工業(yè)系統(tǒng)的PID控制76h

1、訓(xùn)練目的訓(xùn)練目的 理解開環(huán)控制和閉環(huán)控制。理解開環(huán)控制和閉環(huán)控制。 熟悉系統(tǒng)的性能指標(biāo)。熟悉系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 理解理解PID控制的特點(diǎn)?？刂频奶攸c(diǎn)。 理解理解Kp、Ki和和Kd三個(gè)參數(shù)的作用。三個(gè)參數(shù)的作用。 掌握掌握PID控制的參數(shù)整定基本方法?？刂频膮?shù)整定基本方法。設(shè)備與器材設(shè)備與器材 IPC-610工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī) PCL-812PG數(shù)據(jù)采集控制板卡數(shù)據(jù)采集控制板卡 PCLD-880 REV. A1端子板端子板 20芯扁平電纜芯扁平電纜 自制二階系統(tǒng)電路板自制二階系統(tǒng)電路板 面包板面包板 電阻、電容若干電阻、電容若干 螺絲刀螺絲刀基本概念基本概念控制控制: :自動(dòng)控制自動(dòng)控

2、制：是指在沒有人直接參與的條件下，利用控制是指在沒有人直接參與的條件下，利用控制裝置使被控對(duì)象按照預(yù)定的技術(shù)要求進(jìn)行工作。裝置使被控對(duì)象按照預(yù)定的技術(shù)要求進(jìn)行工作。 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它由動(dòng)控制的系統(tǒng)，它由被控對(duì)象被控對(duì)象和和控制裝置控制裝置組成。組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)按控制方式分按控制方式分：開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制 使系統(tǒng)產(chǎn)生使系統(tǒng)產(chǎn)生期望的行為，期望的行為，或者使執(zhí)行器或者使執(zhí)行器按預(yù)定的規(guī)按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，且跟隨過程中偏差要小律運(yùn)行，且跟隨過程中偏差要小。開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)

3、開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng): :系統(tǒng)的控制器與被控對(duì)象之間只有系統(tǒng)的控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用，沒有反向作用，即系統(tǒng)的輸出量對(duì)控順向作用，沒有反向作用，即系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用沒有影響。制作用沒有影響。方框圖方框圖開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象設(shè)定輸入設(shè)定輸入r r控制輸出控制輸出u u擾動(dòng)輸入擾動(dòng)輸入被控量被控量 信息單方向流動(dòng)，沒有反饋；信息單方向流動(dòng)，沒有反饋； 有干擾時(shí)，被控量誤差無法修正；有干擾時(shí)，被控量誤差無法修正； 被控量多為被控量多為“有有”或或“無無”、“開關(guān)開關(guān)”或或“起停起停”等邏輯狀等邏輯狀態(tài)，一般都是開關(guān)控制，依順序、時(shí)間

4、、布爾邏輯條件等給態(tài)，一般都是開關(guān)控制，依順序、時(shí)間、布爾邏輯條件等給出控制信號(hào)；出控制信號(hào)； 用于系統(tǒng)模型精度高且參數(shù)穩(wěn)定，或擾動(dòng)影響不嚴(yán)重，或被用于系統(tǒng)模型精度高且參數(shù)穩(wěn)定，或擾動(dòng)影響不嚴(yán)重，或被控量精度要求低、或執(zhí)行器的動(dòng)作簡(jiǎn)單的對(duì)象?？亓烤纫蟮?、或執(zhí)行器的動(dòng)作簡(jiǎn)單的對(duì)象。開環(huán)控制系統(tǒng)舉例開環(huán)控制系統(tǒng)舉例 日常生活；日常生活； 電機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)：電機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)舉例開環(huán)控制系統(tǒng)舉例被控制對(duì)象：爐子被控制對(duì)象：爐子被控制量（輸出量）：爐被控制量（輸出量）：爐溫溫控制裝置：開關(guān)控制裝置：開關(guān)K K和電熱絲，和電熱絲，對(duì)被控制量起控制作用。對(duì)被控制量起控制作用。開環(huán)控

5、制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（不對(duì)被控對(duì)象的實(shí)際輸：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（不對(duì)被控對(duì)象的實(shí)際輸出量進(jìn)行測(cè)量）出量進(jìn)行測(cè)量） 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：當(dāng)干擾出現(xiàn)使輸出量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)沒有自當(dāng)干擾出現(xiàn)使輸出量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)沒有自動(dòng)修正偏差的能力；動(dòng)修正偏差的能力；精度較差，不適合干擾很強(qiáng)的系統(tǒng)。精度較差，不適合干擾很強(qiáng)的系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)v閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)控制作用產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)控制作用產(chǎn)生影響的系統(tǒng)影響的系統(tǒng)v方框圖方框圖被控對(duì)象被控對(duì)象控制器控制器設(shè)定輸入設(shè)定輸入r控制輸出控制輸出u實(shí)際輸出實(shí)際輸出y反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)偏差偏差e被控量被控量擾動(dòng)輸入擾動(dòng)輸

6、入閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)被控對(duì)象被控對(duì)象控制器控制器設(shè)定輸入設(shè)定輸入r控制輸出控制輸出u實(shí)際輸出實(shí)際輸出y反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)偏差偏差e被控量被控量擾動(dòng)輸入擾動(dòng)輸入閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例人的活動(dòng)；人的活動(dòng)；家電：冰箱、空調(diào)等；家電：冰箱、空調(diào)等；電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)：電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)：水箱水位控制水箱水位控制閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)存在信息反饋，信息流構(gòu)成閉環(huán)回路；存在信息反饋，信息流構(gòu)成閉環(huán)回路；一般基于誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行校正；一般基于誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行校正；控制對(duì)象一般為位置、速度、加速度、溫度、控制對(duì)象一般為位置、速度、加速度、溫度、壓

7、力、流量等模擬量，有壓力、流量等模擬量，有“度度”的概念，為數(shù)的概念，為數(shù)值控制。值控制。性能要求：響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、精度；性能要求：響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、精度；有的系統(tǒng)被控量難以通過測(cè)量獲取，反饋通道有的系統(tǒng)被控量難以通過測(cè)量獲取，反饋通道（即測(cè)量系統(tǒng)）對(duì)品質(zhì)有重要影響。（即測(cè)量系統(tǒng)）對(duì)品質(zhì)有重要影響。閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，控制精度高、能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)。抗干擾能力強(qiáng)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：1.1.靠偏差進(jìn)行控制，整個(gè)過程始終存在偏差；靠偏差進(jìn)行控制，整個(gè)過程始終存在偏差；2.2.閉環(huán)系統(tǒng)一般較復(fù)雜，系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)一般較復(fù)雜

8、，系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)較麻煩。較麻煩。3.3.負(fù)反饋對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，易產(chǎn)生振負(fù)反饋對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，易產(chǎn)生振蕩。蕩。 控制器的含義控制器的含義 控制器的本質(zhì)：依據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)（控制器的本質(zhì)：依據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)（實(shí)際輸出量實(shí)際輸出量y）求取最佳的控制量求取最佳的控制量u，使，使實(shí)際輸出量實(shí)際輸出量y更好地跟隨更好地跟隨設(shè)定輸入設(shè)定輸入r。以工控機(jī)為控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)以工控機(jī)為控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)采集卡 模型的分析模型的分析)()()(txtytydtdT)( 1)(ttxTtetty)( 1)(RC01234567891000.20.40.60.8101234567891000.5

9、11.52實(shí)現(xiàn)思路的分析實(shí)現(xiàn)思路的分析實(shí)現(xiàn)思路的分析實(shí)現(xiàn)思路的分析01234567891000.511.52設(shè)定值設(shè)定值If(e 設(shè)定值) U2Else U101234567891000.511.52實(shí)現(xiàn)思路的分析實(shí)現(xiàn)思路的分析（續(xù)）（續(xù)）訓(xùn)練內(nèi)容訓(xùn)練內(nèi)容注意：采樣周期的選擇注意：采樣周期的選擇 利用利用DRAWINGC.C程序可以觀察不同幅值的階程序可以觀察不同幅值的階躍輸入下一階系統(tǒng)的響應(yīng)情況：躍輸入下一階系統(tǒng)的響應(yīng)情況：1 1、請(qǐng)人為改變控制輸出、請(qǐng)人為改變控制輸出u u，即系統(tǒng)輸入，即系統(tǒng)輸入u ui i，觀察系統(tǒng)，觀察系統(tǒng)輸出情況；輸出情況；2 2、調(diào)整系統(tǒng)輸入，使輸出較快速度達(dá)到期

10、望值。、調(diào)整系統(tǒng)輸入，使輸出較快速度達(dá)到期望值。DIDOAD/DARC訓(xùn)練接線圖訓(xùn)練接線圖工業(yè)系統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)的PIDPID控制控制第二講第二講回顧：開環(huán)控制系統(tǒng)回顧：開環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的控制器與被控對(duì)象之間只有順向作系統(tǒng)的控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用，沒有反向作用，即系統(tǒng)的輸出量對(duì)控用，沒有反向作用，即系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用沒有影響。只靠輸入量對(duì)輸出量單制作用沒有影響。只靠輸入量對(duì)輸出量單方向控制的系統(tǒng)稱為方向控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)。 方框圖方框圖回顧：閉環(huán)控制系統(tǒng)回顧：閉環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用產(chǎn)生影響的系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用產(chǎn)生影響的系統(tǒng)稱為稱為閉環(huán)控制系

11、統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 方框圖方框圖控制器依據(jù)控制器依據(jù)偏差決定控制信號(hào)偏差決定控制信號(hào)，閉環(huán)的作用是引入反饋來減少或消除偏差。，閉環(huán)的作用是引入反饋來減少或消除偏差。控制系統(tǒng)的品質(zhì)控制系統(tǒng)的品質(zhì) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指被控量不發(fā)生大幅度、長(zhǎng)時(shí)間的振蕩，是指被控量不發(fā)生大幅度、長(zhǎng)時(shí)間的振蕩，即使有小幅振蕩也應(yīng)盡快衰減至零；即使有小幅振蕩也應(yīng)盡快衰減至零；（從階躍響應(yīng)（從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的）上看應(yīng)該是收斂的） 快速性快速性是希望被控量迅速達(dá)到設(shè)定值；是希望被控量迅速達(dá)到設(shè)定值；（上升時(shí)間）（上升時(shí)間） 如果系統(tǒng)被控量與設(shè)定值之間的偏差較小，就說如果系統(tǒng)被控量與設(shè)定值之間的偏差較小，就說系統(tǒng)的系統(tǒng)的準(zhǔn)確

12、性準(zhǔn)確性較好。較好。（穩(wěn)態(tài)誤差）（穩(wěn)態(tài)誤差） 控制系統(tǒng)的品質(zhì)主要有：控制系統(tǒng)的品質(zhì)主要有： 穩(wěn)穩(wěn)定性、定性、快快速性和速性和準(zhǔn)準(zhǔn)確性。確性。綜合性能指標(biāo)之一綜合性能指標(biāo)之一：絕對(duì)誤差積分絕對(duì)誤差積分IAEIAE0|tIAEe dt控制系統(tǒng)的品質(zhì)和性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的品質(zhì)和性能指標(biāo) 穩(wěn)、快、準(zhǔn)穩(wěn)、快、準(zhǔn)累積誤差越小，累積誤差越小，控制效果越好?？刂菩Ч胶谩?dòng)快，但超調(diào)大啟動(dòng)快，但超調(diào)大且有較長(zhǎng)時(shí)間的振蕩且有較長(zhǎng)時(shí)間的振蕩低速爬行，但無低速爬行，但無超調(diào)和振蕩超調(diào)和振蕩快速且超調(diào)不大，無振快速且超調(diào)不大，無振蕩，但穩(wěn)態(tài)誤差太大蕩，但穩(wěn)態(tài)誤差太大快速且超調(diào)不大，無快速且超調(diào)不大，無振蕩，無穩(wěn)態(tài)誤差

13、振蕩，無穩(wěn)態(tài)誤差0|tIAEe dtIAE絕對(duì)誤差積分絕對(duì)誤差積分系統(tǒng)的輸出響應(yīng)系統(tǒng)的輸出響應(yīng) 一階 二階1.00.90.50.10ydtrtptstpM2 %t01234567891000.20.40.60.81系統(tǒng)的響應(yīng)輸出系統(tǒng)的響應(yīng)輸出 與系統(tǒng)本身的特性有關(guān)（階數(shù)、固有頻率、阻尼系數(shù)等）； 與輸入信號(hào)有關(guān)； 其他因素控制器控制器控制器的含義控制器的含義 控制器的本質(zhì)：依據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)（實(shí)際量控制器的本質(zhì)：依據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)（實(shí)際量y y）求取求取最佳的控制量最佳的控制量u u，使實(shí)際量，使實(shí)際量y y更好地跟隨設(shè)定值更好地跟隨設(shè)定值r ryr-控制算法控制算法+eu對(duì)象對(duì)象y控制器控制器yru

14、01234567891000.511.52實(shí)現(xiàn)思路（對(duì)偏差的分析）實(shí)現(xiàn)思路（對(duì)偏差的分析）If(e 設(shè)定值) u2else u1設(shè)定值設(shè)定值實(shí)現(xiàn)思路（對(duì)偏差的變化率 和剩余偏差的分析）1.00.90.50.10ydtrtptstpM2%tPIDPID控制概述控制概述 定義：按照偏差的定義：按照偏差的比例、積分比例、積分和和微分微分進(jìn)行控制，進(jìn)行控制， 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱PIDPID控制?？刂啤?PIDPID控制是連續(xù)系統(tǒng)控制理論中技術(shù)最成熟，應(yīng)控制是連續(xù)系統(tǒng)控制理論中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制技術(shù)。用最廣泛的一種控制技術(shù)。 在很多情況下，不一定需要全部三個(gè)單元，可以在很多情況下，不一定需要全部三個(gè)

15、單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元。取其中的一到兩個(gè)單元。PIDPID控制原理控制原理PIDPID控制器控制器+ -ruey pK iKedt + +0( )( )( )tpiddeu tK e tKe t dtKdte(t)=r(t)-y(t)控制器控制器dtdeKde比例控制的作用比例控制的作用 作用：作用：對(duì)對(duì)當(dāng)前當(dāng)前時(shí)刻的偏差信號(hào)時(shí)刻的偏差信號(hào)e(t) 進(jìn)行放大或衰減后作進(jìn)行放大或衰減后作為控制信號(hào)輸出；為控制信號(hào)輸出； 特點(diǎn)：特點(diǎn)：Kp越大系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性越好，主要表現(xiàn)為起動(dòng)快，越大系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性越好，主要表現(xiàn)為起動(dòng)快，但是對(duì)于有慣性的系統(tǒng)，但是對(duì)于有慣性的系統(tǒng)，Kp過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)

16、，過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；甚至引起系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能消除靜態(tài)誤差。不能消除靜態(tài)誤差。0( )( )( )tpiddeu tK e tKe t dtKdt積分控制的作用積分控制的作用 作用：作用：是是累積累積系統(tǒng)從零時(shí)刻起到當(dāng)前的偏差信號(hào)系統(tǒng)從零時(shí)刻起到當(dāng)前的偏差信號(hào)e e( (t t) )的的歷史過程；歷史過程； 特點(diǎn)：特點(diǎn)：與偏差與偏差e e( (t t) )存在全部時(shí)段有關(guān)，只要有足夠的時(shí)存在全部時(shí)段有關(guān)，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將間，積分控制將能夠消除靜態(tài)誤差能夠消除靜態(tài)誤差； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能不能及時(shí)及時(shí)地克服擾動(dòng)的影響

17、。地克服擾動(dòng)的影響。0( )( )( )tpiddeu tK e tKe t dtKdtPIPI控制器控制器 構(gòu)成：構(gòu)成：比例調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)構(gòu)成比例調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)構(gòu)成PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)； 特點(diǎn)：特點(diǎn)：將將比例調(diào)節(jié)的快速性比例調(diào)節(jié)的快速性和和積分調(diào)節(jié)消除靜積分調(diào)節(jié)消除靜差差結(jié)合起來，改善系統(tǒng)特性；結(jié)合起來，改善系統(tǒng)特性； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：當(dāng)被控對(duì)象具有較大慣性時(shí)，當(dāng)被控對(duì)象具有較大慣性時(shí)，PI調(diào)節(jié)無調(diào)節(jié)無法得到滿意的調(diào)節(jié)品質(zhì)。法得到滿意的調(diào)節(jié)品質(zhì)。微分控制的作用微分控制的作用 作用：作用：是由偏差信號(hào)是由偏差信號(hào)e(t)的當(dāng)前變化率的當(dāng)前變化率de/dt 預(yù)見預(yù)見隨后的偏差將是隨后的偏差將是增大還是減小、增減

18、的幅度如何。增大還是減小、增減的幅度如何。對(duì)于固定不變的偏差對(duì)于固定不變的偏差e(t)，微分，微分環(huán)節(jié)不起作用；環(huán)節(jié)不起作用； 特點(diǎn)：特點(diǎn)：只能在偏差剛剛出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生很大的控制作用，微分控制可只能在偏差剛剛出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生很大的控制作用，微分控制可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)快速性，并以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)快速性，并有助于減小超調(diào)，克服振蕩，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；有助于減小超調(diào)，克服振蕩，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。0( )( )( )tpiddeu tK e tKe t dtKdtPIDPID控制器的作用（控制器的作用

19、（小結(jié)小結(jié)） 比例控制比例控制能迅速反映誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例能迅速反映誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不。比例系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。穩(wěn)定。 積分控制積分控制的作用是：只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不的作用是：只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加

20、大，甚至使系。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。 微分控制微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。確定控制器結(jié)構(gòu)確定控制器結(jié)構(gòu) 在選擇在選擇PIDPID參數(shù)之前，首先應(yīng)該確定控制器結(jié)構(gòu)。參數(shù)之前，首先應(yīng)該確定控制器結(jié)構(gòu)。 對(duì)允許有穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，可以適當(dāng)選擇對(duì)允許有穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，可以適當(dāng)選擇P P或或PDPD控制器，使控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差

21、在允許的范圍內(nèi)。穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。 對(duì)必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應(yīng)選擇包含積分控制的對(duì)必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應(yīng)選擇包含積分控制的PIPI或或PIDPID控制器。控制器。 一般來說，一般來說，PIPI、PIDPID和和P P控制器應(yīng)用較多。對(duì)于有滯后的控制器應(yīng)用較多。對(duì)于有滯后的對(duì)象對(duì)象, ,往往都加入微分控制。往往都加入微分控制。PIDPID控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響比例控制比例控制對(duì)控制性能的影響：對(duì)控制性能的影響： 對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響： Kp加大，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏速度加快，加大，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏速度加快， Kp偏大，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，偏大，振蕩次

22、數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)， Kp過大，系統(tǒng)過大，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定，趨于不穩(wěn)定， Kp太小，系統(tǒng)動(dòng)作緩慢；太小，系統(tǒng)動(dòng)作緩慢； 對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響： Kp加大，在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，可加大，在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差以減小穩(wěn)態(tài)誤差e，提高控制精度，但加大，提高控制精度，但加大Kp只能減小卻只能減小卻不能消除穩(wěn)態(tài)誤差不能消除穩(wěn)態(tài)誤差e。PIDPID控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響積分控制積分控制對(duì)控制性能的影響：對(duì)控制性能的影響：v 對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響： Ki能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差e，提高，提高控制精度，但控制精度，但Ki太小，積分作用太

23、弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)太小，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差誤差e。v 對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響： Ki通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ki太太大系統(tǒng)不穩(wěn)定，大系統(tǒng)不穩(wěn)定， Ki偏大振蕩次數(shù)增多，偏大振蕩次數(shù)增多， Ki太小對(duì)系統(tǒng)性太小對(duì)系統(tǒng)性能影響減少；能影響減少；PIDPID控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響微分控制微分控制對(duì)控制性能的影響：對(duì)控制性能的影響： 微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，減少超調(diào)量，縮短調(diào)整微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，減少超調(diào)量，縮短調(diào)整時(shí)間；時(shí)間； Kd偏大，超調(diào)量較大，調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)；偏大，超調(diào)量較大，調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)； Kd偏小，超調(diào)量也

24、較大，調(diào)整時(shí)間也較長(zhǎng)，只有合偏小，超調(diào)量也較大，調(diào)整時(shí)間也較長(zhǎng)，只有合適才可以大得到比較滿意的過渡過程。適才可以大得到比較滿意的過渡過程。PIDPID控制參數(shù)的整定控制參數(shù)的整定實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)法：數(shù)學(xué)模型不明確或沒有解析模型：數(shù)學(xué)模型不明確或沒有解析模型試湊法試湊法：先比例、后積分、再微分：先比例、后積分、再微分經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法：擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法、：擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法、歸一參數(shù)整定法歸一參數(shù)整定法試湊法整定試湊法整定PIDPID參數(shù)的步驟參數(shù)的步驟首先整定比例部分。首先整定比例部分。將比例系數(shù)將比例系數(shù)由小變大由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到

25、反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果穩(wěn)態(tài)誤差已在允許范圍內(nèi)，如果穩(wěn)態(tài)誤差已在允許范圍內(nèi)，并且被控量能在超調(diào)衰減到最大超調(diào)的并且被控量能在超調(diào)衰減到最大超調(diào)的1/4(1/4(稱為稱為1/41/4衰減度衰減度) )時(shí)就已進(jìn)時(shí)就已進(jìn)入允許的穩(wěn)態(tài)誤差范圍內(nèi)，此時(shí)的入允許的穩(wěn)態(tài)誤差范圍內(nèi)，此時(shí)的K Kp p就較滿意。就較滿意。 （通常認(rèn)為（通常認(rèn)為1/41/4衰減度能兼顧快速性和穩(wěn)定性。）衰減度能兼顧快速性和穩(wěn)定性。）如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)在整

26、定時(shí)先將積分系數(shù)設(shè)定到一個(gè)比較大的值先將積分系數(shù)設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小( (一般縮小為原值的一般縮小為原值的0.8)0.8)，然后然后減小積分系數(shù)減小積分系數(shù)，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，穩(wěn)態(tài)誤差得，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，穩(wěn)態(tài)誤差得到消除。到消除。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分系數(shù)，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。數(shù)和積分系數(shù)，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。如果在上述調(diào)整過程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意如果

27、在上述調(diào)整過程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分系數(shù)設(shè)置為首先把微分系數(shù)設(shè)置為0 0，在上述基礎(chǔ)，在上述基礎(chǔ)上上逐漸增加微分系數(shù)逐漸增加微分系數(shù)，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分系數(shù)，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分系數(shù)，逐步湊逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。注意：能夠達(dá)到滿意的參數(shù)組合不是唯一的。注意：能夠達(dá)到滿意的參數(shù)組合不是唯一的。PIDPID控制參數(shù)的整定控制參數(shù)的整定 試湊法試湊法（小結(jié)）（小結(jié)） 在單位階躍設(shè)定下進(jìn)行，先比例、后積分、再微分。在單位階躍設(shè)定下進(jìn)行，先比例、后積分、再微分。目

28、標(biāo)目標(biāo)：穩(wěn)、快、準(zhǔn)穩(wěn)、快、準(zhǔn)K Kp p：由小變大由小變大，觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，兼顧，觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，兼顧響應(yīng)快，超調(diào)響應(yīng)快，超調(diào)小小，并使系統(tǒng)并使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差在允許范圍之內(nèi)；在允許范圍之內(nèi)；K Ki i ：先給一個(gè)較大的先給一個(gè)較大的K Ki i值值，略微減小，略微減小K Kp p，然后逐步減小，然后逐步減小K Ki i，直到直到消除穩(wěn)態(tài)誤差消除穩(wěn)態(tài)誤差；K Kd d：如果如果KiKi使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能下降，加入使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能下降，加入很小的很小的K Kd d，視動(dòng)態(tài)，視動(dòng)態(tài)性能的概述情況，逐次增大性能的概述情況，逐次增大K Kd d，可以稍微調(diào)整，可以稍微調(diào)整K Kp p和和K K

29、i i。KpKi快、穩(wěn)快、穩(wěn)Kp由小到大由小到大準(zhǔn)準(zhǔn)消除穩(wěn)態(tài)誤差消除穩(wěn)態(tài)誤差Ki由大到小，由大到小，稍微減小稍微減小KpKd改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)Kd給一個(gè)很小的值給一個(gè)很小的值PIDPID控制參數(shù)的整定控制參數(shù)的整定 試湊法試湊法（小結(jié)）（小結(jié)）訓(xùn)練內(nèi)容訓(xùn)練內(nèi)容2-12-1利用桌面利用桌面數(shù)字仿真課件數(shù)字仿真課件（fifawc.ico)fifawc.ico)： 1 1、一階系統(tǒng)、一階系統(tǒng)PIDPID控制數(shù)字仿真；控制數(shù)字仿真； 2 2、二階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)PIDPID控制數(shù)字仿真。控制數(shù)字仿真。理解：理解：KpKp、KiKi、KdKd三個(gè)參數(shù)的作用。三個(gè)參數(shù)的作用。注：若桌面無注：若桌面無f

30、ifawc.icofifawc.ico, ,請(qǐng)運(yùn)行請(qǐng)運(yùn)行E:E:第二層次第二層次PIDPID控制實(shí)驗(yàn)安裝程序?？刂茖?shí)驗(yàn)安裝程序。訓(xùn)練內(nèi)容訓(xùn)練內(nèi)容2-22-2 利用利用testtest觀察在適當(dāng)?shù)牟蓸又芷谟^察在適當(dāng)?shù)牟蓸又芷赥s下，下，取不同的比例系數(shù)取不同的比例系數(shù)K Kp p、積分系數(shù)、積分系數(shù)K Ki i和微分系和微分系數(shù)數(shù)K Kd d，觀察控制：，觀察控制：1 1、一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)響應(yīng)的情況；響應(yīng)的情況；2 2、二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)響應(yīng)的情況。響應(yīng)的情況。DIDOAD/DARC訓(xùn)練接線圖訓(xùn)練接線圖（一階系統(tǒng)）（一階系統(tǒng)）DIDOAD/DA訓(xùn)練接線圖訓(xùn)練接線圖（二階系統(tǒng)）（二階系統(tǒng)）直直流流穩(wěn)

31、穩(wěn)壓壓電電源源工業(yè)系統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)的PIDPID控制控制第三講第三講“PC“PC采集卡采集卡”下的下的PIDPID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)y(t)r-+y(k)e(k)u(t)對(duì)象對(duì)象PID算法算法D/AA/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)采集卡采集卡u(k)PID算法的數(shù)字化算法的數(shù)字化0( )( )( )tpiddeu tK e tKe t dtKdt數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制控制位置型位置型dttdeKdtteKteKtudip)()()()() 1()()()()(keketdeTkTedtteTdtkTtsssssknstTkekedttdeTnedtte) 1()()()()(00sdknsipTkekeKTn

32、eKkeKku) 1()()()()(0數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制控制位置型位置型（續(xù)）（續(xù)） 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：計(jì)算量大，抗干擾能力差：計(jì)算量大，抗干擾能力差在位置型算式中，在位置型算式中，每次輸出與過去的所有狀態(tài)每次輸出與過去的所有狀態(tài)有關(guān)，有關(guān)，要計(jì)算機(jī)對(duì)偏差要計(jì)算機(jī)對(duì)偏差e e進(jìn)行不斷地累加，計(jì)進(jìn)行不斷地累加，計(jì)算量大；算量大；當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生任何故障時(shí)，會(huì)造成輸出量的變當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生任何故障時(shí)，會(huì)造成輸出量的變化，對(duì)工業(yè)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重后果?；瑢?duì)工業(yè)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重后果。數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制控制增量型增量型sdknsipTkekeKTneKkeKku) 1()()()()(0sdk

33、nsipTkekeKTneKkeKku)2() 1()() 1() 1(10) 1()()(kukuku)2() 1(2)()()1()()(kekekeTKkeTKkekeKkusdsip數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制控制增量型增量型（續(xù)）（續(xù)） 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)每次只計(jì)算控制增量，計(jì)算量小，且機(jī)計(jì)算機(jī)每次只計(jì)算控制增量，計(jì)算量小，且機(jī)器故障對(duì)工業(yè)系統(tǒng)造成的影響范圍?。黄鞴收蠈?duì)工業(yè)系統(tǒng)造成的影響范圍??；算式中不需要累加，控制增量的確定僅僅與最算式中不需要累加，控制增量的確定僅僅與最近幾次的采樣值有關(guān)，容易獲得比較好的控制近幾次的采樣值有關(guān)，容易獲得比較好的控制效果；效果；即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，誤動(dòng)

34、作幅度不會(huì)很大。即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，誤動(dòng)作幅度不會(huì)很大。sdknsipTkekeKTneKkeKku) 1()()()()(0)2() 1(2)()()1()()(kekekeTKkeTKkekeKkusdsip位置式：位置式：增量式：增量式：diids SKKKTKT( ) ( )(1 )( ) ( ) 2(1 )(2)pidukK ek ekKekK ekekek pid0( )( )( )( )(1)knu kK e kKe nKe ke k令：采樣周期的選擇采樣周期的選擇 采樣頻率足夠高采樣頻率足夠高符合采樣定理符合采樣定理采樣周期遠(yuǎn)小于系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)采樣周期遠(yuǎn)小于系統(tǒng)時(shí)間常數(shù) 采樣周期

35、不能過短采樣周期不能過短采樣周期過短，造成相鄰采樣周期過短，造成相鄰2 2次采樣信號(hào)數(shù)值過于接近，次采樣信號(hào)數(shù)值過于接近，處理器運(yùn)算精度無法區(qū)分，控制反而不起作用；處理器運(yùn)算精度無法區(qū)分，控制反而不起作用；過短的采樣周期使積分項(xiàng)過小，微分項(xiàng)過大，此時(shí)一般過短的采樣周期使積分項(xiàng)過小，微分項(xiàng)過大，此時(shí)一般可以采用可以采用PIPI控制（控制（K Kd d = 0= 0）；）；采樣周期過短，造成計(jì)算量太大；采樣周期過短，造成計(jì)算量太大；受計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)和速度的限制。受計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)和速度的限制。 綜合上述各因素，選擇采樣周期，應(yīng)在滿足控綜合上述各因素，選擇采樣周期，應(yīng)在滿足控制系統(tǒng)的性能要求的條件下，制系統(tǒng)的

36、性能要求的條件下， 盡可能地選擇低的盡可能地選擇低的采樣速率。采樣速率。受控對(duì)象受控對(duì)象reuy+_PIDPID位置算法位置算法測(cè)量、反饋環(huán)節(jié)測(cè)量、反饋環(huán)節(jié))1()()()()(0kekeKneKkeKkudknip位置型位置型PIDPID控制簡(jiǎn)化控制方框圖：控制簡(jiǎn)化控制方框圖：數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制程序流程圖控制程序流程圖( (位置式）位置式）開始開始r、u、y、e等變量初始化等變量初始化Kp、ki、kd賦值賦值從從A/D讀取讀取y(t)求求e(k)=r(k)-y(k)計(jì)算控制量計(jì)算控制量U(k)=kpU(k)=kp* *e(k)+kie(k)+ki* *sum_e+kdsum_e+kd*

37、 *(e(k)-e(k-1)(e(k)-e(k-1)將控制量將控制量u(k)由由D/A輸出輸出為下一時(shí)刻作準(zhǔn)備為下一時(shí)刻作準(zhǔn)備采樣時(shí)間到？采樣時(shí)間到？被被控控對(duì)對(duì)象象D/AA/DNYPIDPID控制位置型編程實(shí)現(xiàn)控制位置型編程實(shí)現(xiàn)1 1main()main() int i, t, da_out;int i, t, da_out;double x200, y200, e1, e2, Ey, u,sum_e;double x200, y200, e1, e2, Ey, u,sum_e;double kp, ki, kd;double kp, ki, kd;t=0; da_out=0; kp=?;

38、ki=?; kd=?;t=0; da_out=0; kp=?; ki=?; kd=?;Ey=Ey=5.05.0; ; /期望為期望為5.05.0e1=Ey-0.0; e2=0.0; sum_e=e1;e1=Ey-0.0; e2=0.0; sum_e=e1;DA(0,0);DA(0,0); /清零清零PIDPID控制位置型編程實(shí)現(xiàn)控制位置型編程實(shí)現(xiàn)2 2for (i=0;i200;i+)for (i=0;i10.0) u=10.0;if (u10.0) u=10.0;if (u0.0) u=0.0;if (u0.0) u=0.0;da_out=(int)(u/10.0da_out=(int)(u

39、/10.0* *4095.0);4095.0);DA(0,da_out); DA(0,da_out); xi=i; xi=i; yi=AD(10)/4095.0 yi=AD(10)/4095.0* *20.0-10.0;20.0-10.0;e2=e1; e1=Ey-yi; sum_e=sum_e+e1;e2=e1; e1=Ey-yi; sum_e=sum_e+e1;delay(t);delay(t); /延時(shí)延時(shí) 計(jì)算控制輸出計(jì)算控制輸出)1()()()()(0kekeKneKkeKkudknipPIDPID控制位置型編程實(shí)現(xiàn)控制位置型編程實(shí)現(xiàn)3 3 /初始化圖像設(shè)備初始化圖像設(shè)備 auto_

40、initgraph();auto_initgraph(); / /畫圖畫圖 draw_curve(x, y, 200, 10.0, 1);draw_curve(x, y, 200, 10.0, 1); getch(); getch(); closegraph(); / closegraph(); /關(guān)閉圖像設(shè)備關(guān)閉圖像設(shè)備 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制程序流程圖控制程序流程圖( (增量式）增量式）開始開始r、u、y、e等變量初始化等變量初始化Kp、ki、kd賦值賦值從從A/D讀取讀取y(t)求求e(k)=r(k)-y(k)計(jì)算控制增量計(jì)算控制增量u(k)=kp*e(k)-e(k-1)+ki*e(k)+kd*e(k)-2e(k-1)+e(k-2)將控制量將控制量u由由D/A輸出輸出為下一時(shí)刻作準(zhǔn)備為下一時(shí)刻作準(zhǔn)備采樣時(shí)間到？采樣時(shí)間到？被被控控對(duì)對(duì)象象D/AA/DNYmain()main() int i, t, da_out;int i, t, da_out;double x200, y20