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1、第五章 数字PID控制器 计算机控制系统的设计，是指在给定系计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。规律和相应的数字控制算法。常规控制技术介绍数字控制器的连续常规控制技术介绍数字控制器的连续化设计技术和离散化设计技术；化设计技术和离散化设计技术；复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级控制、前馈控制、前馈反馈控制、解耦控制、模糊控反馈控制、解耦控制、模糊控制。制。2022/11/2531 1用经典控制理论设计连续系统模拟调节器，然后用经典控制理论设计连续系统模拟调节器，然后用
2、计算机进行数字模拟，这种方法称为模拟化设计用计算机进行数字模拟，这种方法称为模拟化设计方法。方法。2 2应用采样控制理论直接设计数字控制器，这是一应用采样控制理论直接设计数字控制器，这是一种直接设计方法（或称离散化设计）种直接设计方法（或称离散化设计）数字数字PIDPID控制器的设计是按照控制器的设计是按照 1 1 进行的。进行的。连续生产过程中连续生产过程中,设计数字控制器的两种方法设计数字控制器的两种方法:5.1 数字控制器的连续化设计技术控制系统的设计问题由三个基本要素组成，它们是模型、指控制系统的设计问题由三个基本要素组成，它们是模型、指标和容许控制，三者缺一不可。性能指标的提法随设计
3、方法标和容许控制，三者缺一不可。性能指标的提法随设计方法的不同而不同，最常见的有时域指标、频域指标、零极点分的不同而不同，最常见的有时域指标、频域指标、零极点分布及二次型积分指标等。布及二次型积分指标等。+_ _图图4-1 4-1 计算机控制系统的结构图计算机控制系统的结构图数字数字控制器控制器零阶零阶保持器保持器被控被控对象对象e e(t t)e e(k k)u u(k k)u u(t t)r r(t t)y y(t t)T TT T扰动扰动v v(t)(t)l稳态性能指标稳态性能指标l动态性能指标动态性能指标l抗干扰性能抗干扰性能l对控制作用的限制对控制作用的限制 计算机控制系统的结构图：
4、计算机控制系统的结构图：这是一个采样系统的框图：控制器这是一个采样系统的框图：控制器D(z)D(z)的输入量是偏差，的输入量是偏差，U(k)U(k)是控制量是控制量H(s)H(s)是零阶保持器是零阶保持器G(s)G(s)是被控对象的传递函数是被控对象的传递函数 数字控制器的连续化设计步骤数字控制器的连续化设计步骤 1.1.假想的连续控制器假想的连续控制器D(S)D(S)设设计计的的第第一一步步就就是是找找一一种种近近似似的的结结构构，来来设设计计一一种种假假想想的的连连续控制器续控制器D(S)D(S)，这时候我们的结构图可以简化为：，这时候我们的结构图可以简化为：已已知知G(S)G(S)来来求
5、求D(S)D(S)的的方方法法有有很很多多种种，比比如如频频率率特特性性法法、根根轨轨迹迹法法等。等。2.选择采样周期T 香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率。在计香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率。在计算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶保持器算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶保持器H(H(s s)来实现。零阶来实现。零阶保持器的传递函数为：保持器的传递函数为：其频率特性为其频率特性为其频率特性为其频率特性为 从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号产生附加相移从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号产生附加相移(滞后滞后)。对于小的采样周期，
6、可把零阶保持器。对于小的采样周期，可把零阶保持器H(H(s s)近似为：近似为：我们能从上式得出什么结论呢？我们能从上式得出什么结论呢？上上式式表表明明，当当T T很很小小时时，零零阶阶保保持持器器H(H(s s)可可用用半半个个采采样样周周期期的的时时间间滞滞后后环环节节来来近近似似。它它使使得得相相角角滞滞后后了了。而而在在控控制制理理论论中中，大大家家都都知知道道，若若有有滞滞后后的的环环节节，每每滞滞后后一一段段时时间间，其其相相位位裕裕量量就就减减少少一一部部分分。我我们们就就要要把把相相应应减减少少的的相相位位裕裕量量补补偿偿回回来来。假假定定相相位位裕量裕量可减少可减少5 515
7、15，则采样周期应选为：，则采样周期应选为：其中其中C C是连续控制系统的是连续控制系统的剪切频率剪切频率。按上式的经验法选择的采样周期相当短。因此，采用连续按上式的经验法选择的采样周期相当短。因此，采用连续化设计方法，用数字控制器去近似连续控制器，要有相当短的化设计方法，用数字控制器去近似连续控制器，要有相当短的采样周期。采样周期。3.将D(s)离散化为D(z)(1)(1)双线性变换法双线性变换法 (2)(2)前向差分法前向差分法 (3)(3)后向差分法后向差分法 (1)双线性变换法 双线性变换或塔斯廷（双线性变换或塔斯廷（TustinTustin）近似）近似双线性变换也可从数值积分的梯形法
8、对应得到。设积分控制规律为双线性变换也可从数值积分的梯形法对应得到。设积分控制规律为 两边求拉氏变换后可推导得出控制器为两边求拉氏变换后可推导得出控制器为当用梯形法求积分运算可得算式如下当用梯形法求积分运算可得算式如下上式两边求上式两边求Z Z变换后可推导得出数字控制器为变换后可推导得出数字控制器为 (2)前向差分法 利用级数展开可将利用级数展开可将Z=eZ=esTsT写成以下形式写成以下形式 Z=eZ=esTsT=1+sT+=1+sT+1+sT 1+sT 由上式可得由上式可得 前向差分法也可由数值微分中得到。设微分控制规律为前向差分法也可由数值微分中得到。设微分控制规律为两边求拉氏变换后可推
9、导出控制器为两边求拉氏变换后可推导出控制器为两边求拉氏变换后可推导出控制器为两边求拉氏变换后可推导出控制器为采用前向差分近似可得采用前向差分近似可得采用前向差分近似可得采用前向差分近似可得上式两边求上式两边求上式两边求上式两边求Z Z变换后可推导出数字控制器为变换后可推导出数字控制器为变换后可推导出数字控制器为变换后可推导出数字控制器为(3)后向差分法 利用级数展开还可将利用级数展开还可将Z=eZ=esTsT写成以下形式写成以下形式4.设计由计算机实现的控制算法 数字控制器数字控制器D(Z)D(Z)的一般形式为下式，其中的一般形式为下式，其中nm,nm,各各系数系数a ai i,b,bi i为
10、实数，且有为实数，且有n n个极点和个极点和m m个零点。个零点。U(z)=(-aU(z)=(-a1 1z z-1-1-a-a2 2z z-a-an nz z-n-n)U(z)+(b)U(z)+(b0 0+b+b1 1z z-1-1+b+bm mz z-m m)E(z)E(z）上式用时域表示为上式用时域表示为 u(k)=-au(k)=-a1 1u(k-1)-au(k-1)-a2 2u(k-2)-u(k-2)-a-an nu(k-n)u(k-n)+b +b0 0e(k)+be(k)+b1 1e(k-1)+e(k-1)+b+bm me(k-m)e(k-m)5.校验 控控制制器器D(z)D(z)设设
11、计计完完并并求求出出控控制制算算法法后后，须须按按图图4-14-1所所示示的的计计算算机机控控制制系系统统检检验验其其闭闭环环特特性性是是否否符符合合设设计计要要求求，这这一一步步可可由由计计算算机机控控制制系系统统的的数数字字仿仿真真计计算算来来验验证证，如如果满足设计要求设计结束，否则应修改设计。果满足设计要求设计结束，否则应修改设计。2022/11/2517u 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为简称为PIDPID调节器，是在连续系统中技术最为成熟，调节器，是在连续系统中技术最为成熟，应用最为广泛的一种调节器。应用最为广泛的一种调节器。u
12、 PIDPID调节器结构简单、参数易于调整，当被控对调节器结构简单、参数易于调整，当被控对象精确数学模型难以建立、系统的参数又经常发生象精确数学模型难以建立、系统的参数又经常发生变化时，应用变化时，应用PIDPID控制技术，在线整定最为方便。控制技术，在线整定最为方便。u 在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PIDPID算法代替了模拟算法代替了模拟PIDPID调节器。调节器。5.2 PID控制器设计控制器设计 设计方法：数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所设计方法：数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在有的零阶保持器和
13、采样器，在S S域中按连续系统进行初步设计，域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离散化为求出连续控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。数字控制器，并由计算机来实现。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而且控制性能要求不太高的情况。PID控制器是实际工业控制过程中应用最广泛、最成功的一种控制方法。一、PID控制器基本结构PIDG（S）yryoeuPID：Proportional Integral DerivativePID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换 后形成的一种控制规律。“利用偏
14、差、消除偏差利用偏差、消除偏差”PID控制器的输入输出关系为：相应的传递函数为：在很多情形下，PID 控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。2022/11/2521模拟模拟PIDPID调节器调节器 图图l l 模拟模拟PIDPID控制控制 PIDPID控制器是一种线性控制器；控制器是一种线性控制器；根据对象的特性和控制要求，可根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。灵活地改变其结构。2022/11/2522PIDPID调节器的基本结构调节器的基本结构1.比例调节器比例调节器 2.积分调节器积分调节器3.微分调节器微分调节器
15、 4.比例积分比例积分5.比例微分比例微分6.比例积分微分调节器比例积分微分调节器 1 1、P P（比例）控制比例）控制 R2R1ui(t)uo(t)-+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 控制器输出信号的起始值 增量形式 2022/11/2525控制规律：控制规律：其中：其中：为比例系数；为比例系数；为为控制量的基准控制量的基准。比例调节的特点：比例调节的特点：比例调节器对于偏差是即时比例调节器对于偏差是即时反应，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作反应，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强
16、弱取决于比例系数。只有当偏差发生变用的强弱取决于比例系数。只有当偏差发生变化时，控制量才变化。化时，控制量才变化。比例调节器比例调节器缺点：缺点：不能消除静差；不能消除静差；过大，会过大，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。导致闭环不稳定。图图2 P2 P调节器的阶跃响应调节器的阶跃响应 浮浮球球为为水水位位传传感感器器，杠杠杆杆为为控控制制器器，活活塞塞阀阀为为执执行行器器。如如果果某某时时刻刻Q2加加大大，造造成成水水位位下下降降，则则浮浮球带动活塞提高，使球带动活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。如果如果e=0，则
17、活塞，则活塞无法提高，无法提高，Q1 无法加大无法加大，调节无法进行。，调节无法进行。例：自力式液位比例控制系统：例：自力式液位比例控制系统：比例控制过程比例控制过程Q2htepQ1tttt 原来系统处于平衡，原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。时进水阀有一开度。t=0时，出水量阶跃增时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。下移带动进水阀开大。当进水量增加到与出当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。衡，液位也不再变化。1.PID控制原理-比例控制比例增益习惯上使用比例
18、带表示比例控制作用的强弱。在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度P来表来表示比例控制作用的强弱。示比例控制作用的强弱。所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。式中式中e为输入偏差；为输入偏差；y为控制器输出的变化量；为控制器输出的变化量；（xmax-xmin）为测量输入的最大变化量，即控制器）为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；（的输入量程；（ymax ymin）为输出的最大变化量，）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程
19、。即控制器的输出量程。如果控制器输入、输出量程相等，则如果控制器输入、输出量程相等，则:比例度比例度:yxxrxmaxxminyminymax比比例例度度除除了了表表示示控控制制器器输输入入和和输输出出之之间间的的增增益益外外，还还表表明明比比例例作作用用的的有效区间。有效区间。比例度比例度P的物理意义：的物理意义：使使控控制制器器输输出出变变化化100%时时，所所对对应应的的偏偏差差变变化相对量。如化相对量。如P=50%表明：表明：控制器输入偏差控制器输入偏差变化变化50%，就可使控，就可使控制器输出变化制器输出变化100%，若输入偏差变化超过若输入偏差变化超过此量，则控制器输出此量，则控制
20、器输出饱和，不再符合比例饱和，不再符合比例关系。关系。yxxr0100%50%xmaxxminP=50%P=100%例例 某某比比例例控控制制器器，温温度度控控制制范范围围为为400800，输输出出信信号号范范围围是是420mA。当当指指示示指指针针从从600变变到到700时时，控控制制器器相相应应的的输输出出从从8mA变变为为16mA。求设定的比例度。求设定的比例度。解解答答 温温度度的的偏偏差差在在输输入入量量程程的的50区区间间内内（即（即200）时，）时，e和和y是是2倍的关系。倍的关系。y/mAx/e420800400P=50%1.PID控制原理-比例控制特特 点点（1）有差调节：-
21、只有当偏差e不为零时，控制器才会有输出 -利用偏差实现控制 -只能使系统被控量输出近似跟踪给定值。1.PID控制原理-比例控制特特 点点（2）比例控制的稳态误差随比例带的增大而增大 增大比例增益Kc，会使系统振荡加剧，稳定性变差，但是可以减小系统的稳态误差，加快系统的响应速度。1.PID控制原理-比例控制特特 点点（3）定值控制系统：实现被控量对给定值的有差跟踪。随动控制系统：跟踪误差会随时间的增大而增大。适用于控制通道滞后小，负荷变化不大，控制要求不高，被控参数在一定范围内允许有余差的定值控制场合。P控制对系统性能的影响：Kp1时：a.开环增益加大，稳态误差减小；b.剪切频率增大，过渡过程时
22、间缩短；c.系统稳定程度变差。Kp1时，对系统性能的影响正好相反。2 2、I I（积分）控制积分）控制 CRui(t)uo(t)-+2.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 积分速度控制器输出信号的起始值 积分时间q积积分分作作用用具具有有保保持持功功能能，故积分控制可以消除余差。故积分控制可以消除余差。q积积分分输输出出信信号号随随着着时时间间逐逐渐渐增增强强，控控制制动动作作缓缓慢慢，故积分作用不单独使用。故积分作用不单独使用。当当有有偏偏差差存存在在时时，积积分分输输出出将将随随时时间间增增长长（或或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。减小）
23、；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。eEtty2.PID控制原理-积分控制特特 点点（1）一种无差调节，提高系统的稳态控制精度。（2）使系统的相频特性滞后90o，造成控制作用不及时，使系统的动态品质变差，过渡过程比较缓慢。可见，积分控制是牺牲了动态品质来换取稳态性能的改善。（3）增大积分速度可以在一定程度上提高系统的响应速度，但却会加剧系统的不稳定程度，使系统振荡加剧。3 3、D D（微分）控制微分）控制 RCui(t)uo(t)-+3.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对时间的导数比例关系 ttOeOe=A根据变化趋势提前动作。单纯的微分控制器是不能工作的，只能起辅
24、助调节作用。q 微微分分作作用用能能超超前前控控制制。在在偏偏差差出出现现或或变变化化的的瞬瞬间间，微微分分立立即即产产生生强强烈烈的的调调节节作作用用，使使偏偏差差尽尽快快地地消消除除于于萌萌芽状态之中。芽状态之中。q微微分分对对静静态态偏偏差差毫毫无无控控制制能能力力。当当偏偏差差存存在在，但但不不变变化化时时，微微分分输输出出为为零零，因因此此不不能能单单独独使使用用。必须和必须和P或或PI结合，组成结合，组成PD控制或控制或PID控制。控制。v 微分控制的特点微分控制的特点eEtty2022/11/25444 4、比例积分调节器、比例积分调节器控制规律：控制规律：积分调节的特点：积分调
25、节的特点：调节器的输出与偏差调节器的输出与偏差存在的时间有关。只要偏差不为零，输存在的时间有关。只要偏差不为零，输出就会随时间不断增加，并减小偏差，出就会随时间不断增加，并减小偏差，直至消除偏差，控制作用不再变化，系直至消除偏差，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。统才能达到稳态。其中：其中：为积分时间常数。为积分时间常数。缺点：缺点：降低响应速度。降低响应速度。图图3 PI调节器的阶跃响应调节器的阶跃响应00upKpK0tiTut110t0et将比例与积分组合起来将比例与积分组合起来既能控制及时，又能消除余差既能控制及时，又能消除余差。比例环节积分环节4.PID控制原理-比例积分控制增量形式
26、 传递函数 积分时间常数 当当 e(t)=e0 1(t)u(t)=Kp e0+Kp e0/Ti tt0u(t)Kp e02Kp e0Ti Ti愈大，积分作用愈小。愈大，积分作用愈小。Ti ，PIPI控制器控制器 P P控制器控制器 ；Ti 0 0，PIPI控制器控制器 I I控制器控制器 ；改变改变Ti ，实际上改变比例作用和积分作用之间的相，实际上改变比例作用和积分作用之间的相对大小。对大小。改变改变Kp，既改变比例作用，又改变积分作用，而两个，既改变比例作用，又改变积分作用，而两个作用的比值却不变。作用的比值却不变。控制器采用控制器采用PIPI时，由比例作用保证控制过程不会过分时，由比例作
27、用保证控制过程不会过分振荡，振荡，Kp 削弱振荡倾向，但削弱振荡倾向，但Kp过小将使过程拖得太过小将使过程拖得太长。长。增大增大T Ti i ，能使比例作用相对增强，也能减小振荡倾，能使比例作用相对增强，也能减小振荡倾向，但向，但T Ti i也不能过大，控制过程也将拖长。积分作用可使也不能过大，控制过程也将拖长。积分作用可使系统得到无差控制。系统得到无差控制。特特 点点（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）由于积分环节的存在，系统的相频特性存在相位滞后，造成系统的稳定性和动态
28、品质变差。特特 点点（3）比例增益随偏差的时间进程而不断变化的比例作用。特特 点点（4）存在积分饱和现象 一般采用接入外部积分反馈或在控制内自行切换PI-P控制方式等方法来防止积分饱和。2022/11/25515 5、比例微分调节器、比例微分调节器控制规律：控制规律：其中：其中：为微分时间常数。为微分时间常数。微分调节的特点：微分调节的特点：在偏差出现或变化的瞬间，产生在偏差出现或变化的瞬间，产生一个正比于偏差变化率的控制作用，它总是反对偏一个正比于偏差变化率的控制作用，它总是反对偏差向任何方向的变化，偏差变化越快，反对作用越差向任何方向的变化，偏差变化越快，反对作用越强。故微分作用的加入将有
29、助于减小超调，克服振强。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。缺点：缺点：太大，易引起系太大，易引起系统不稳定。统不稳定。图图 4 理想理想 PD调节器的阶跃响应调节器的阶跃响应101et0t00tutpK0ueAttyty 理想微分作用持续时间理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作一般使用实际的比例微分作用。用。比例环节微分环节5.PID控制原理-比例微分控制增量形式 传
30、递函数 微分时间常数 t0u(t)Kp e0 当当e(t)=e0 1(t)u(t)=Kp e0+KpTd (t)e0 t0e(t)当当e(t)=a t u(t)=Kp a t+aTd t0u(t)Kpa t TdKpaTd PD控制器在一开始就有一个阶跃输出控制器在一开始就有一个阶跃输出KpaTd，如果没，如果没有微分作用，则经过有微分作用，则经过Td后才能达到后才能达到KpaTd。因此。因此PD控制器控制器和和P控制器相比，具有超前的控制作用。控制器相比，具有超前的控制作用。改变改变Td只改变微分作用的大小，改变只改变微分作用的大小，改变Kp同时改变比例同时改变比例和微分控制作用的大小，而两
31、者比值不变。和微分控制作用的大小，而两者比值不变。实际常采用的实际常采用的PDPD的传递函数为的传递函数为 kd-PD-PD控制器的微分增益控制器的微分增益 Td -PD-PD控制器的微分时间常数控制器的微分时间常数 当当e(t)=e0 1(t)t0u(t)kpe0kp kd e0 微分的作用，它微分的作用，它能够反映误差信号的能够反映误差信号的变化速度，并且在作变化速度，并且在作用误差的值变得很大用误差的值变得很大之前，产生一个有效之前，产生一个有效的修正。的修正。决定微分作用的强弱有2个因素：1)起始跳变幅度，用微分增益KD来衡量，2)衰减时间长短，用微分时间TD来衡量。输出跳得越高，或降
32、得越慢，表示微分作用越强。微分时间TD越大，微分作用越强。微分增益KD是固定不变的，只与控制器的类型有关。反微分控制器运用于噪音较大的系统，起滤波作用。特特 点点（1）有差调节。在稳态时，微分部分已不起作用，PD控制变成P控制。（2）微分环节的超前相位，有利于系统稳定性的提高，抑制过渡过程的动态偏差。（3）有利于减小系统稳态误差，提高系统的响应速度。特特 点点（4）微分时间常数过大，微分作用太强，会导致输出控制作用过大，使调节阀频繁开启，容易造成系统振荡。2022/11/25606 6、比例积分微分调节器、比例积分微分调节器控制规律：控制规律：比例积分微分三作用的线性组合。比例积分微分三作用的
33、线性组合。在阶跃信号的作用下，首先是比例和微在阶跃信号的作用下，首先是比例和微分作用，使其调节作用加强，然后是积分作用，分作用，使其调节作用加强，然后是积分作用，直到消除偏差。直到消除偏差。图图 5 理想理想PID调节器的阶跃响应调节器的阶跃响应101et0t00tiTutpKpK0u比例环节积分环节微分环节增量形式 传递函数 当当 e(t)=e0 1(t)u(t)=Kp e0+Kp e0/Ti t +Kp e0 Td (t)t0u(t)Kp e0Kp e0Ti 工业中实际常用的工业中实际常用的PIDPID控制器控制器t0u(t)kdKpe0Kp e0 可调整的参数：可调整的参数：Kp Ti
34、Td 比例作用的特点比例作用的特点：能使过程较快的稳定；：能使过程较快的稳定；积分作用的特点积分作用的特点：能使过程为无差控制；：能使过程为无差控制；微分作用的特点微分作用的特点：克服受控对象的迟延和惯性，减：克服受控对象的迟延和惯性，减小过程的动态偏差。小过程的动态偏差。特特 点点与PD相比，PID提高了系统的无差度；与PI相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。PID兼顾了静态和动态控制要求。q PID控制作用中，控制作用中，比例作用是基础控制；比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用统控制速度；积分作用是用于消除静差。是用于消除静差。
35、ettyq将将比比例例、积积分分、微微分分三三种种控控制制规规律律结结合合在在一一起起，只只要要三三项项作作用用的的强强度度配配合合适适当当，既既能能快快速速调调节节，又又能消除余差，可得到满意的控制效果。能消除余差，可得到满意的控制效果。二、二、PIDPID控制作用分析控制作用分析 1.1.比例控制作用比例控制作用 u(t)=Kpe(t)特点：执行器位移特点：执行器位移u(t)与偏差与偏差e(t)的大小成比例，执行的大小成比例，执行器输出位移的速度器输出位移的速度d du(t)/dt/dt与偏差信号的变化速度与偏差信号的变化速度d de(t)/dt/dt成正比。成正比。执行器的位移一般也是调
36、节机构的位移，而调节机构执行器的位移一般也是调节机构的位移，而调节机构的位移必须随受控对象负荷的改变而改变。的位移必须随受控对象负荷的改变而改变。Kp愈小，则在稳态时被控量与给定值的偏差愈大。愈小，则在稳态时被控量与给定值的偏差愈大。t0 y(t)Kp小小Kp大大 2.2.积分控制作用积分控制作用 特点：只要受控对象的被控量特点：只要受控对象的被控量 给定值，执行器就给定值，执行器就会不停地动作，而且偏差愈大，执行器输出的位移速度会不停地动作，而且偏差愈大，执行器输出的位移速度d du(t)/dt/dt愈快。只有当愈快。只有当e(t)=0=0，控制过程才告结束，执行，控制过程才告结束，执行器停
37、止动作，控制系统达到一个新的平衡状态。器停止动作，控制系统达到一个新的平衡状态。能够消除稳态偏差。能够消除稳态偏差。很适合于要求很适合于要求被控量控制在给定值的场合，但是容易被控量控制在给定值的场合，但是容易造成控制作用的过调而使过渡过程发生振荡，甚至造成系造成控制作用的过调而使过渡过程发生振荡，甚至造成系统不稳定。（积分作用随时间逐渐加强的）统不稳定。（积分作用随时间逐渐加强的）Ti取得过大，可能使系统被控量不产生振荡，但动取得过大，可能使系统被控量不产生振荡，但动态偏差太大。态偏差太大。Ti取得过小，被控量变化会产生激烈振荡，有时会取得过小，被控量变化会产生激烈振荡，有时会发散使系统不稳定
38、。发散使系统不稳定。t0 y(t)Ti过大过大Ti过小过小Ti适当适当 3.3.微分控制作用微分控制作用 特点：当系统受到扰动，特点：当系统受到扰动，e(t)较小，但较小，但d de(t)/dt/dt却较却较大，这时微分控制作用可使执行器输出大，这时微分控制作用可使执行器输出u(t)产生一较大位产生一较大位移，因而能有效地减小过渡过程的动态偏差。移，因而能有效地减小过渡过程的动态偏差。当控制过程结束时，当控制过程结束时，d de(t)/dt=0/dt=0，此时执行器输出，此时执行器输出u(t)0 0，即执行器的位置总是回复到原来的位置，不能适应，即执行器的位置总是回复到原来的位置，不能适应负荷
39、的变化。负荷的变化。t0 y(t)Td小小Td大大 4.4.几种控制作用的比较几种控制作用的比较 1.PD控制控制 2.PID控制控制 3.P控制控制 4.PI控制控制 5.I控制控制 1）微分作用可以减小动态偏差和调整时间；）微分作用可以减小动态偏差和调整时间；(1和和3，2和和4)2）积分作用能消除稳态误差（）积分作用能消除稳态误差（4和和3），但使过渡过），但使过渡过程的动态偏差及调整时间支离增大；单独的积分控制是不程的动态偏差及调整时间支离增大；单独的积分控制是不可取的（可取的（5）3）P、I、D-以以P为主，为主，I和和D为辅。为辅。4t0 y(t)5123调节规调节规律律优优 点点
40、缺缺 点点应应 用用P灵灵敏敏、简简单单，只只有有一一个整定参数；个整定参数；存在静差存在静差负负荷荷变变化化不不显显著著，工工艺艺指指标标要求不高的对象。要求不高的对象。PI能能消消除除静静差差，又又控控制制灵敏灵敏对对于于滞滞后后较较大大的的对对象象，比比例例积积分分调调节节太太慢慢，效效果不好。果不好。应应用用于于调调节节通通道道容容量量滞滞后后较较小小、负负荷荷变变化化不不大大、精精度度要要求求高高的的调调节节系系统统。例例如如，流流量调节系统。量调节系统。PD增增进进调调节节系系统统的的稳稳定定度度，可可调调小小比比例例度度，而而加加快快调调节节过过程程，减减小动态偏差和静差小动态偏差和静差系系统统对对高高频频干干扰扰特特别别敏敏感感，系系统统输输出出易易夹夹杂杂高高频干扰。频干扰。应应用用于于调调节节通通道道容容量量滞滞后后较较大大，但但调调节节精精度度要要求求不不高高的的对象。对象。PID综综合合了了各各类类调调节节作作用用的的优优点点，所所以以有有更更高高的调节质量。的调节质量。对对于于滞滞后后很很大大，负负荷荷变变化化很很大大的的对对象象，PID调调节节也也无无法法满满足足要要求求，应应设计复杂调节系统设计复杂调节系统应应用用于于调调节节通通道道容容量量滞滞后后较较大大、负负荷荷变变化化较较大大、精精度度要要求高的对象。求高的对象。