PPT版本PID調(diào)節(jié)原理

1、14 4 PIDPID調(diào)節(jié)原理調(diào)節(jié)原理23vPID PID 控制是比例積分微分控制控制是比例積分微分控制 （Proportional-Integral-Differential）v歷史最久、生命力最強(qiáng)的控制方式歷史最久、生命力最強(qiáng)的控制方式4v反饋控制反饋控制給定（目標(biāo)）給定（目標(biāo)）輸出（控制結(jié)果）輸出（控制結(jié)果）根據(jù)誤差進(jìn)行的控制根據(jù)誤差進(jìn)行的控制5v反饋控制反饋控制控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量測量/變送器變送器-+目標(biāo)目標(biāo)誤差誤差輸出輸出廣義對象廣義對象PID6v常規(guī)常規(guī)PIDPID控制系統(tǒng)的原理控制系統(tǒng)的原理 輸入：控制偏差輸入：控制偏差e e ( ( t t ) = )

2、 = r r ( ( t t ) ) - - y y ( ( t t ) ) 輸出：偏差的比例輸出：偏差的比例(P)(P)、積分、積分(I)(I)和微分和微分(D)(D)的線性組合的線性組合 (4.2) )()(1)()(0dttdeTdtteTteKtuDtIP式中式中 KP 比例系數(shù)比例系數(shù) TI 積分時間常數(shù)積分時間常數(shù) TD 微分時間常數(shù)微分時間常數(shù)7PIDPID控制的優(yōu)點(diǎn)控制的優(yōu)點(diǎn)原理簡單，使用方便；原理簡單，使用方便；適應(yīng)性強(qiáng)；適應(yīng)性強(qiáng)；魯棒性強(qiáng)；魯棒性強(qiáng)；控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感?？刂破焚|(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。對模型依賴少。對模型依賴少。 84.2.1 比例調(diào)

3、節(jié)的動作規(guī)律，比例帶比例調(diào)節(jié)的動作規(guī)律，比例帶v 在在P P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號u u與偏差信號與偏差信號e e成比例，成比例， 即，即， u = Kp e （4.34.3）式中式中K Kp p稱為比例增益稱為比例增益4.2 比例調(diào)節(jié)（比例調(diào)節(jié)（P P調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)）9vP P調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)P P調(diào)節(jié)對偏差信號能做出及時調(diào)節(jié)對偏差信號能做出及時反應(yīng)，沒有絲毫的滯后。反應(yīng)，沒有絲毫的滯后。輸出輸出u u實(shí)際上是對其起始值的實(shí)際上是對其起始值的增量。因此，當(dāng)偏差增量。因此，當(dāng)偏差e e為零，為零，因而因而u u0 0時，并不意味著調(diào)節(jié)時，并不意味著調(diào)節(jié)器沒有輸

4、出，它只說明此時有器沒有輸出，它只說明此時有u=u0。u0的大小是可以通過調(diào)整調(diào)節(jié)的大小是可以通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)加以改變的。器的工作點(diǎn)加以改變的。u = Kp eu0u0+Kpe010v比例帶比例帶 為表示調(diào)節(jié)器輸入和輸出之間的比例關(guān)系，在為表示調(diào)節(jié)器輸入和輸出之間的比例關(guān)系，在過程控制中習(xí)慣用比例帶（比例度）過程控制中習(xí)慣用比例帶（比例度）來代替來代替比例增益比例增益：(4.5) %1001%100)/()/(minmaxminmaxminmaxminmaxeeuuKuuueeeP式中式中 emax emin -偏差信號范圍，即儀表量程偏差信號范圍，即儀表量程 umax umin -調(diào)節(jié)

5、器輸出信號范圍，即控制器輸出的工作范圍調(diào)節(jié)器輸出信號范圍，即控制器輸出的工作范圍11v u代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量，代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量，就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變100% 100% 即從全關(guān)到全開時所需要的被調(diào)量的變化范圍。即從全關(guān)到全開時所需要的被調(diào)量的變化范圍。 例如，若測量儀表的量程為例如，若測量儀表的量程為100100則則50% 50% 就表示被就表示被調(diào)量需要改變調(diào)量需要改變5050才能使調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開。才能使調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開。v 當(dāng)被調(diào)量處在當(dāng)被調(diào)量處在“比例帶比例帶” 以內(nèi)調(diào)節(jié)閥的開度以內(nèi)調(diào)節(jié)閥的開度( (變化變化) )才與偏差成比例。才與偏差成比例。v

6、 超出這個超出這個“比例帶比例帶”以外以外 調(diào)節(jié)閥已處于全關(guān)或全開的狀態(tài)，調(diào)節(jié)器的輸入與輸出已不再保調(diào)節(jié)閥已處于全關(guān)或全開的狀態(tài)，調(diào)節(jié)器的輸入與輸出已不再保持比例關(guān)系。持比例關(guān)系。12v如果采用單元組合儀表，調(diào)節(jié)器的輸入和輸出都如果采用單元組合儀表，調(diào)節(jié)器的輸入和輸出都是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，即是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，即 ，則有，則有v此時比例帶（比例度）此時比例帶（比例度）與比例增益成反比，比與比例增益成反比，比例帶小，則較小的偏差就能激勵調(diào)節(jié)器產(chǎn)生例帶小，則較小的偏差就能激勵調(diào)節(jié)器產(chǎn)生100%100%的開度變化，相應(yīng)的比例增益就大。的開度變化，相應(yīng)的比例增益就大。(4.6) %1001%100PKue

7、 minmaxminmaxuuee134.2.2 比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，有差調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，有差調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)有差調(diào)節(jié)。14abeuKP這里的杠桿充當(dāng)了這里的杠桿充當(dāng)了比比例調(diào)節(jié)器例調(diào)節(jié)器：液位變化液位變化e e是其輸入；是其輸入；閥桿位移閥桿位移u u 是其輸出；是其輸出；調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器的比例增益為：比例增益為：該比例調(diào)節(jié)器是有余差的！該比例調(diào)節(jié)器是有余差的！余差的大小與比例增益有關(guān)，余差的大小與比例增益有關(guān)，Kp大，余差小。大，余差小。15v余差（或靜差）是指：余差（或靜差）是指： 被調(diào)參數(shù)的新的穩(wěn)定值與給定值不相等而形成被調(diào)參數(shù)的新的穩(wěn)定值與給定值

8、不相等而形成的差值。的差值。v余差的大小與調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)余差的大小與調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K K或比例帶或比例帶有關(guān)有關(guān) 放大系數(shù)越小，即比例帶越大，余差就越大；放大系數(shù)越小，即比例帶越大，余差就越大； 放大系數(shù)越大，即比例帶越小，比例調(diào)節(jié)作用放大系數(shù)越大，即比例帶越小，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，余差就越小。越強(qiáng)，余差就越小。164.2.3 比例帶對于調(diào)節(jié)過程的影響比例帶對于調(diào)節(jié)過程的影響a)a)大大 調(diào)節(jié)閥的動作幅度小，變化平調(diào)節(jié)閥的動作幅度小，變化平穩(wěn)，甚至無超調(diào)，但余差大，穩(wěn)，甚至無超調(diào)，但余差大，調(diào)節(jié)時間也很長調(diào)節(jié)時間也很長b)b)減小減小 調(diào)節(jié)閥動作幅度加大，被調(diào)量調(diào)節(jié)閥動作幅度加大，被調(diào)量來回

9、波動，余差減小來回波動，余差減小c)c)進(jìn)一步減小進(jìn)一步減小 被調(diào)量振蕩加劇被調(diào)量振蕩加劇d)d)為臨界值為臨界值 系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)e)e)小于臨界值小于臨界值 系統(tǒng)不穩(wěn)定，振蕩發(fā)散系統(tǒng)不穩(wěn)定，振蕩發(fā)散 圖圖4.4 對比例調(diào)節(jié)過程的影響對比例調(diào)節(jié)過程的影響17比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：（1 1）比例調(diào)節(jié)的輸出增量與輸入增量呈一一對）比例調(diào)節(jié)的輸出增量與輸入增量呈一一對應(yīng)的比例關(guān)系，即：應(yīng)的比例關(guān)系，即：u = K e（2 2）比例調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，輸出與輸入同步，比例調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，輸出與輸入同步，沒有時間滯后，其動態(tài)特性好。沒有時間滯后，其動態(tài)特性好。（3 3）比

10、例調(diào)節(jié)的結(jié)果不能使被調(diào)參數(shù)完全回到）比例調(diào)節(jié)的結(jié)果不能使被調(diào)參數(shù)完全回到給定值，而產(chǎn)生余差。給定值，而產(chǎn)生余差。18v若對象較穩(wěn)定（對象的靜態(tài)放大系數(shù)較小，若對象較穩(wěn)定（對象的靜態(tài)放大系數(shù)較小，時間常數(shù)不太大，滯后較?。r間常數(shù)不太大，滯后較小） 則比例帶可選小些，這樣可以提高系統(tǒng)的靈敏度，則比例帶可選小些，這樣可以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)速度加快一些；使反應(yīng)速度加快一些；v相反，若對象的放大系數(shù)較大，時間常數(shù)較相反，若對象的放大系數(shù)較大，時間常數(shù)較小，滯后時間較大小，滯后時間較大 則比例帶可選大一些，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。則比例帶可選大一些，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比例帶的一般選擇原則：比例帶的一

11、般選擇原則：19v比例帶的選取，一般情況下，比例帶的比例帶的選取，一般情況下，比例帶的范圍大致如下：范圍大致如下： 壓力調(diào)節(jié)：壓力調(diào)節(jié)： 3070% 流量調(diào)節(jié)：流量調(diào)節(jié)： 40100% 液位調(diào)節(jié)：液位調(diào)節(jié)： 2080% 溫度調(diào)節(jié)：溫度調(diào)節(jié)： 2060%20 v調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度du/dt與偏差信號與偏差信號e成正比，或者說調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的成正比，或者說調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比，即：積分成正比，即：(4.10) (4.9) tedtSueSdtdu00021v積分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)積分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng) I I調(diào)節(jié)器的輸出不僅與偏差信號調(diào)節(jié)器的輸出不僅

12、與偏差信號的大小有關(guān)，還與偏差存在的的大小有關(guān)，還與偏差存在的時間長短有關(guān)。時間長短有關(guān)。 只要偏差存在，調(diào)節(jié)器的輸出只要偏差存在，調(diào)節(jié)器的輸出就會不斷變化，直到偏差為零就會不斷變化，直到偏差為零調(diào)節(jié)器的輸出才穩(wěn)定下來不再調(diào)節(jié)器的輸出才穩(wěn)定下來不再變化。變化。 所以所以積分調(diào)節(jié)作用能自動消除積分調(diào)節(jié)作用能自動消除余差余差。 注意注意I I調(diào)節(jié)的輸出不像調(diào)節(jié)的輸出不像P P調(diào)節(jié)那調(diào)節(jié)那樣隨偏差為零而變到零。樣隨偏差為零而變到零。tedtSu0022v圖示的自力式氣壓調(diào)節(jié)閥就是一個簡單的積分調(diào)圖示的自力式氣壓調(diào)節(jié)閥就是一個簡單的積分調(diào)節(jié)器：節(jié)器： 管道壓力管道壓力P P是被調(diào)量，它通過針形閥是被調(diào)

13、量，它通過針形閥R R與調(diào)節(jié)閥膜頭的與調(diào)節(jié)閥膜頭的上部空腔相通，而膜頭的上部空腔相通，而膜頭的下部空腔則與大氣相通。下部空腔則與大氣相通。 改變針形閥的開度改變針形閥的開度可改變積分速度可改變積分速度S S0 0eSdtdu0234.3.2 積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，無差調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，無差調(diào)節(jié)v 積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無差調(diào)節(jié)無差調(diào)節(jié) 只要偏差不為零，控制輸出就不為零，它就只要偏差不為零，控制輸出就不為零，它就要動作到把被調(diào)量的靜差完全消除為止要動作到把被調(diào)量的靜差完全消除為止 而一旦被調(diào)量偏差而一旦被調(diào)量偏差e為零，積分調(diào)節(jié)器的輸為零，積分調(diào)節(jié)器的輸出就會保持不變。出就會保持不變。 調(diào)

14、節(jié)器的輸出可以停在任何數(shù)值上調(diào)節(jié)器的輸出可以停在任何數(shù)值上, ,即即: : 被控對象在負(fù)荷擾動下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)被控對象在負(fù)荷擾動下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量沒有余差，而調(diào)節(jié)閥則可以停在新的負(fù)荷所要量沒有余差，而調(diào)節(jié)閥則可以停在新的負(fù)荷所要求的開度上。求的開度上。tedtSu0024v積分調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性積分調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性 它的穩(wěn)定作用比它的穩(wěn)定作用比P P調(diào)節(jié)差，采用積分調(diào)節(jié)不可調(diào)節(jié)差，采用積分調(diào)節(jié)不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。K(s+1)(2s-1)KGK=2K=0.225v積分調(diào)節(jié)的滯后性積分調(diào)節(jié)的滯后性 它的滯后特性使其難以對干擾進(jìn)行及時控制，所它的滯后特性使其難以對干擾進(jìn)行及

15、時控制，所以一般在工業(yè)中，很少單獨(dú)使用以一般在工業(yè)中，很少單獨(dú)使用I I調(diào)節(jié)，而基本采調(diào)節(jié)，而基本采用用PIPI調(diào)節(jié)代替純調(diào)節(jié)代替純I I調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。26v采用積分調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分采用積分調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度速度S S0 0成正比。成正比。v增大積分速度降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。增大積分速度降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。4.3.3 積分速度對于調(diào)節(jié)過程的影響積分速度對于調(diào)節(jié)過程的影響27 調(diào)節(jié)閥的速度加快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低調(diào)節(jié)閥的速度加快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低 當(dāng)積分速度大到超過某一臨界值時，整個當(dāng)積分速度大到超過某一臨界值時，整個系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。系統(tǒng)變?yōu)椴?/p>

16、穩(wěn)定，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。 S0愈大，則調(diào)節(jié)閥的動作愈快，就愈容易愈大，則調(diào)節(jié)閥的動作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩，而最大動態(tài)偏差則愈來引起和加劇振蕩，而最大動態(tài)偏差則愈來愈小。愈小。 調(diào)節(jié)閥的速度減慢，結(jié)果是系統(tǒng)的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)閥的速度減慢，結(jié)果是系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加了，但調(diào)節(jié)速度變慢增加了，但調(diào)節(jié)速度變慢 當(dāng)積分常數(shù)小到某一臨界值時，調(diào)節(jié)過程當(dāng)積分常數(shù)小到某一臨界值時，調(diào)節(jié)過程變?yōu)榉钦袷庍^程。變?yōu)榉钦袷庍^程。 無論增大還是減小積分速度，被調(diào)量無論增大還是減小積分速度，被調(diào)量最后都沒有殘差最后都沒有殘差圖圖4.7 積分速度積分速度S S0 0 對調(diào)節(jié)過程的影響對調(diào)節(jié)過程的影響28v 比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)

17、節(jié)，積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)v 比例調(diào)節(jié)能立即響應(yīng)偏差變化比例調(diào)節(jié)能立即響應(yīng)偏差變化積分調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)過程緩慢積分調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)過程緩慢當(dāng)被調(diào)參數(shù)突然出現(xiàn)較大的偏差時當(dāng)被調(diào)參數(shù)突然出現(xiàn)較大的偏差時 比例調(diào)節(jié)能立即按比例把調(diào)節(jié)閥的開度開得很大比例調(diào)節(jié)能立即按比例把調(diào)節(jié)閥的開度開得很大 但積分調(diào)節(jié)器需要一定的時間才能將調(diào)節(jié)閥的開度開大或減小但積分調(diào)節(jié)器需要一定的時間才能將調(diào)節(jié)閥的開度開大或減小如果系統(tǒng)干擾作用頻繁，積分調(diào)節(jié)會顯得十分乏力如果系統(tǒng)干擾作用頻繁，積分調(diào)節(jié)會顯得十分乏力v 單獨(dú)的積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)較罕見，它作為一種輔助調(diào)節(jié)規(guī)律單獨(dú)的積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)較罕見，它作為一種輔助調(diào)節(jié)規(guī)律

18、與比例調(diào)節(jié)一起組成比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律與比例調(diào)節(jié)一起組成比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律。29圖圖4.8 P4.8 P與與I I 調(diào)節(jié)過程的比較調(diào)節(jié)過程的比較30v調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)器的輸出u u與被調(diào)量或其偏差與被調(diào)量或其偏差e e對于對于時間的導(dǎo)數(shù)成正比，即時間的導(dǎo)數(shù)成正比，即(4.12) 2dtdeSu 式中，式中，S S2 2 微分時間。微分時間。4.4 4.4 微分調(diào)節(jié)（微分調(diào)節(jié)（D D調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)）31vD D調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)微分調(diào)節(jié)的思想：微分調(diào)節(jié)的思想：微分調(diào)節(jié)只與偏差的變化成比微分調(diào)節(jié)只與偏差的變化成比例，偏差變化越劇烈，由微分例，偏差變化越劇烈，由微分調(diào)節(jié)器給出的控制作用越大，調(diào)節(jié)器給

19、出的控制作用越大，從而及時地抑制偏差的增長，從而及時地抑制偏差的增長，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。32v調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器在t=t0時刻，輸入階躍偏差時刻，輸入階躍偏差e，偏偏差的變化速度為：差的變化速度為：dtde 之后，調(diào)節(jié)器的輸出立即又回到零，理想的微之后，調(diào)節(jié)器的輸出立即又回到零，理想的微分調(diào)節(jié)特性曲線為一垂直直線。分調(diào)節(jié)特性曲線為一垂直直線。33v如加熱爐溫度自動調(diào)節(jié)如加熱爐溫度自動調(diào)節(jié), ,當(dāng)溫度低于給定值時當(dāng)溫度低于給定值時, ,則煤氣閥門應(yīng)開大則煤氣閥門應(yīng)開大, ,這是比例調(diào)節(jié)作用這是比例調(diào)節(jié)作用, ,但同時但同時發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn), ,溫度降低的速度很快溫度降低的速度很快, ,說明

20、出現(xiàn)了較大的說明出現(xiàn)了較大的擾動擾動, ,則下一時刻的偏差將會更大則下一時刻的偏差將會更大, ,因此應(yīng)預(yù)先因此應(yīng)預(yù)先采取措施采取措施, ,即即提前動作提前動作, ,把煤氣閥門的開度開得把煤氣閥門的開度開得更大一些更大一些, ,這叫這叫超前作用。超前作用。34微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)vP P和和I I是根據(jù)已經(jīng)形成的被調(diào)參數(shù)與給定值之偏是根據(jù)已經(jīng)形成的被調(diào)參數(shù)與給定值之偏差而動作差而動作( (即即偏差的方向和大小偏差的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)) )。v微分調(diào)節(jié)是根據(jù)偏差信號的微分微分調(diào)節(jié)是根據(jù)偏差信號的微分, ,即即偏差變化的偏差變化的速度速度而動作的。而動作的。 只要偏差一露頭只要偏差一

21、露頭, ,調(diào)節(jié)器就立即動作，以求更好的調(diào)調(diào)節(jié)器就立即動作，以求更好的調(diào)節(jié)效果節(jié)效果 偏差沒有變化偏差沒有變化, ,微分調(diào)節(jié)不起作用。微分調(diào)節(jié)不起作用。v微分調(diào)節(jié)主要用于克服調(diào)節(jié)對象有較大的微分調(diào)節(jié)主要用于克服調(diào)節(jié)對象有較大的傳遞傳遞滯后和容量滯后滯后和容量滯后。35v注意：注意：1.1.微分調(diào)節(jié)不能消除余差。微分調(diào)節(jié)不能消除余差。微分調(diào)節(jié)只對偏差的變化做出反應(yīng)，而與微分調(diào)節(jié)只對偏差的變化做出反應(yīng)，而與偏差的大小無關(guān)。偏差的大小無關(guān)。2.2.單純的微分調(diào)節(jié)器也是不能工作的。單純的微分調(diào)節(jié)器也是不能工作的。 實(shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，若調(diào)節(jié)實(shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，若調(diào)節(jié)誤差的變化速度緩慢

22、，以至于調(diào)節(jié)器不能誤差的變化速度緩慢，以至于調(diào)節(jié)器不能察覺，純微分調(diào)節(jié)器將不會動作，此時調(diào)察覺，純微分調(diào)節(jié)器將不會動作，此時調(diào)節(jié)誤差會不斷累積卻得不到校正。節(jié)誤差會不斷累積卻得不到校正。36vPID是比例、積分、微分的縮寫是比例、積分、微分的縮寫 Proportional-Integral-Differentialv比例作用的輸出與偏差大小成正比；比例作用的輸出與偏差大小成正比；v積分作用的輸出變化速度與偏差成正比；積分作用的輸出變化速度與偏差成正比；v微分作用的輸出與偏差變化速度成正比。微分作用的輸出與偏差變化速度成正比。37v比例調(diào)節(jié)作用比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，：是按比例反應(yīng)

23、系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。v比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差v但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。38pK(s+1)(2s+1)K KG01234567800.20.40.60.811.21.41.61.8Step ResponseTime (sec)AmplitudeK=0.2K=1K=10K=1001( )1+ peK K 比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié) K的變化對控制效果的影響的變化對控

24、制效果的影響 39v積分調(diào)節(jié)作用：積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差，提高無，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。v積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)TiTi，TiTi越小，越小，積分作用就越強(qiáng)。反之積分作用就越強(qiáng)。反之TiTi大則積分作用弱。大則積分作用弱。v加入積分調(diào)節(jié)可使加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)變慢慢。v積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成

25、PIPI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器或器或PIDPID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。40KI1s (s+1) (2s+1)GT0102030405060-8-6-4-2024681012Step ResponseTime (sec)AmplitudeTi=0.502040608010012000.20.40.60.811.21.41.61.8Step ResponseTime (sec)AmplitudeTi=1Ti=5Ti=10Ti=inf積分調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)， Ti的變化對控制效果的影響的變化對控制效果的影響 41v微分調(diào)節(jié)作用：微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見

26、偏差變化的趨勢，因化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生此能產(chǎn)生超前超前的控制作用，在偏差還沒有形成之的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系改善系統(tǒng)的動態(tài)性能統(tǒng)的動態(tài)性能。v在微分時間選擇合適情況下，可以在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)減少超調(diào)，減減少調(diào)節(jié)時間少調(diào)節(jié)時間。v微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的微微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利對系統(tǒng)抗干擾不利。v此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用輸出為

27、零。時，微分作用輸出為零。v微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成律相結(jié)合，組成PDPD或或PIDPID控制器?？刂破?。420102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.8Step ResponseTime (sec)AmplitudeTd=0.5Td=1Td=10Td=0dKs (s+1) (2s+1)TGkk( )( )( ) 1+( )G sY sR sG sk0k( )1( )lim 1+( )sG sysG s s 微分調(diào)節(jié)，微分調(diào)節(jié)，Td的變化對控制效果的影響的變化對控制效果的影響 43

28、4.5.1 比例積分（比例積分（PIPI）調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)v積分調(diào)節(jié)可以消除靜差積分調(diào)節(jié)可以消除靜差, ,但有滯后現(xiàn)象，比但有滯后現(xiàn)象，比例調(diào)節(jié)沒有滯后現(xiàn)象，但存在靜差。例調(diào)節(jié)沒有滯后現(xiàn)象，但存在靜差。vPIPI調(diào)節(jié)就是綜合調(diào)節(jié)就是綜合P P、I I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用P P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I I調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)消除殘差。消除殘差。4.5 比例積分微分調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)( (PIDPID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)) )44PIPI調(diào)節(jié)規(guī)律為：調(diào)節(jié)規(guī)律為：(4.15) )1(1(4.14) 000tItPedtTeuedtSeKu 式中式中 比例帶（可視情況

29、取正值或負(fù)值）比例帶（可視情況取正值或負(fù)值） T TI I 積分時間積分時間和和T TI I 是是PIPI調(diào)節(jié)器的兩個重要參數(shù)。調(diào)節(jié)器的兩個重要參數(shù)。45圖圖4.10 PI PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng) 011()tIueedtT11()1IIuee tTeetT TI46v 在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個幅值在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個幅值為為e e的階躍，然后以固定速度的階躍，然后以固定速度eeTTI I變化。變化。當(dāng)當(dāng)t t= = T TI I時，調(diào)節(jié)器的總輸出為時，調(diào)節(jié)器的總輸出為2 2e e。輸出的積輸出的積分部分正好等于比例部分。分部分正好等于比例部分

30、。vT TI I可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：T TI I愈愈小，積分部分所占的比重愈大。小，積分部分所占的比重愈大。)1(10tIedtTeu47v殘差的消除是殘差的消除是PIPI調(diào)節(jié)器積分動作的結(jié)果。調(diào)節(jié)器積分動作的結(jié)果。v積分部分的閥位輸出使調(diào)節(jié)閥開度最終得以到積分部分的閥位輸出使調(diào)節(jié)閥開度最終得以到達(dá)抵消擾動所需的位置。達(dá)抵消擾動所需的位置。v比例部分的閥位輸出比例部分的閥位輸出UpUp在調(diào)節(jié)過程的初始階段在調(diào)節(jié)過程的初始階段起較大作用，但調(diào)節(jié)過程結(jié)束后又返回到擾動起較大作用，但調(diào)節(jié)過程結(jié)束后又返回到擾動發(fā)生前的數(shù)發(fā)生前的數(shù)值。值。比例積分

31、調(diào)節(jié)過程比例積分調(diào)節(jié)過程48負(fù)荷變化前（負(fù)荷變化前（t 設(shè)定限值時，設(shè)定限值時， u uPIPI= =u umaxmax 結(jié)果：這樣有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差結(jié)果：這樣有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差積分分離法積分分離法 ee設(shè)定限值時，改用純設(shè)定限值時，改用純P P調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 結(jié)果：既不會積分飽和又能在小偏差時利用積分作用消除偏差結(jié)果：既不會積分飽和又能在小偏差時利用積分作用消除偏差遇限削弱積分法遇限削弱積分法 u uPIPI 設(shè)定限值時，只累加負(fù)偏差，反之亦然設(shè)定限值時，只累加負(fù)偏差，反之亦然 結(jié)果：可避免控制量長時間停留在飽和區(qū)結(jié)果：可避免控制量長時間停留在飽和區(qū)抗積分飽和的

32、措施抗積分飽和的措施59PDPD調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是4.5.2 比例微分比例微分(PD)(PD)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律(4.17) )(1(4.16) 2dtdeTeudtdeSeKuDP式中式中 比例帶，可視情況取正值或負(fù)值比例帶，可視情況取正值或負(fù)值 TD 微分時間微分時間60工業(yè)上實(shí)際采用的工業(yè)上實(shí)際采用的PDPD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：(4.19) 111)(sKTsTsGDDDc式中式中 KD 微分增益微分增益相應(yīng)的單位階躍響應(yīng)為相應(yīng)的單位階躍響應(yīng)為：(4.20) )/exp()1(11DDDKTtKu61圖圖 4.4.16 PD16 PD 調(diào)節(jié)器的單位階躍

33、響應(yīng)調(diào)節(jié)器的單位階躍響應(yīng) (4.20) )/exp()1(11DDDKTtKu微分作用微分作用純比例作用純比例作用純比例作用純比例作用TD大，微分作用強(qiáng)大，微分作用強(qiáng)62說明：說明：v微分作用的強(qiáng)弱用微分時間微分作用的強(qiáng)弱用微分時間T TD D來衡量來衡量 微分時間微分時間T TD D越大，微分作用越強(qiáng)，超前時間越大。越大，微分作用越強(qiáng)，超前時間越大。v理想的微分調(diào)節(jié)是不能單獨(dú)使用的，它總是依理想的微分調(diào)節(jié)是不能單獨(dú)使用的，它總是依附于比例調(diào)節(jié)或比例積分調(diào)節(jié)的。附于比例調(diào)節(jié)或比例積分調(diào)節(jié)的。63根據(jù)根據(jù)PDPD調(diào)節(jié)器的斜坡響應(yīng)也可以單獨(dú)測定它的微分時間調(diào)節(jié)器的斜坡響應(yīng)也可以單獨(dú)測定它的微分時間

34、T TD D圖圖 4.4.17 PD17 PD 調(diào)節(jié)器的斜坡響應(yīng)調(diào)節(jié)器的斜坡響應(yīng) 如果如果T TD D = 0 = 0即沒有微分即沒有微分動作，那么輸出動作，那么輸出u將按將按虛線變化。微分動作的虛線變化。微分動作的引入使輸出的變化提前引入使輸出的變化提前一段時間發(fā)生，而這段一段時間發(fā)生，而這段時間就等于時間就等于T TD D。PDPD調(diào)節(jié)器有導(dǎo)前作用，調(diào)節(jié)器有導(dǎo)前作用，其導(dǎo)前時間即是微分時其導(dǎo)前時間即是微分時間間T TD D。64v PDPD調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)在穩(wěn)態(tài)下，在穩(wěn)態(tài)下，dededtdt0 0，PDPD調(diào)節(jié)器的微分部分輸出為零，因此，調(diào)節(jié)器的微分部分輸出為零，因此，此時

35、此時PDPD調(diào)節(jié)與調(diào)節(jié)與P P調(diào)節(jié)相同。調(diào)節(jié)相同。v 微分調(diào)節(jié)有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用微分調(diào)節(jié)有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用 微分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)動作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩動作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩 引入微分動作要適度，當(dāng)引入微分動作要適度，當(dāng)T TD D超出某一上限值后，系統(tǒng)反而變得超出某一上限值后，系統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定不穩(wěn)定v 適度引入微分動作可以允許稍許減小比例帶適度引入微分動作可以允許稍許減小比例帶 這樣可以減小殘差、減小短期最大偏差、提高振蕩頻率同時保這樣可以減小殘差、減小短期最大偏差、提高振蕩頻率同時保持衰減率不變。持衰減率不變。比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)65v 微分調(diào)節(jié)也有

36、不利之處微分調(diào)節(jié)也有不利之處： 微分動作太強(qiáng)容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和微分動作太強(qiáng)容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和v 在在PDPD調(diào)節(jié)中總是以比例動作為主，微分動作只能起輔助調(diào)節(jié)中總是以比例動作為主，微分動作只能起輔助調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)作用。v PDPD調(diào)節(jié)器的抗干擾能力很差調(diào)節(jié)器的抗干擾能力很差 只能應(yīng)用于被調(diào)量的變化非常平穩(wěn)的過程，一般不用于流量和只能應(yīng)用于被調(diào)量的變化非常平穩(wěn)的過程，一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。液位控制系統(tǒng)。v 微分調(diào)節(jié)動作對于純遲延過程是無效的。微分調(diào)節(jié)動作對于純遲延過程是無效的。比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)（續(xù)）比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)（續(xù)）66圖圖4.18 P4.18 P調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)

37、系統(tǒng)和PDPD調(diào)節(jié)系統(tǒng)過程的比較調(diào)節(jié)系統(tǒng)過程的比較67圖圖4.194.19 PD PD控制系統(tǒng)不同微分時間的響應(yīng)過程控制系統(tǒng)不同微分時間的響應(yīng)過程68v PID PID調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)：將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用結(jié)合起來的調(diào)節(jié)。將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用結(jié)合起來的調(diào)節(jié)。v PID PID調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是：調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是：比例積分微分比例積分微分(PID) 調(diào)節(jié)規(guī)律及其基本特征調(diào)節(jié)規(guī)律及其基本特征 (4.22) (4.21) )1(10200dtdeTedtTeudtdeSedtSeKuDtItP v PID PID調(diào)節(jié)的三個特征參數(shù)調(diào)節(jié)的三個特征參數(shù)比例帶比例帶、積分時間、積分時間T

38、TI I、微分時間、微分時間T TD D69(4.23) )11 (1)(sTsTsGDI PIDPID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)物理上不能實(shí)現(xiàn)物理上不能實(shí)現(xiàn) 工業(yè)上實(shí)際采用的工業(yè)上實(shí)際采用的PIDPID調(diào)節(jié)器，如調(diào)節(jié)器，如DDZDDZ型型調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)律調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)律為為 (4.25) 1111 )(sKTsTsTKsGDDDIPc70圖中的陰影部分面積代表微分作用的強(qiáng)弱圖中的陰影部分面積代表微分作用的強(qiáng)弱圖圖4.20 4.20 工業(yè)工業(yè)PIDPID調(diào)節(jié)器單位階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)器單位階躍響應(yīng)7172v一組一組MATLABMATLAB仿真試驗(yàn)仿真試驗(yàn)) 15 . 0)(12(4)(sssGp

39、105. 01)(ssH73v純純P P作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)01234567891000.20.40.60.811.21.4Kp=0.7Kp=1.7Kp=2.7 純純P P調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié) KpKp大，穩(wěn)態(tài)誤差小，響應(yīng)快，但超調(diào)大大，穩(wěn)態(tài)誤差小，響應(yīng)快，但超調(diào)大74vPIPI作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)01234567891000.20.40.60.811.21.41.61.8Kp=0.7Ti=1Ti=0.5Ti=2 引入積分，消除了余差引入積分，消除了余差 TiTi小，響應(yīng)速度加快，超調(diào)大，系統(tǒng)振蕩加劇小，響應(yīng)速度加快，超調(diào)大，系統(tǒng)振蕩加劇75vP

40、IPI作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 在同樣積分常數(shù)在同樣積分常數(shù)TiTi下，減小比例增益下，減小比例增益KpKp可減小可減小超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性76vPDPD作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 引入微分項(xiàng)，提高了響應(yīng)速度，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性引入微分項(xiàng)，提高了響應(yīng)速度，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性但不能消除系統(tǒng)的余差但不能消除系統(tǒng)的余差77vPDPD作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 微分時間越大，微分作用越強(qiáng)，響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)微分時間越大，微分作用越強(qiáng)，響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)越穩(wěn)定越穩(wěn)定78vPIDPID作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng) PDPD基礎(chǔ)

41、上基礎(chǔ)上I I作用的引入消除了余差，達(dá)到了理想的多項(xiàng)作用的引入消除了余差，達(dá)到了理想的多項(xiàng)性能指標(biāo)要求：超調(diào)、上升時間、調(diào)節(jié)時間、余差等性能指標(biāo)要求：超調(diào)、上升時間、調(diào)節(jié)時間、余差等79v調(diào)節(jié)器動作規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器動作規(guī)律的選擇 應(yīng)根據(jù)對象特性、負(fù)荷變化、主要擾動和系統(tǒng)控制要應(yīng)根據(jù)對象特性、負(fù)荷變化、主要擾動和系統(tǒng)控制要求、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等進(jìn)行選擇。求、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等進(jìn)行選擇。 如，對象時間常數(shù)（遲延）大小、有無余差要求、負(fù)如，對象時間常數(shù)（遲延）大小、有無余差要求、負(fù)荷變化大小等荷變化大小等 T T大，加微分大，加微分 如溫度、成分、如溫度、成分、pH值控制等值

42、控制等 無余差，加積分無余差，加積分 如管道壓力和流量的控制如管道壓力和流量的控制 T T較小，負(fù)荷變化較小，工藝要求不高，純比例較小，負(fù)荷變化較小，工藝要求不高，純比例 貯罐壓力、液位的控制貯罐壓力、液位的控制 T T大（延遲大）、負(fù)荷變化大大（延遲大）、負(fù)荷變化大 復(fù)雜控制復(fù)雜控制80v 如果被控對象傳遞函數(shù)可用如果被控對象傳遞函數(shù)可用 則可根據(jù)對象的可控比則可根據(jù)對象的可控比/T/T選擇調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律選擇調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律。 / T 0.2， 選擇比例或比例積分動作選擇比例或比例積分動作; 0.2 1.0， 應(yīng)選用如串級、前饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)應(yīng)選用如串級、前饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)1)(TsKes

43、Gsp81由氣動或液動、電動儀表組成的模擬由氣動或液動、電動儀表組成的模擬PIDPID控制器控制器 由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PIDPID控制器控制器 82vPIDPID控制算法離散化控制算法離散化連續(xù)時間連續(xù)時間t離散化離散化采樣時刻點(diǎn)采樣時刻點(diǎn)KT83v位置式位置式PIDPID控制算法控制算法(4.26) )1()()()()(0kekeTTjeTTkeKkuDkjIp求和取代積分求和取代積分差分取代微分差分取代微分(4.22) )1(10dtdeTedtTeuDtI 84圖圖4.22 位置式位置式PIDPID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)85v位置式位置式PIDPID控制算法帶來的問題控制算

44、法帶來的問題 對對e(ke(k) )的累加增大了計(jì)算機(jī)的存儲量和運(yùn)的累加增大了計(jì)算機(jī)的存儲量和運(yùn)算的工作量算的工作量 u(ku(k) )的直接輸出易造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度的直接輸出易造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度動作動作 有些應(yīng)用場合要求增量式有些應(yīng)用場合要求增量式u(ku(k) )86v增量式增量式PIDPID控制控制)1()()()()(0kekeTTjeTTkeKkuDkjIp )2() 1()() 1() 1(10kiDIpkekeTTieTTkeKku)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkuDIPpK比例增益比例增益，IpITTKK/積分系數(shù)積分系數(shù)，TTKKDp

45、D/微分常數(shù)微分常數(shù) 87為編程方便，增量式為編程方便，增量式PIDPID可采用如下形式可采用如下形式式中式中TTKqTTKqTTTTKqDpDpDIp210)21 ()1 (4.29) )2() 1()()(210keqkeqkeqku88v增量式增量式PIDPID控制系統(tǒng)示意圖控制系統(tǒng)示意圖v位置式位置式PIDPID控制系統(tǒng)示意圖控制系統(tǒng)示意圖89v增量式增量式PIDPID控制算法的優(yōu)點(diǎn)控制算法的優(yōu)點(diǎn) 不累加誤差，增量的確定僅與最近幾次偏差不累加誤差，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，采樣值有關(guān)，計(jì)算精度計(jì)算精度對控制量的計(jì)算影響對控制量的計(jì)算影響較??；較小； 得出的是控制量的增量，得

46、出的是控制量的增量，誤動作影響誤動作影響小；??； 增量型算法不對偏差做累加，因而也不易引增量型算法不對偏差做累加，因而也不易引起起積分飽和積分飽和； 易實(shí)現(xiàn)易實(shí)現(xiàn)手動到自動手動到自動的無沖擊切換。的無沖擊切換。90v 積分項(xiàng)的改進(jìn)積分項(xiàng)的改進(jìn)積分分離積分分離PIDPID算法算法遇限削弱積分遇限削弱積分PIDPID算法算法91 積分分離積分分離PIDPID算法算法 控制偏差較大時，取消積分作用，以減小超調(diào)；控制偏差較大時，取消積分作用，以減小超調(diào)；控制偏差較小時，再恢復(fù)積分作用，以消除余差控制偏差較小時，再恢復(fù)積分作用，以消除余差 式中式中(4.31) )1()()()()(0kekeTTjeT

47、TkeKkuDkjIp |e(k)| |e(k)| 01 92圖圖4.244.24 有無積分分離的有無積分分離的PIDPID控制效果的比較控制效果的比較a普通PID b積分分離PID93v遇限削弱積分遇限削弱積分PIDPID算法算法 若上一時刻控制輸出已經(jīng)達(dá)到最大（?。羯弦粫r刻控制輸出已經(jīng)達(dá)到最大（?。?，則此次則此次只累加負(fù)（正）偏差只累加負(fù)（正）偏差 ，以避免控制，以避免控制量長時間停留在飽和區(qū)。量長時間停留在飽和區(qū)。 94v微分項(xiàng)的改進(jìn)微分項(xiàng)的改進(jìn) 微分作用對高頻干擾非常靈敏，容易引起控微分作用對高頻干擾非常靈敏，容易引起控制過程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)。為此有必要對制過程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)

48、。為此有必要對PIDPID算法中的微分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)。算法中的微分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)。v微分項(xiàng)的改進(jìn)算法微分項(xiàng)的改進(jìn)算法 不完全微分算法不完全微分算法 微分先行微分先行95v不完全微分算法不完全微分算法 在普通在普通PIDPID算法中加入一個一階慣性環(huán)節(jié)算法中加入一個一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波（低通濾波 ），以獲得比較柔），以獲得比較柔和的微分控制。和的微分控制。)1/(1)(sTsGf 96v微分先行微分先行 只對測量值只對測量值y(ty(t) )微分，而不對偏差微分，而不對偏差e(te(t) )微分，微分，也即對給定值也即對給定值r(tr(t) )無微分作用。無微分作用。 這樣在調(diào)整設(shè)定值時，控制器的輸出

49、就不會這樣在調(diào)整設(shè)定值時，控制器的輸出就不會產(chǎn)生劇烈的跳變，也就避免了給定值升降給產(chǎn)生劇烈的跳變，也就避免了給定值升降給系統(tǒng)造成的沖擊。系統(tǒng)造成的沖擊。97 v調(diào)整調(diào)整PIDPID調(diào)節(jié)器中的三個參數(shù)調(diào)節(jié)器中的三個參數(shù) 比例參數(shù)比例參數(shù) K KP （或者是比例帶（或者是比例帶） 積分時間常數(shù)積分時間常數(shù)T TI 微分時間常數(shù)微分時間常數(shù)T TD 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID中的采樣周期中的采樣周期T TS S4.7 PIDPID調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程整定98衡量調(diào)節(jié)器參數(shù)是否最佳，需要規(guī)定衡量調(diào)節(jié)器參數(shù)是否最佳，需要規(guī)定一個明確的統(tǒng)一反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能一個明確的統(tǒng)一反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性

50、能指標(biāo)。指標(biāo)。99v單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo) 衰減率衰減率( (或衰減比或衰減比) ) 、最大動態(tài)偏差、調(diào)節(jié)、最大動態(tài)偏差、調(diào)節(jié)時間時間( (又稱回復(fù)時間又稱回復(fù)時間) )或振蕩周期等或振蕩周期等 v誤差積分性能指標(biāo)誤差積分性能指標(biāo) 誤差積分（誤差積分（IEIE）、絕對誤差積分（）、絕對誤差積分（IAEIAE）、）、平方誤差積分（平方誤差積分（ISEISE）、時間與絕對誤差乘）、時間與絕對誤差乘積積分（積積分（ITAEITAE）等）等 min)(0dtteIAE100v誤差積分性能指標(biāo)（續(xù)）誤差積分性能指標(biāo)（續(xù)） ISEISE（ ） 最大動態(tài)偏差較小，調(diào)節(jié)時間較長最大動態(tài)偏差較小，調(diào)節(jié)時間較長

51、 IAE IAE （ ） 介于介于 ISE ISE 和和 ITAE ITAE 之間之間 ITAE ITAE （ ） 最大動態(tài)偏差最大，調(diào)節(jié)時間最短最大動態(tài)偏差最大，調(diào)節(jié)時間最短 ISE ISE 抑制大偏差抑制大偏差 IAE IAE 抑制小偏差抑制小偏差 ITAE ITAE 抑制長時間存在的偏差抑制長時間存在的偏差 02dte0|dte0|dtet101v動態(tài)特性參數(shù)法動態(tài)特性參數(shù)法 v穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法 v衰減曲線法衰減曲線法 )1(10dtdeTedtTeuDtI 102v背景：背景：19421942年由齊格勒年由齊格勒(Ziegler)(Ziegler)和尼科爾和尼科爾斯斯(Nichol

52、s)(Nichols)首先提出。首先提出。v使用方法的前提是，廣義被控對象的階躍使用方法的前提是，廣義被控對象的階躍響應(yīng)可用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來近似。響應(yīng)可用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來近似。 seTsKsG1)(103v動態(tài)特性參數(shù)法：動態(tài)特性參數(shù)法： 若廣義被控對象的階躍響應(yīng)可用一階慣性環(huán)節(jié)若廣義被控對象的階躍響應(yīng)可用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來近似加純延遲來近似 則做實(shí)驗(yàn)得對象參數(shù)則做實(shí)驗(yàn)得對象參數(shù) 再根據(jù)再根據(jù)Z ZN N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式求取調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式求取PIDPID參數(shù)：參數(shù)：seTsKsG1)(,TK)1(10dtdeTedtTeuDtI104)1(10dtdeTedtTeuDtI

53、105v以衰減率 為性能指標(biāo)的柯恩(Cohen)-庫恩(Coon)整定公式 v以各種誤差積分值為系統(tǒng)性能指標(biāo)的調(diào)節(jié)器最佳數(shù)整定公式 75. 0106(4.34) 333.0)/(1TKKP (4.35) )/(2 . 21/)/( 3 . 0)/(33. 3/082. 0)/(9 . 021TTTTTTKKIP (4.36) )/(2 . 01/)/(37. 0/)/(6 . 01/)/(5 . 0)/(5 . 2/27. 0)/(35. 121TTTTTTTTTTKKDIP 1）比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器2 2）比例積分調(diào)節(jié)器）比例積分調(diào)節(jié)器 3 3）比例積分微分調(diào)節(jié)器）比例積分微分調(diào)節(jié)器柯恩柯恩

54、(Cohen)-庫恩庫恩(Coon)整定公式整定公式 1074.7.2.2 4.7.2.2 穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法v是閉環(huán)的整定方法。是閉環(huán)的整定方法。v基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，即基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，即臨界比例帶臨界比例帶 和臨界振蕩周期和臨界振蕩周期 ，利用一，利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)值。些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)值。v方法操作要點(diǎn)：方法操作要點(diǎn)： 純比例調(diào)節(jié)下純比例調(diào)節(jié)下調(diào)比例帶，使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩調(diào)比例帶，使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩pr prT108109注意：注意：v在采用這種方法時，在采用這種方法時，控制系統(tǒng)應(yīng)工作在線控制系統(tǒng)應(yīng)工作在線性區(qū)性

55、區(qū)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極限環(huán)，不能依據(jù)此時的數(shù)據(jù)來計(jì)算整定參限環(huán)，不能依據(jù)此時的數(shù)據(jù)來計(jì)算整定參數(shù)。數(shù)。v由于被控對象特性的不同，按上述經(jīng)驗(yàn)公由于被控對象特性的不同，按上述經(jīng)驗(yàn)公式求得的調(diào)節(jié)器整定參數(shù)不一定都能獲得式求得的調(diào)節(jié)器整定參數(shù)不一定都能獲得滿意的結(jié)果。為此，在實(shí)際應(yīng)用時，需要滿意的結(jié)果。為此，在實(shí)際應(yīng)用時，需要針對具體系統(tǒng)，對上述求得的調(diào)節(jié)器參數(shù)針對具體系統(tǒng)，對上述求得的調(diào)節(jié)器參數(shù)作在線校正。作在線校正。 110v也是閉環(huán)整定方法也是閉環(huán)整定方法 v整定的依據(jù)同穩(wěn)定邊界法，也是純比例整定的依據(jù)同穩(wěn)定邊界法，也是純比例調(diào)節(jié)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)下的

56、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，v不同的只是這里的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自系統(tǒng)的不同的只是這里的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自系統(tǒng)的衰減振蕩衰減振蕩，且衰減比特定，且衰減比特定( (通常為通常為4:14:1或或10:1)10:1)，v之后就與穩(wěn)定邊界法一樣，也是利用一之后就與穩(wěn)定邊界法一樣，也是利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器相應(yīng)的整定參些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器相應(yīng)的整定參數(shù)。數(shù)。 4.7.2.3 衰減曲線法衰減曲線法111圖圖4.30 4:1 4:1衰減振蕩曲線衰減振蕩曲線 圖圖4.31 10:1 10:1衰減振蕩曲線衰減振蕩曲線112v衰減曲線法的整定公式衰減曲線法的整定公式113經(jīng)驗(yàn)整定法經(jīng)驗(yàn)整定法 （經(jīng)驗(yàn)試湊法（經(jīng)驗(yàn)試湊法 ）v根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先選一

57、組控制器參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先選一組控制器參數(shù)v將系統(tǒng)投入運(yùn)行將系統(tǒng)投入運(yùn)行v根據(jù)運(yùn)行情況依經(jīng)驗(yàn)調(diào)整根據(jù)運(yùn)行情況依經(jīng)驗(yàn)調(diào)整PIDPID參數(shù)參數(shù)114Kp微分微分積分積分115v例例4.1 4.1 用動態(tài)特性參數(shù)法和穩(wěn)定邊界法整用動態(tài)特性參數(shù)法和穩(wěn)定邊界法整定調(diào)節(jié)器。定調(diào)節(jié)器。 已知被控對象為二階慣性環(huán)節(jié)已知被控對象為二階慣性環(huán)節(jié) 測量裝置和調(diào)節(jié)閥的特性為測量裝置和調(diào)節(jié)閥的特性為) 12)(15(1)(sssG0 . 1)(,1101)(sGssGvm116 廣義對象的傳遞函數(shù)為廣義對象的傳遞函數(shù)為 其階躍響應(yīng)曲線（曲線其階躍響應(yīng)曲線（曲線1 1） 可近似為帶純延遲的一階環(huán)節(jié)特性（曲線）可近似為帶純延遲

58、的一階環(huán)節(jié)特性（曲線）) 110)(12)(15(1)()()()(ssssGsGsGsGmvpspessG5 . 21201)(117v利用柯恩利用柯恩庫恩參數(shù)整定公式，求得庫恩參數(shù)整定公式，求得v用穩(wěn)定邊界法整定的調(diào)節(jié)器參數(shù)為用穩(wěn)定邊界法整定的調(diào)節(jié)器參數(shù)為比較：比較：1) 1) 柯恩柯恩庫恩整定公式求得的比例增益稍大。庫恩整定公式求得的比例增益稍大。2) 2) 穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)中積分、微分時間較大穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)中積分、微分時間較大。118v離線整定和在線整定離線整定和在線整定v自適應(yīng)自適應(yīng)PIDPID參數(shù)整定的基本思路參數(shù)整定的基本思路 首先設(shè)法辨識出過程的特性，然后按某種規(guī)律對控制首先設(shè)法辨識出過程的特性，然后按某種規(guī)律對控制參數(shù)進(jìn)行整定參數(shù)進(jìn)行整定 v繼電器型自整定法繼電器型自整定法 測試模式測試模式 利用繼電環(huán)節(jié)的時滯特性產(chǎn)生閉環(huán)等幅振蕩，再利用穩(wěn)定邊界利用繼電環(huán)節(jié)的時滯特性產(chǎn)生閉環(huán)等幅振蕩，再利用穩(wěn)定邊界法計(jì)算出整定的法計(jì)算出整定的PID參數(shù)參數(shù) 控制模式控制模式 利用整定后的參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)利用整定后的參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)4.7.3 PID4.7.3 PID參數(shù)的自整定方法參數(shù)的自整定方法119v繼電器型繼電器型PIDPID參數(shù)自整定控制結(jié)構(gòu)（圖參數(shù)自整定控制結(jié)構(gòu)（圖4.35 4.35 ）v繼電器的時滯特性繼電器的時滯特性v臨界比例帶臨界比例帶 的確