PID控制最新版本

1、編輯ppt1第第4章章 PIDPID控制控制1、什么是、什么是PID控制控制比例、積分、微分控制比例、積分、微分控制PID控制器是實(shí)際工業(yè)控制過(guò)程中控制器是實(shí)際工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最應(yīng)用最廣泛、最成功廣泛、最成功的一種控制方法。的一種控制方法。PID：Proportional Integral Derivative編輯ppt2PID控制控制：對(duì)偏差信號(hào)：對(duì)偏差信號(hào)e(t)進(jìn)行比例、積分和進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律。微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律。“利用偏差、消除偏差利用偏差、消除偏差”編輯ppt3控制器的控制規(guī)律就是控制器的控制規(guī)律就是u(t)與與e(t)之間的關(guān)系，之間

2、的關(guān)系，是在人工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)并發(fā)展的。是在人工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)并發(fā)展的?？刂破鞯幕究刂埔?guī)律有：控制器的基本控制規(guī)律有：比例、積分和微分比例、積分和微分編輯ppt4 反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制編輯ppt5人工操作過(guò)程分析人工操作過(guò)程分析以蒸汽加熱反應(yīng)釜為例：設(shè)反應(yīng)溫度：85度，輕微放熱反應(yīng) 操縱變量：蒸汽流量 被控變量：反應(yīng)溫度 干擾：蒸汽壓力、進(jìn)料流量等編輯ppt6人工操作（人工操作（1）：開(kāi)關(guān)控制）：開(kāi)關(guān)控制u 若溫度低于若溫度低于85度，蒸度，蒸汽閥門(mén)汽閥門(mén)全全開(kāi)開(kāi)u 若溫度高于若溫度高于85度，蒸度，蒸汽閥門(mén)汽閥門(mén)全全關(guān)關(guān)現(xiàn)象現(xiàn)象：溫度持續(xù)波動(dòng)，過(guò)：溫度持續(xù)波動(dòng)，過(guò)程處于振蕩

3、中。程處于振蕩中。結(jié)果結(jié)果：雙位控制規(guī)律控制：雙位控制規(guī)律控制品質(zhì)差，滿(mǎn)足不了生產(chǎn)要品質(zhì)差，滿(mǎn)足不了生產(chǎn)要求。求。編輯ppt7人工操作（人工操作（2）：比例控制）：比例控制u 溫度為溫度為85度，蒸汽閥門(mén)開(kāi)度是度，蒸汽閥門(mén)開(kāi)度是3圈圈u 若溫度高于若溫度高于85度，每高度，每高5度度就關(guān)就關(guān)一圈一圈閥門(mén)閥門(mén)u 若溫度低于若溫度低于85度，每低度，每低5度度就開(kāi)就開(kāi)一圈一圈閥門(mén)閥門(mén)即開(kāi)啟圈數(shù)即開(kāi)啟圈數(shù)3-1/5(y-85)相應(yīng)控制規(guī)律可寫(xiě)為：相應(yīng)控制規(guī)律可寫(xiě)為：u(0)：偏差為：偏差為0時(shí)控制器輸出時(shí)控制器輸出Kc：控制器比例放大倍數(shù)：控制器比例放大倍數(shù)編輯ppt8人工操作（人工操作（2）：比例

4、控制）：比例控制現(xiàn)象：現(xiàn)象：溫度控制得溫度控制得比較平穩(wěn)比較平穩(wěn)結(jié)果：結(jié)果：控制品質(zhì)有一定改善，但負(fù)荷變化控制品質(zhì)有一定改善，但負(fù)荷變化時(shí)，會(huì)有余差。時(shí)，會(huì)有余差。如工況有變動(dòng)，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)如工況有變動(dòng)，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)3圈時(shí)，溫度不圈時(shí)，溫度不再保持在再保持在85度。度。編輯ppt9人工操作（人工操作（3）：增加積分作用）：增加積分作用首先按照比例控制操作，然后不斷觀察首先按照比例控制操作，然后不斷觀察u 若溫度低于若溫度低于85度，度，慢慢地持續(xù)開(kāi)大閥門(mén)慢慢地持續(xù)開(kāi)大閥門(mén)u 若溫度高于若溫度高于85度，度，慢慢地持續(xù)開(kāi)小閥門(mén)慢慢地持續(xù)開(kāi)小閥門(mén)直到溫度回到直到溫度回到85度度即控制器輸出變化的速度與偏差

5、成正比：即控制器輸出變化的速度與偏差成正比：編輯ppt10KI：積分控制作用放大倍數(shù)積分控制作用放大倍數(shù)現(xiàn)象現(xiàn)象：只要有偏差，控制器輸出就不斷變化。：只要有偏差，控制器輸出就不斷變化。結(jié)果結(jié)果：輸出穩(wěn)定在設(shè)定的：輸出穩(wěn)定在設(shè)定的85度上，即消除了度上，即消除了余差。余差。編輯ppt11人工操作（人工操作（4）：增加微分作用）：增加微分作用 由于溫度過(guò)程容量滯后大，當(dāng)出現(xiàn)偏差由于溫度過(guò)程容量滯后大，當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)，其數(shù)值已經(jīng)較大，因此，補(bǔ)充經(jīng)驗(yàn)：根時(shí)，其數(shù)值已經(jīng)較大，因此，補(bǔ)充經(jīng)驗(yàn)：根據(jù)偏差變化的速度來(lái)開(kāi)啟閥門(mén)，從而抑制偏據(jù)偏差變化的速度來(lái)開(kāi)啟閥門(mén)，從而抑制偏差的幅度，使控制作用更加及時(shí)。差的幅度

6、，使控制作用更加及時(shí)。編輯ppt12 PID控制器的輸入輸出關(guān)系為：控制器的輸入輸出關(guān)系為：在很多情形下，在很多情形下，PID 控制并不一定需要控制并不一定需要全部的三項(xiàng)控制作用，而是可以方便靈全部的三項(xiàng)控制作用，而是可以方便靈活地改變控制策略，實(shí)施活地改變控制策略，實(shí)施P、PI、PD或或PID 控制?？刂?。編輯ppt132、PID控制的應(yīng)用場(chǎng)合？控制的應(yīng)用場(chǎng)合？當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握；當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握；得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)；它技術(shù)難以采用時(shí)；系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和

7、參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定。這時(shí)應(yīng)用這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便控制技術(shù)最為方便編輯ppt14編輯ppt153、比例（、比例（P）控制）控制 (現(xiàn)在現(xiàn)在）彈簧的伸長(zhǎng)彈簧的伸長(zhǎng)y y與力與力f f成比例，即成比例，即 y=k1f（k1=定值）定值）像彈簧這樣的環(huán)節(jié)稱(chēng)為像彈簧這樣的環(huán)節(jié)稱(chēng)為比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)編輯ppt163、比例（、比例（P）控制）控制 (現(xiàn)在現(xiàn)在）其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。其傳遞函數(shù)為其傳遞函數(shù)為:編輯ppt173、比例（、比例（P）控制）控制 (現(xiàn)在現(xiàn)在）偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)偏差一旦產(chǎn)

8、生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出（節(jié)控制輸出（在時(shí)間上沒(méi)有延遲在時(shí)間上沒(méi)有延遲），使被控量），使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大偏差減小的越越大偏差減小的越快?？臁?Kp是衡量比例作用強(qiáng)弱的參數(shù)。是衡量比例作用強(qiáng)弱的參數(shù)。編輯ppt18比例控制的作用比例控制的作用:1、對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的偏差信號(hào)、對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的偏差信號(hào)e（t）進(jìn)行放大或衰減后作為控制信進(jìn)行放大或衰減后作為控制信號(hào)輸出。號(hào)輸出。2、比例系數(shù)、比例系數(shù)Kp越大，控制作用越大，控制作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也越好，越強(qiáng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也越好，動(dòng)態(tài)

9、特性主要表現(xiàn)為起動(dòng)快，動(dòng)態(tài)特性主要表現(xiàn)為起動(dòng)快，對(duì)階躍設(shè)定跟隨的快。對(duì)階躍設(shè)定跟隨的快。編輯ppt19比例控制的作用比例控制的作用:3、對(duì)于有慣性的系統(tǒng)，、對(duì)于有慣性的系統(tǒng)， Kp過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)振蕩，影響系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)振蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。的穩(wěn)定性。4、比例控制控制雖能減少偏差，卻不能消、比例控制控制雖能減少偏差，卻不能消除靜態(tài)偏差。除靜態(tài)偏差。編輯ppt20缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下。節(jié)比較大的情況下。Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小，但是調(diào)減小，發(fā)生振蕩的可能性減小，但是調(diào)節(jié)速度變

10、慢。節(jié)速度變慢。單純的比例控制存在單純的比例控制存在:穩(wěn)態(tài)誤差不能消除的缺點(diǎn)。穩(wěn)態(tài)誤差不能消除的缺點(diǎn)。這里就需要這里就需要積分（積分（I）控制）控制。編輯ppt214、 積分（積分（I）控制規(guī)律（）控制規(guī)律（過(guò)去過(guò)去）：）： 設(shè)流入的流量為設(shè)流入的流量為x，活塞的移動(dòng)距離，活塞的移動(dòng)距離為為y，S為活塞的截面為活塞的截面積，積，t為時(shí)間。為時(shí)間。當(dāng)流入的流量為一定值當(dāng)流入的流量為一定值x x0 0時(shí)，可以得出：時(shí)，可以得出：y=x0t/S如果如果x x是變化的，即為是變化的，即為t t的函數(shù)，則的函數(shù)，則也就是說(shuō)，若以流入的流量也就是說(shuō)，若以流入的流量x作為輸入作為輸入，以移動(dòng)距離，以移動(dòng)距離

11、y作為輸出作為輸出，則油缸是個(gè)則油缸是個(gè)積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)。編輯ppt224、 積分（積分（I）控制規(guī)律（）控制規(guī)律（過(guò)去過(guò)去）：）： 具有積分控制規(guī)律的控制器稱(chēng)為具有積分控制規(guī)律的控制器稱(chēng)為積分積分(I)控制器控制器, 其傳遞函數(shù)為其傳遞函數(shù)為: 輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的關(guān)系：輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的關(guān)系：編輯ppt23帶控制器的系統(tǒng)輸入輸出示意圖帶控制器的系統(tǒng)輸入輸出示意圖控制器輸出信號(hào)的大小，不僅與偏差大小有關(guān)，還取決于偏控制器輸出信號(hào)的大小，不僅與偏差大小有關(guān)，還取決于偏差存在的時(shí)間長(zhǎng)短。差存在的時(shí)間長(zhǎng)短。只要有偏差存在，控制器的輸出就不斷變化。偏差存在時(shí)間只要有偏差存在，控制器的輸出就不斷變化

12、。偏差存在時(shí)間越長(zhǎng)，輸出信號(hào)的變化量越大，直到達(dá)到輸出極限。越長(zhǎng)，輸出信號(hào)的變化量越大，直到達(dá)到輸出極限。只有余差為只有余差為0，控制器的輸出才穩(wěn)定。，控制器的輸出才穩(wěn)定。編輯ppt24積分控制作用積分控制作用：1、積分控制作用是累積系統(tǒng)從零時(shí)刻（系、積分控制作用是累積系統(tǒng)從零時(shí)刻（系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻起到當(dāng)前的偏差信號(hào)統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻起到當(dāng)前的偏差信號(hào)e(t)的歷史的歷史過(guò)程。過(guò)程。2、積分控制的輸出與偏差、積分控制的輸出與偏差e(t)存在全部時(shí)存在全部時(shí)段有關(guān)，只要有足夠的時(shí)間，積分將能消段有關(guān)，只要有足夠的時(shí)間，積分將能消除靜態(tài)偏差。除靜態(tài)偏差。3、積分控制不能及時(shí)克服擾動(dòng)的影響。、積分控制不能及時(shí)克

13、服擾動(dòng)的影響。編輯ppt25積分控制作用積分控制作用總是滯后于偏差的存在，因總是滯后于偏差的存在，因此它不能有效地克服擾動(dòng)的影響，難以使此它不能有效地克服擾動(dòng)的影響，難以使得控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)，因此積分控制作用得控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)，因此積分控制作用很少單獨(dú)使用。很少單獨(dú)使用。比例作用比例作用的輸出與偏差同步，偏差大，輸?shù)妮敵雠c偏差同步，偏差大，輸出大，偏差小，輸出小，因此控制及時(shí)。出大，偏差小，輸出小，因此控制及時(shí)。而積分作用則不是。而積分作用則不是。編輯ppt26工業(yè)上常將比例作用與積分作用組合成比工業(yè)上常將比例作用與積分作用組合成比例積分控制規(guī)律。例積分控制規(guī)律。編輯ppt275、微分（、微分

14、（D）控制規(guī)律）控制規(guī)律 （將來(lái)將來(lái)）編輯ppt28微分（微分（D）控制規(guī)律）控制規(guī)律 （將來(lái)將來(lái)）求得活塞的移動(dòng)距離求得活塞的移動(dòng)距離y與作用于活塞的力與作用于活塞的力f之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：也就是說(shuō)，若以距離也就是說(shuō)，若以距離y作為輸入作為輸入，以力，以力f作為輸出作為輸出，則緩沖器可以稱(chēng)，則緩沖器可以稱(chēng)為為微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)。編輯ppt29微分控制器的輸出只與偏差的變化速度有微分控制器的輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，關(guān)，而與偏差存在與否無(wú)關(guān)而與偏差存在與否無(wú)關(guān)。因此，純粹的微分控制作用是無(wú)意義的，因此，純粹的微分控制作用是無(wú)意義的，一般都將微分控制作用與比例控制結(jié)合起一般都將微分控制作用與

15、比例控制結(jié)合起來(lái)使用。來(lái)使用。編輯ppt30微分控制的作用：微分控制的作用：1、微分控制的作用是有偏差信號(hào)、微分控制的作用是有偏差信號(hào)e（t）的當(dāng)?shù)漠?dāng)前變化率前變化率de/dt預(yù)見(jiàn)隨后的偏差將是增大還是預(yù)見(jiàn)隨后的偏差將是增大還是減少，增減的幅度如何。減少，增減的幅度如何。2、微分控制的作用正比于偏差信號(hào)、微分控制的作用正比于偏差信號(hào)e（t）的的當(dāng)前變化率，只能對(duì)偏差信號(hào)當(dāng)前變化率，只能對(duì)偏差信號(hào)e（t）變化的變化的速度其反應(yīng)，對(duì)于一個(gè)固定不變的偏差速度其反應(yīng)，對(duì)于一個(gè)固定不變的偏差e（t）無(wú)論其數(shù)值多大，根本不會(huì)有微分作用輸出。無(wú)論其數(shù)值多大，根本不會(huì)有微分作用輸出。編輯ppt31微分控制的作

16、用：微分控制的作用：3、由于只能在、由于只能在偏差剛剛出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生很大的控偏差剛剛出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生很大的控制作用，制作用，微分控制可以加快微分控制可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的快速性，并減少調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的快速性，并且有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，從而提高且有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，從而提高系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性，但不能消除系統(tǒng)的，但不能消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差靜態(tài)偏差。編輯ppt32 PID控制的基本形式可用下圖表示?？刂频幕拘问娇捎孟聢D表示。 如果用如果用e=(r-y)表示偏差，則表示偏差，則PID控制變?yōu)椋嚎刂谱優(yōu)椋壕庉媝pt33。它們是影響控制規(guī)律特性的參

17、數(shù)，統(tǒng)稱(chēng)為反饋增益。它們是影響控制規(guī)律特性的參數(shù)，統(tǒng)稱(chēng)為反饋增益。TI(=kP/kI) 稱(chēng)為積分時(shí)間，稱(chēng)為積分時(shí)間，TD(=kD/kP) 稱(chēng)為微分時(shí)間，分稱(chēng)為微分時(shí)間，分別具有時(shí)間量綱。別具有時(shí)間量綱。編輯ppt34 PID控制規(guī)律的離散形式為控制規(guī)律的離散形式為:式中，式中，T為采樣周期；為采樣周期；e(n)為第為第n次采樣的偏差值；次采樣的偏差值；e(n-1)為第為第n-1次采樣時(shí)的偏差值。次采樣時(shí)的偏差值。編輯ppt35PID控制器的三個(gè)參數(shù)有不同的控制作用?？刂破鞯娜齻€(gè)參數(shù)有不同的控制作用。（1）P控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。器。在控制系

18、統(tǒng)中，增大在控制系統(tǒng)中，增大kP可加快響應(yīng)速度，但過(guò)大可加快響應(yīng)速度，但過(guò)大容易出現(xiàn)振蕩；容易出現(xiàn)振蕩；（2）積分控制器能消除或減弱穩(wěn)態(tài)偏差，但它的存）積分控制器能消除或減弱穩(wěn)態(tài)偏差，但它的存在會(huì)使系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)，限制系統(tǒng)的快速性；在會(huì)使系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)，限制系統(tǒng)的快速性；編輯ppt36（3）微分控制規(guī)律能反映輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，）微分控制規(guī)律能反映輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，相對(duì)比例控制規(guī)律而言具有預(yù)見(jiàn)性，增加了系相對(duì)比例控制規(guī)律而言具有預(yù)見(jiàn)性，增加了系統(tǒng)的阻尼程度，有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，統(tǒng)的阻尼程度，有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的跟蹤速度，但對(duì)使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的跟蹤速度，但對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感。輸入信號(hào)的噪聲很敏感。編輯ppt37 圖中為同一對(duì)象圖中為同一對(duì)象在各種不同的控制規(guī)在各種不