1、-,1,5.1PID控制概述5.2PID控制算法5.3PID控制器參數(shù)整定5.4本章小結(jié)習(xí)題與思考,第5章PID控制,-,2,內(nèi)容提要,本章描述PID控制的基本概念，介紹PID控制算法以及PID參數(shù)整定等基礎(chǔ)知識(shí)，并通過大量的仿真實(shí)例講述PID參數(shù)整定。通過本章，讀者對(duì)PID控制的原理、算法能有較為全面的認(rèn)識(shí)，并熟練通過仿真進(jìn)行PID參數(shù)整定。,-,3,5.1PID控制概述,在線性連續(xù)系統(tǒng)中，控制規(guī)律通常由以下三種情況組成：（1）比例控制：控制作用u與偏差e成比例關(guān)系；（2）積分控制：控制作用u為偏差e對(duì)時(shí)間的積分（）成比例關(guān)系；（3）微分控制：控制作用u為偏差e對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)（）成比例關(guān)系；因

2、此，控制作用u常用的表示形式為：式中的Kc是控制器的比例增益，Ti和Td都具有時(shí)間量綱，分別稱為積分時(shí)間和微分時(shí)間。,PID控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）原理簡(jiǎn)單，使用方便。（2）適應(yīng)性強(qiáng)。（3）魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控制對(duì)象特性的變化不太敏感。,-,4,5.2PID控制算法,5.2.1比例（P）控制,純比例控制的作用和比例調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,-,5,5.2.2比例積分（PI）控制,PI控制的主要特點(diǎn)為：（1）PI控制器在與被控對(duì)象串聯(lián)連接時(shí)，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。（2）位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤

3、差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。（3）增加的負(fù)實(shí)部零點(diǎn)則可減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響。（4）在實(shí)際工程中，PI控制器通常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。,-,6,PI控制舉例,-,7,5.2.3比例微分（PD）控制,PD控制作用舉例,-,8,5.2.4比例積分微分（PID）控制,PID控制的主要特點(diǎn)為：（1）當(dāng)階躍輸入作用時(shí)，P作用是始終起作用的基本分量；I作用一開始不顯著，隨著時(shí)間逐漸增強(qiáng)；D作用與I作用相反，在前期作用強(qiáng)些，隨著時(shí)間逐漸減弱。（2）PI控制器與被控對(duì)象串聯(lián)連接時(shí)，可以使系統(tǒng)的型別提高一級(jí)，而且還提供了兩個(gè)負(fù)實(shí)部的零點(diǎn)。（3）與PI控制器相比，

4、PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)外，還多提供了一個(gè)負(fù)實(shí)部零點(diǎn)，因此在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面具有更大的優(yōu)越性。（4）PID控制通過積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量，加快反應(yīng)，是綜合了PI控制與PD控制長(zhǎng)處并去除其短處的控制。（5）從頻域角度來看，PID控制是通過積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。,-,9,5.3PID控制器參數(shù)整定,PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：（1）理論計(jì)算整定法主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)

5、整和修改。（2）工程整定方法主要有Ziegler-Nichols整定法、臨界比例度法、衰減曲線法。這三種方法各有特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。工程整定法的基本特點(diǎn)是：不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定；方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，易于掌握。,-,10,5.3.1Ziegler-Nichols整定法,Ziegler-Nichols法根據(jù)給定對(duì)象的瞬態(tài)響應(yīng)特性來確定PID控制器的參數(shù)。Ziegler-Nichols法首先通過實(shí)驗(yàn)，獲取控制對(duì)象單位階躍響應(yīng)：,-,

6、11,Ziegler-Nichols整定舉例,-,12,5.3.2臨界比例度法,-,13,臨界比例度法整定舉例,-,14,5.3.3衰減曲線法,按“先P后I最后D”的操作程序，將求得的整定參數(shù)設(shè)置在調(diào)節(jié)器上，再觀察運(yùn)行曲線，若不太理想，還可作適當(dāng)調(diào)整。衰減曲線法的注意事項(xiàng)：（1）對(duì)于反應(yīng)較快的控制系統(tǒng)，要認(rèn)定41衰減曲線和讀出Ts比較困難，此時(shí)，可認(rèn)為記錄指針來回?cái)[動(dòng)兩次就達(dá)到穩(wěn)定是41衰減過程。（2）在生產(chǎn)過程中，負(fù)荷變化會(huì)影響過程特性。當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，必須重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)值。（3）若認(rèn)為41衰減太慢，可采用101衰減過程。對(duì)于101衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟與上述完全相同，僅僅所用計(jì)算公式有些不同。,-,15,衰減曲線法整定舉例,-,16,PID參數(shù)整定規(guī)律,總結(jié)出幾條基本的PID參數(shù)整定規(guī)律：（1）增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。（2）增大積分時(shí)間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。（3）增大微分時(shí)間有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。,-,17,5.