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1、3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 一、比例调节一、比例调节(P(P调调节节)若输入、输出的量程相等若输入、输出的量程相等若输入、输出的量程相等若输入、输出的量程相等和Kc呈倒数关系第1页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 一、比例调节一、比例调节(P(P调调节节)的物理意义：的物理意义：的物理意义：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化使控制器输出变化使控制器输出变化100%100%时，所对应的偏差时，所对应的偏差时，所对应的偏差时，所对应的偏差变化相对量变化相对量变化相对量变化相对量第2页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计
2、 一、比例调节一、比例调节(P(P调节调节)的物理意义：的物理意义：的物理意义：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化使控制器输出变化使控制器输出变化100%100%时，时，时，时，所对应的偏差变化相对量所对应的偏差变化相对量所对应的偏差变化相对量所对应的偏差变化相对量P P控制器控制器e u 100%100%0 0100%100%0 0第3页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 一、比例调节一、比例调节(P(P调节调节)的物理意义：的物理意义：的物理意义：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化使控制器输出变化使控制器输出变化100%100%时，时，时，时，所
3、对应的偏差变化相对量所对应的偏差变化相对量所对应的偏差变化相对量所对应的偏差变化相对量P P控制器控制器e u 100%100%0 0100%100%0 0思考：200%200%50%50%第4页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 一、比例调节一、比例调节(P(P调调节节)的物理意义：例子的物理意义：例子的物理意义：例子的物理意义：例子某比例控制器，温度控制范围是某比例控制器，温度控制范围是某比例控制器，温度控制范围是某比例控制器，温度控制范围是400-800400-800，其，其，其，其输出为输出为输出为输出为4-20mA4-20mA。当温度从。当温度从。当温度从。当
4、温度从600600变化到变化到变化到变化到700700时，控时，控时，控时，控制器的输出从制器的输出从制器的输出从制器的输出从8mA8mA变化到变化到变化到变化到16mA16mA。试求设定的。试求设定的。试求设定的。试求设定的 。第5页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 一、比例调节一、比例调节(P(P调调节节)(5)(5)临界比例度：临界比例度：临界比例度：临界比例度：求解方法：测试；计算y y临界频率增益临界振荡周期第6页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 一、比例调节一、比例调节(P(P调节调节)(6 6)特点：特点：特点：特点：抗扰强，抗
5、扰强，抗扰强，抗扰强，快速快速快速快速，有差有差有差有差；K Kc c增大增大增大增大(减减减减小小小小)，稳定性降低，稳定性降低，稳定性降低，稳定性降低。(7 7)适用：适用：适用：适用：控制通道滞后较小，允许被控量在控制通道滞后较小，允许被控量在控制通道滞后较小，允许被控量在控制通道滞后较小，允许被控量在一定范围内变化的系统。一定范围内变化的系统。一定范围内变化的系统。一定范围内变化的系统。第7页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 二、积分调节二、积分调节(I(I调节调节)I I环节环节e u (1)(1)调节规律：调节规律：调节规律：调节规律：积分时间第8页/共4
6、0页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 二、积分调节二、积分调节(I(I调节调节)(1)(1)调节规律：调节规律：调节规律：调节规律：(2)(2)阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：e u TI很小TI很大t u 第9页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 二、积分调节二、积分调节(I(I调节调节)(3)(3)对调节过程的影响：对调节过程的影响：对调节过程的影响：对调节过程的影响：由小由小由小由小 大，大，大，大，系统由不稳定系统由不稳定系统由不稳定系统由不稳定 稳定稳定稳定稳定y yy yy yy y第10页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器
7、设计控制器设计 二、积分调节二、积分调节(I(I调节调节)无差，稳定性降低无差，稳定性降低无差，稳定性降低无差，稳定性降低T TI I 愈小，稳定性愈差愈小，稳定性愈差愈小，稳定性愈差愈小，稳定性愈差不单独使用不单独使用不单独使用不单独使用(4)(4)特点：特点：特点：特点：积分环节的振荡频率低，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差积分时间小会使控制输出加剧，调节阀动作相应变快，易振荡第11页/共40页P P，I I，D D，PIPI，PDPD，PIDPID选择选择选择选择PIDPID。第12页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计
8、 (1)(1)调节规律：调节规律：调节规律：调节规律：(2)(2)阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：三、微分调节三、微分调节(D(D调节调节)微分时间e u 第13页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 (3)(3)对调节过程的影响：对调节过程的影响：对调节过程的影响：对调节过程的影响：由小由小由小由小 大，大，大，大，系统由稳定系统由稳定系统由稳定系统由稳定 不稳定不稳定不稳定不稳定三、微分调节三、微分调节(D(D调节调节)yyytttytTD很大TD合适TD较小TD太小第14页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 三、微分调节三、微分调节(
9、D(D调节调节)用于大滞后、大惯性用于大滞后、大惯性 超前，控制速度加快超前，控制速度加快 对静态偏差没有作用，不单独使用对静态偏差没有作用，不单独使用(4)(4)特点：特点：特点：特点：当误差e的变化率太小时，D调节不能觉察这个变化，即u0第15页/共40页P P，I I，D D，PIPI，PDPD，PIDPID选择选择选择选择PIDPID。第16页/共40页3.6 PID控制器设计 PI控制器e u (1)(1)调节规律：调节规律：调节规律：调节规律：四、比例积分调节四、比例积分调节(PI(PI调节调节)第17页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 四、比例积分调节四
10、、比例积分调节(PI(PI调节调节)(1)(1)调节规律：调节规律：调节规律：调节规律：(2)(2)阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：e u 比例积分第18页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 四、比例积分调节四、比例积分调节(PI(PI调节调节)(2)(2)阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：e e u 上升速度u t T TI I 第19页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 四、比例积分调节四、比例积分调节(PI(PI调节调节)稳态时无稳态时无余差，但系统的稳定性降低余差，但系统的稳定性降低滞后较小，负荷变化不大，滞后较小，负荷变化
11、不大，要求要求被控量被控量无无余差余差 ，如压力、流量过程，如压力、流量过程(3 3)、特点：、特点：(4 4)、适用：、适用：第20页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 四、比例积分调节四、比例积分调节(PI(PI调节调节)现象：现象：现象：现象：具有积分环节的控制器为了校具有积分环节的控制器为了校具有积分环节的控制器为了校具有积分环节的控制器为了校正偏差，输出不停变化而进入深度饱正偏差，输出不停变化而进入深度饱正偏差，输出不停变化而进入深度饱正偏差，输出不停变化而进入深度饱和状态和状态和状态和状态 (5)(5)积分饱和积分饱和：后果：后果：控制品质变坏，引起危险控制
12、品质变坏，引起危险 解决办法：解决办法：第21页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 四、比例积分调节四、比例积分调节(PI(PI调节调节)(5)(5)积分饱和积分饱和：解决办法：解决办法：外部：外部：外部：外部：限制输出，难以消除余差限制输出，难以消除余差内部：内部：内部：内部：第22页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 四、比例积分调节四、比例积分调节(PI(PI调节调节)(5)(5)积分饱和积分饱和：内部消除：内部消除：内部消除：内部消除：一阶惯性环节正反馈一阶惯性环节正反馈一阶惯性环节正反馈一阶惯性环节正反馈e u +f 第23页/共40页
13、P P，I I，D D，PIPI，PDPD，PIDPID选择选择选择选择PIDPID。第24页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 五、比例微分调节五、比例微分调节(PD(PD调节调节)(1)(1)调节规律：调节规律：调节规律：调节规律：微分增益第25页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 五、比例微分调节五、比例微分调节(PD(PD调节调节)(2)(2)阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：u e 第26页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 五、比例微分调节五、比例微分调节(PD(PD调节调节)有差，提高稳定性，抗扰性差有
14、差，提高稳定性，抗扰性差被控量变化平稳，容许有余差被控量变化平稳，容许有余差(3 3)、特点：、特点：(4 4)、适用：、适用：误差不变时，只有比例作用误差变化大，微分的抑制作用强第27页/共40页P P，I I，D D，PIPI，PDPD，PIDPID选择选择选择选择PIDPID。第28页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 六、比例积分微分调节六、比例积分微分调节(PID(PID调节调节)(1)(1)调节规律：调节规律：调节规律：调节规律：第29页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 六、比例积分微分调节六、比例积分微分调节(PID(PID调节调
15、节)(2)(2)阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：u e 第30页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 六、比例积分微分调节六、比例积分微分调节(PID(PID调节调节)对克服对象的容量滞后有显著的效果对克服对象的容量滞后有显著的效果对克服对象的容量滞后有显著的效果对克服对象的容量滞后有显著的效果负荷变化大，滞后大，要求控制质量负荷变化大，滞后大，要求控制质量负荷变化大，滞后大，要求控制质量负荷变化大，滞后大，要求控制质量高，如温度过程高，如温度过程高，如温度过程高，如温度过程(3 3)、特点：、特点：、特点：、特点：(4 4)、适用：、适用：、适用：、适用：第31
16、页/共40页模拟式模拟式模拟式模拟式PIDPID调节线路实例调节线路实例调节线路实例调节线路实例3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 第32页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较y yt t无控制作用无控制作用P PPDPDPIDPIDPIPI第33页/共40页P P，I I，D D，PIPI，PDPD，PIDPID选择选择选择选择PIDPID。第34页/共40页3.6 PID3.6
17、PID控制器设计控制器设计 七、调节规律的选择七、调节规律的选择1 1、比例控制（、比例控制（、比例控制（、比例控制（P P）适适适适用用用用于于于于控控控控制制制制通通通通道道道道滞滞滞滞后后后后较较较较小小小小、负负负负荷荷荷荷变变变变化化化化不不不不大大大大、工艺上没有提出无差要求的系统工艺上没有提出无差要求的系统工艺上没有提出无差要求的系统工艺上没有提出无差要求的系统2 2、比例积分控制（、比例积分控制（、比例积分控制（、比例积分控制（PIPI）适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、适用于控制通道滞后较小、负荷
18、变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。工艺参数不允许有余差的系统。工艺参数不允许有余差的系统。工艺参数不允许有余差的系统。第35页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 七、调节规律的选择七、调节规律的选择3 3、比例微分控制（、比例微分控制（、比例微分控制（、比例微分控制（PDPD）适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热较慢的温度控制系统。较慢的温度控制系统。较慢的温度控制系统。较慢的温度控制系统。4 4、比例积分微分控制（、比例积分微分控制（、比例积分微分控
19、制（、比例积分微分控制（PIDPID）适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，如温度、成分控制系统。量要求较高的系统，如温度、成分控制系统。量要求较高的系统，如温度、成分控制系统。量要求较高的系统，如温度、成分控制系统。第36页/共40页3.6 PID3.6 PID控制器设计控制器设计 七、调节规律的选择七、调节规律的选择根据根据根据根据 的取值分三种情况：的取值分三种情况：的取值分三种情况：的取值分三种情况：(1)(1)0.211：其它，串级、前馈等：其它，串级、
20、前馈等：其它，串级、前馈等：其它，串级、前馈等第37页/共40页调节规调节规调节规调节规律律律律优优优优 点点点点缺缺缺缺 点点点点应应应应 用用用用P P灵灵灵灵敏敏敏敏、简简简简单单单单，只只只只有有有有一一一一个个个个整整整整定参数；定参数；定参数；定参数；存在静差存在静差存在静差存在静差负负负负荷荷荷荷变变变变化化化化不不不不显显显显著著著著，工工工工艺艺艺艺指指指指标标标标要求不高的对象。要求不高的对象。要求不高的对象。要求不高的对象。PIPI能能能能消消消消除除除除静静静静差差差差，控控控控制制制制灵灵灵灵敏敏敏敏对对对对于于于于滞滞滞滞后后后后较较较较大大大大的的的的对对对对象象
21、象象，比比比比例例例例积积积积分分分分调调调调节节节节太太太太慢慢慢慢，效效效效果果果果不不不不好。好。好。好。用用用用于于于于调调调调节节节节通通通通道道道道容容容容量量量量滞滞滞滞后后后后较较较较小小小小、负负负负荷荷荷荷变变变变化化化化不不不不大大大大、精精精精度度度度要要要要求求求求高高高高的的的的调调调调节节节节系系系系统统统统。例例例例如如如如，流流流流量量量量调调调调节节节节系系系系统。统。统。统。PDPD增增增增进进进进调调调调节节节节系系系系统统统统的的的的稳稳稳稳定定定定度度度度，可可可可调调调调小小小小比比比比例例例例度度度度，而而而而加加加加快快快快调调调调节节节节过过
22、过过程程程程，减减减减小小小小动动动动态态态态偏偏偏偏差差差差和和和和静差静差静差静差系系系系统统统统对对对对高高高高频频频频干干干干扰扰扰扰特特特特别别别别敏敏敏敏感感感感，系统输出易夹杂高频干扰。系统输出易夹杂高频干扰。系统输出易夹杂高频干扰。系统输出易夹杂高频干扰。用用用用于于于于调调调调节节节节通通通通道道道道容容容容量量量量滞滞滞滞后后后后较较较较大大大大，但但但但调调调调节节节节精精精精度度度度要要要要求求求求不高的对象。不高的对象。不高的对象。不高的对象。PIDPID综综综综合合合合了了了了各各各各类类类类调调调调节节节节作作作作用用用用的的的的优优优优点点点点，所所所所以以以以
23、有有有有更更更更高高高高的调节质量。的调节质量。的调节质量。的调节质量。对对对对于于于于滞滞滞滞后后后后很很很很大大大大，负负负负荷荷荷荷变变变变化化化化很很很很大大大大的的的的对对对对象象象象，PIDPID调调调调节节节节也也也也无无无无法法法法满满满满足足足足要求，应设计复杂调节系统要求，应设计复杂调节系统要求，应设计复杂调节系统要求，应设计复杂调节系统用用用用于于于于调调调调节节节节通通通通道道道道容容容容量量量量滞滞滞滞后后后后较较较较大大大大、负负负负荷荷荷荷变变变变化化化化较较较较大大大大、精度要求高的对象。精度要求高的对象。精度要求高的对象。精度要求高的对象。第38页/共40页小结小结 基本控制基本控制基本控制基本控制规律及特点规律及特点规律及特点规律及特点PIPIP PPDPDPIDPID控制律的控制律的控制律的控制律的选择选择选择选择第39页/共40页感谢您的观看！第40页/共40页