统的原理常规PID控制系统的原理 输入：控制偏差e ( t ) = r ( t ) -
3、y ( t ) 输入：控制偏差e ( t ) = r ( t ) - y ( t ) 输出：偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合 输出：偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合 ) )( )( 1 )()( 0 dt tde Tdtte T teKtu D t I c 式中 式中 Kc 比例系数 比例系数 TI 积分时间常数 积分时间常数 TD 微分时间常数 微分时间常数 PID控制的特点PID控制的特点 6 PID控制具有以下优点PID控制具有以下优点： 原理简单，使用方便。 适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油 以及造纸、建材等各种生产部门。 鲁棒性强，即
4、其控制品质对被控对象特性的变化不大 敏感。 对模型依赖少。 原理简单，使用方便。 适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油 以及造纸、建材等各种生产部门。 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大 敏感。 对模型依赖少。 按 PID控制进行工作的自动调节器早已商品化。按 PID控制进行工作的自动调节器早已商品化。 PID控制的特点PID控制的特点 7 在过程控制中，绝大部分都采用 PID控制。 例外的情况有两种。 在过程控制中，绝大部分都采用 PID控制。 例外的情况有两种。 一种是被控对象易于控制而控制要求又不高一种是被控对象易于控制而控制要求又不高 的，可以采用更简单的开关控制
5、方式。的，可以采用更简单的开关控制方式。 另一种是被控对象特别难以控制而控制要求 又特别高的情况，这时如果 PID控制难以达 到生产要求就要考虑采用更先进的控制方法。 另一种是被控对象特别难以控制而控制要求 又特别高的情况，这时如果 PID控制难以达 到生产要求就要考虑采用更先进的控制方法。 PID控制的特点PID控制的特点 8 比例调节(P调节)比例调节(P调节) 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 比例控制的特点比例控制的特点 比例带对控制过程的影响比例带对控制过程的影响 9 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 在 P调节中，调节器的输出信号u与偏差 信
6、号e成比例，即 在 P调节中，调节器的输出信号u与偏差 信号e成比例，即 uK uKc ce e 式中，K式中，Kc c称为比例增益(视情况可设置为正 或负)。 称为比例增益(视情况可设置为正 或负)。 10 在实际应用中，由于执行器的运动（如阀 门开度）有限，控制器的输出u(t)也就被限制 在实际应用中，由于执行器的运动（如阀 门开度）有限，控制器的输出u(t)也就被限制 在一定的范围之内在一定的范围之内 换句话说，在K 换句话说，在Kc c较大时，偏差e(t)仅在一定 的范围内与控制器的输出保持线性关系。 较大时，偏差e(t)仅在一定 的范围内与控制器的输出保持线性关系。 比例控制的调节规
7、律和比例带比例控制的调节规律和比例带 11 图1说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围图1说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围 图中偏差在-50%-50%范围变化时，图中偏差在-50%-50%范围变化时， 如果Kc=1，则控制器输出u(t)变化在0100%范围（对应阀门 的全关到全开），并与输入e(t)之间保持线性关系。 如果Kc=1，则控制器输出u(t)变化在0100%范围（对应阀门 的全关到全开），并与输入e(t)之间保持线性关系。 Kc1时，制器输出u(t)与输入e(t)之间的线性关系只在 -50%/Kc50%/Kc满足 Kc1时，制器输出u(t)与输入e(t)之间的线性关系只在 -5
8、0%/Kc50%/Kc满足。 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 12 当|e(t)|超出该范围时，控制器输出具有饱和特 性，保持在最小或最大值。 当|e(t)|超出该范围时，控制器输出具有饱和特 性，保持在最小或最大值。 因此，比例控制有一定的应用范围，超过该范围 因此，比例控制有一定的应用范围，超过该范围 时，控制器输出与输入之间不成比例关系。时，控制器输出与输入之间不成比例关系。 这表明，从局部范围看，比例控制作用表示控制 输出与输入之间是线性关系，但从整体范围看，两者 这表明，从局部范围看，比例控制作用表示控制 输出与输入之间是线性关系，但从整体范围看，两者 之间是非
9、线性关系。之间是非线性关系。 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 13 P调节对偏差信号能做出及时 反应，没有丝毫的滞后。 P调节对偏差信号能做出及时 反应，没有丝毫的滞后。 输出u实际上是对其起始值的 增量。因此，当偏差e为零， 因而u0时，并不意味着调节 器没有输出，它只说明此时有 输出u实际上是对其起始值的 增量。因此，当偏差e为零， 因而u0时，并不意味着调节 器没有输出，它只说明此时有 u=u0。 u0的大小是可以通过调整调节 器的工作点加以改变的。 的大小是可以通过调整调节 器的工作点加以改变的。 0 u0+Kce u0 u = Kc e 比例控制的调节规律和比例
10、带比例控制的调节规律和比例带 14 2比例带及其物理意义 比例带的定义 在过程控制中，通常用比例度表示控制输出 与偏差成线性关系的比例控制器输入（偏差）的范 围。因此，比例度又称为比例带，其定义为 2比例带及其物理意义 比例带的定义 在过程控制中，通常用比例度表示控制输出 与偏差成线性关系的比例控制器输入（偏差）的范 围。因此，比例度又称为比例带，其定义为 式中式中，为偏差信号范围，即仪表的量程；为偏差信号范围，即仪表的量程； 为控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范围。为控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范围。 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 15 比例控制的调节
11、规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都 是统一的标准信号，即 如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都 是统一的标准信号，即 ，则有，则有 此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比 例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100% 的开度变化，相应的比例增益就大。的开度变化，相应的比例增益就大。 3)-(4 %100 1 %100 c Ku e 16 具有重要的物理意义具有重要的物理意义 u 代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变100% 即从全关到全开时所
12、需要的被调量的变化范围。 u 代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。 例如，若测量仪表的量程为100，则50% 就表示被调量 需要改变50才能使调节阀从全关到全开。 例如，若测量仪表的量程为100，则50% 就表示被调量 需要改变50才能使调节阀从全关到全开。 当被调量处在当被调量处在“比例带比例带”以内以内 调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。 超出这个超出这个“比例带比例带”以外以外 调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保持比例关调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出
13、已不再保持比例关 系。系。 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 17 比例调节(P调节)比例调节(P调节) 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 比例控制的特点比例控制的特点 比例带对控制过程的影响比例带对控制过程的影响 18 比例调节的特点比例调节的特点 比例调节的显著特点就是有差调节。比例调节的显著特点就是有差调节。 19 比例调节的特点比例调节的特点 如果采用比例调节，则在负荷扰动下的 调节过程结束后，被调量不可能与设定值准 确相等，它们之间一定有残差。 如果采用比例调节，则在负荷扰动下的 调节过程结束后，被调量不可能与设定值准 确相等，它们之间一定有残
14、差。 因为根据比例调节的特点，只有调节器 的输入有变化,即被调量和设定值之间有偏 差,调节器的输出才会发生变化。 因为根据比例调节的特点，只有调节器 的输入有变化,即被调量和设定值之间有偏 差,调节器的输出才会发生变化。 20 a b e u K c 这里的杠杆充当了比 例调节器： 这里的杠杆充当了比 例调节器： 液位变化e是其输入；液位变化e是其输入； 阀杆位移u 是其输出；阀杆位移u 是其输出； 调节器的比例增益为：调节器的比例增益为： 该比例调节器是有余差的！该比例调节器是有余差的！ 余差的大小与比例增益有关，余差的大小与比例增益有关，Kc大，余差小。大，余差小。 液位比例控制系统示意图
15、液位比例控制系统示意图 比例调节的特点比例调节的特点 21 余差（或静差）是指：余差（或静差）是指： 被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成 的差值。 被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成 的差值。 余差的大小与调节器的放大系数K或比例带 有关 余差的大小与调节器的放大系数K或比例带 有关 放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；放大系数越小，即比例带越大，余差就越大； 放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用 越强，余差就越小。越强，余差就越小。 比例调节的特点比例调节的特点 22 比例控制是有差控制可以根据控制理论加以验。比例控制是有差控制可以
16、根据控制理论加以验。 因如果广义被控对象的传递函数 Gp(s)具有一阶惯 性加纯迟延的形式 因如果广义被控对象的传递函数 Gp(s)具有一阶惯 性加纯迟延的形式 则当控制器 Gc(s)采用比例控制时则当控制器 Gc(s)采用比例控制时 系统的开环传递函数可表示为系统的开环传递函数可表示为 s c s cpco e 1Ts KK e 1Ts K K(s)(s)GG(s)G 比例调节的特点比例调节的特点 23 当系统的输入在幅值为A的阶跃信号激励时，其响应 的稳态误差为 当系统的输入在幅值为A的阶跃信号激励时，其响应 的稳态误差为 由上式可知，该系统的稳态误差与输入的幅值成正由上式可知，该系统的稳态误差与输入的
