PID系統(tǒng)校正綜述課件

1、 在研究系統(tǒng)校正裝置時(shí), 為了方便, 將系統(tǒng)中除了校正裝置以外的部分, 包括被控對(duì)象及控制器的基本組成部分一起, 稱為“原有部分”(亦稱固有部分或不可變部分)。 因此, 控制系統(tǒng)的校正, 就是按給定的原有部分和性能指標(biāo), 設(shè)計(jì)校正裝置。 校正中常用的性能指標(biāo)包括穩(wěn)態(tài)精度、 相對(duì)穩(wěn)定裕量以及響應(yīng)速度等。 第5章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正 5.1校正的基本概念第1頁，共29頁。校正：采用適當(dāng)方式，在系統(tǒng)中加入一些參數(shù)可調(diào)整的 裝置（校正裝置），用以改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步 提高系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)滿足指標(biāo)要求。校正方式： 串聯(lián)校正， 反饋校正， 復(fù)合校正圖5-1 校正方式第2頁，共29頁。C(s)G c (s

2、) G0 (s) H (s) R(s)+_圖5-2 串聯(lián)校正串聯(lián)校正比反饋校正更易于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種必要形式的變換。圖中，G0(s)和H(s) 為系統(tǒng)的不可變部分，Gc(s) 為校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)第3頁，共29頁。校正前系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：串聯(lián)校正后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)： 第4頁，共29頁。 G2(s) C(s)H (s)G1(s) Gc(s) R(s)+_+圖 53 局部反饋校正反饋校正可以消除系統(tǒng)不可變部分中為反饋所包圍那部分的參數(shù)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。第5頁，共29頁。第6頁，共29頁。選擇何種校正裝置, 主要取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、 采用的元件、信號(hào)的性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)條件及設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)等。

3、控制系統(tǒng)的校正不會(huì)像系統(tǒng)分析那樣只有單一答案, 也就是說,能夠滿足性能指標(biāo)的校正方案不是唯一的。在進(jìn)行校正時(shí)還應(yīng)注意, 性能指標(biāo)不是越高越好, 因?yàn)樾阅苤笜?biāo)太高會(huì)提高成本。另外當(dāng)所要求的各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生矛盾時(shí), 需要折衷處理。 第7頁，共29頁。5.2 PID基本控制規(guī)律及對(duì)性能的影響5.2.1 比例（P）控制器5.2.2 比例微分（PD）控制器5.2.4 比例積分微分（PID）控制器5.2.3 比例積分（PI）控制器第8頁，共29頁。PID控制器介紹PID含義：比例、積分、微分 歷史:70多年特點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完

4、全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 第9頁，共29頁。5.2.1比例(P)控制規(guī)律1. 比例(P)控制規(guī)律比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 微分方程：傳遞函數(shù)：Gc(s)Kp比例控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。在串聯(lián)

5、校正中, 加大控制器增益Kp , 可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益, 減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差, 從而提高系統(tǒng)的控制精度, 但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性, 甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此, 在系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)中, 很少單獨(dú)使用比例控制規(guī)律。具有比例控制規(guī)律的控制器, 稱為比例(P)控制器。第10頁，共29頁?！纠?-1】：圖為一系統(tǒng)框圖，圖中 為隨動(dòng)系統(tǒng)的固有部分其開環(huán)傳遞函數(shù)為： 若其中K1=35，T1=0.2s，T2=0.01s。(P142) 第11頁，共29頁。matlab仿真原系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性較差，系統(tǒng)超調(diào)量較大，振蕩次數(shù)較多。 第12頁，共29頁。降低系統(tǒng)增益后： 使系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性改善，超調(diào)量下降，振蕩次

6、數(shù)減少。 增益降低為原來的1/2，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度變差。綜上所述：降低增益，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性改善，但使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度變差。當(dāng)然，若增加增益，系統(tǒng)性能變化與上述相反。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的增益，在系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度之間作某種折衷的選擇，以滿足(或兼顧)實(shí)際系統(tǒng)的要求，是最常用的調(diào)整方法之一 系統(tǒng)存在問題：超調(diào)量仍很大：50%，這是由于系統(tǒng)有一個(gè)積分和兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)造成的。第13頁，共29頁。 PD控制器中的微分控制規(guī)律, 能反應(yīng)輸入信號(hào)的變化趨勢(shì), 產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào), 以增加系統(tǒng)的阻尼程度, 從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。5.2.

7、2 比例-微分(PD)控制規(guī)律D的微分方程：PD傳遞函數(shù)：Gc(s)Kp(1Tds)=Kp+KdsD的傳遞函數(shù)：Gc(s)Kds具有比例-微分控制規(guī)律的控制器, 稱為比例-微分(PD)控制器第14頁，共29頁。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。原因：由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法：是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變

8、化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 第15頁，共29頁。傳遞函數(shù)：1.比例-微分(PD)控制器裝置具有比例-積分控制規(guī)律的控制器，稱為PD控制器。第16頁，共29頁。2.例5-1(P108)采用PD校正的仿真第17頁，共29頁。第18頁，共29頁。結(jié)論：增設(shè)PD校正裝置后： 比例微分環(huán)節(jié)可以抵消慣性環(huán)節(jié)使相位滯后的不良后果，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性顯著改善。 使調(diào)整時(shí)間減少調(diào)整時(shí)間ts由2.5秒0.1秒。 比例微分調(diào)節(jié)器使系統(tǒng)

9、的高頻增益增大，而很多干擾信號(hào)都是高頻信號(hào)，因此比例微分校正容易引入高頻干擾，這是它的缺點(diǎn)。 比例微分校正對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不產(chǎn)生直接的影響。綜上所述，比例微分校正將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性改善，但抗高頻干擾能力明顯下降。第19頁，共29頁。5.2.3 比例-積分(PI)控制規(guī)律其中Kp為可調(diào)比例系數(shù), Ti為可調(diào)積分時(shí)間常數(shù)。 具有比例-積分控制規(guī)律的控制器, 稱為比例-積分(PI)控制器。I的微分方程：I的傳遞函數(shù)：PI的傳遞函數(shù)：Gc(s)Kp11/(Tis)=KP+KI/s在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 第20頁，共29頁。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存

10、在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。積分控制在誤差的同時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只要積分時(shí)間常數(shù)Ti足夠大, PI控制器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱。在實(shí)際控制系統(tǒng)中, PI控制器主要用來改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積 分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。 第21頁，共29頁。

11、傳遞函數(shù)：比例-積分(PI)控制器(Proportional Integral Compensation)(相位滯后校正) 裝置第22頁，共29頁。K13.2，T10.33s，T20.036s 系統(tǒng)校正前不能實(shí)現(xiàn)無靜差【例5-2】調(diào)速系統(tǒng)：PI校正傳遞函數(shù)為：( P145)第23頁，共29頁。比例積分校正將使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到明顯的改善，但使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。第24頁，共29頁。1、比例-積分-微分（PID）調(diào)節(jié)器C15.2.4 比例-積分-微分(PID)控制器(相位滯后-超前校正) 第25頁，共29頁。將此系統(tǒng)中固有部分合并后如下圖所示 【例-3】：PID校正分析（P149)第26頁，共29

12、頁。第27頁，共29頁。 PID的積分作用改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。使對(duì)輸入等速信號(hào)由有靜差變?yōu)闊o靜差)。 由于PID調(diào)節(jié)器微分部分的作用使得超調(diào)量減小，振蕩次數(shù)減少，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能(相對(duì)穩(wěn)定性和快速性均有改善)。 微分部分影響會(huì)降低系統(tǒng)的抗高頻干擾的能力。綜上所述，比例積分微分(PID)校正兼顧了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的改善，結(jié)論：在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中, 廣泛使用PID控制器。 PID控制器各部分參數(shù)的選擇, 將在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)最后確定。第28頁，共29頁。小 結(jié)系統(tǒng)校正就是在原有的系統(tǒng)中，有目的地增添一些裝置(或部件)，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)的性能獲得改善，以滿足所要求的性能指標(biāo)。 系統(tǒng)校正可分為串聯(lián)校正、反饋校正和順饋補(bǔ)償(3）PID校正： 加大控制器增益Kp , 可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益, 減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差, 從而提高系統(tǒng)的控制精度, 但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性, 甚至可能造成閉