PID控制!!課件

1、第第4章章 PIDPID控制控制1、什么是、什么是PID控制控制比例、積分、微分控制比例、積分、微分控制PID控制器是實際工業(yè)控制過程中控制器是實際工業(yè)控制過程中應用最應用最廣泛、最成功廣泛、最成功的一種控制方法。的一種控制方法。PID：Proportional Integral DerivativePID控制控制：對偏差信號：對偏差信號e(t)進行比例、積分和進行比例、積分和微分運算變換后形成的一種控制規(guī)律。微分運算變換后形成的一種控制規(guī)律?！袄闷睢⑾罾闷?、消除偏差”控制器的控制規(guī)律就是控制器的控制規(guī)律就是u(t)與與e(t)之間的關(guān)系，之間的關(guān)系，是在人工經(jīng)驗的基礎上總結(jié)并發(fā)

2、展的。是在人工經(jīng)驗的基礎上總結(jié)并發(fā)展的?？刂破鞯幕究刂埔?guī)律有：控制器的基本控制規(guī)律有：比例、積分和微分比例、積分和微分 反應器的溫度控制反應器的溫度控制人工操作過程分析人工操作過程分析以蒸汽加熱反應釜為例：設反應溫度：85度，輕微放熱反應 操縱變量：蒸汽流量 被控變量：反應溫度 干擾：蒸汽壓力、進料流量等人工操作（人工操作（1）：開關(guān)控制）：開關(guān)控制u 若溫度低于若溫度低于85度，蒸度，蒸汽閥門汽閥門全全開開u 若溫度高于若溫度高于85度，蒸度，蒸汽閥門汽閥門全全關(guān)關(guān)現(xiàn)象現(xiàn)象：溫度持續(xù)波動，過：溫度持續(xù)波動，過程處于振蕩中。程處于振蕩中。結(jié)果結(jié)果：雙位控制規(guī)律控制：雙位控制規(guī)律控制品質(zhì)差，滿

3、足不了生產(chǎn)要品質(zhì)差，滿足不了生產(chǎn)要求。求。人工操作（人工操作（2）：比例控制）：比例控制u 溫度為溫度為85度，蒸汽閥門開度是度，蒸汽閥門開度是3圈圈u 若溫度高于若溫度高于85度，每高度，每高5度度就關(guān)就關(guān)一圈一圈閥門閥門u 若溫度低于若溫度低于85度，每低度，每低5度度就開就開一圈一圈閥門閥門即開啟圈數(shù)即開啟圈數(shù)3-1/5(y-85)相應控制規(guī)律可寫為：相應控制規(guī)律可寫為：u(0)：偏差為：偏差為0時控制器輸出時控制器輸出Kc：控制器比例放大倍數(shù)：控制器比例放大倍數(shù)人工操作（人工操作（2）：比例控制）：比例控制現(xiàn)象：現(xiàn)象：溫度控制得溫度控制得比較平穩(wěn)比較平穩(wěn)結(jié)果：結(jié)果：控制品質(zhì)有一定改善，

4、但負荷變化控制品質(zhì)有一定改善，但負荷變化時，會有余差。時，會有余差。如工況有變動，當閥門開如工況有變動，當閥門開3圈時，溫度不圈時，溫度不再保持在再保持在85度。度。人工操作（人工操作（3）：增加積分作用）：增加積分作用首先按照比例控制操作，然后不斷觀察首先按照比例控制操作，然后不斷觀察u 若溫度低于若溫度低于85度，度，慢慢地持續(xù)開大閥門慢慢地持續(xù)開大閥門u 若溫度高于若溫度高于85度，度，慢慢地持續(xù)開小閥門慢慢地持續(xù)開小閥門直到溫度回到直到溫度回到85度度即控制器輸出變化的速度與偏差成正比：即控制器輸出變化的速度與偏差成正比：KI：積分控制作用放大倍數(shù)積分控制作用放大倍數(shù)現(xiàn)象現(xiàn)象：只要有偏

5、差，控制器輸出就不斷變化。：只要有偏差，控制器輸出就不斷變化。結(jié)果結(jié)果：輸出穩(wěn)定在設定的：輸出穩(wěn)定在設定的85度上，即消除了度上，即消除了余差。余差。人工操作（人工操作（4）：增加微分作用）：增加微分作用 由于溫度過程容量滯后大，當出現(xiàn)偏差由于溫度過程容量滯后大，當出現(xiàn)偏差時，其數(shù)值已經(jīng)較大，因此，補充經(jīng)驗：根時，其數(shù)值已經(jīng)較大，因此，補充經(jīng)驗：根據(jù)偏差變化的速度來開啟閥門，從而抑制偏據(jù)偏差變化的速度來開啟閥門，從而抑制偏差的幅度，使控制作用更加及時。差的幅度，使控制作用更加及時。 PID控制器的輸入輸出關(guān)系為：控制器的輸入輸出關(guān)系為：在很多情形下，在很多情形下，PID 控制并不一定需要控制并

6、不一定需要全部的三項控制作用，而是可以方便靈全部的三項控制作用，而是可以方便靈活地改變控制策略，實施活地改變控制策略，實施P、PI、PD或或PID 控制?？刂?。2、PID控制的應用場合？控制的應用場合？當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握；當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握；得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時；它技術(shù)難以采用時；系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定?，F(xiàn)場調(diào)試來確定。這時應用這時應用PID控制技術(shù)最為方便控制技術(shù)最為方便3、比例（、比例（P）控制）控制 (現(xiàn)在現(xiàn)在）彈簧的伸長彈簧

7、的伸長y y與力與力f f成比例，即成比例，即 y=k1f（k1=定值定值）像彈簧這樣的環(huán)節(jié)稱為像彈簧這樣的環(huán)節(jié)稱為比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)3、比例（、比例（P）控制）控制 (現(xiàn)在現(xiàn)在）其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。系。其傳遞函數(shù)為其傳遞函數(shù)為:3、比例（、比例（P）控制）控制 (現(xiàn)在現(xiàn)在）偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出（調(diào)節(jié)控制輸出（在時間上沒有延遲在時間上沒有延遲），使被），使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)的速度取決于比例系數(shù)Kp，Kp

8、越大偏差減越大偏差減小的越快。小的越快。 Kp是衡量比例作用強弱的參數(shù)。是衡量比例作用強弱的參數(shù)。比例控制的作用比例控制的作用:1、對當前時刻的偏差信號、對當前時刻的偏差信號e（t）進行放大或衰減后作為控制信進行放大或衰減后作為控制信號輸出。號輸出。2、比例系數(shù)、比例系數(shù)Kp越大，控制作越大，控制作用越強，系統(tǒng)的動態(tài)特性也越用越強，系統(tǒng)的動態(tài)特性也越好，動態(tài)特性主要表現(xiàn)為起動好，動態(tài)特性主要表現(xiàn)為起動快，對階躍設定跟隨的快。快，對階躍設定跟隨的快。比例控制的作用比例控制的作用:3、對于有慣性的系統(tǒng)，、對于有慣性的系統(tǒng)， Kp過大時會出現(xiàn)過大時會出現(xiàn)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)振蕩，影響系較大的超調(diào)

9、，甚至引起系統(tǒng)振蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。統(tǒng)的穩(wěn)定性。4、比例控制控制雖能減少偏差，卻不能消、比例控制控制雖能減少偏差，卻不能消除靜態(tài)偏差。除靜態(tài)偏差。缺點：缺點：很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下。節(jié)比較大的情況下。Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小，但是調(diào)減小，發(fā)生振蕩的可能性減小，但是調(diào)節(jié)速度變慢。節(jié)速度變慢。單純的比例控制存在單純的比例控制存在:穩(wěn)態(tài)誤差不能消除的缺點。穩(wěn)態(tài)誤差不能消除的缺點。這里就需要這里就需要積分（積分（I）控制）控制。4、 積分（積分（I）控制規(guī)律（）控制規(guī)律（過去過去）：）： 設流入的流量為設流入的流量為x，活塞的移動距離，活塞

10、的移動距離為為y，S為活塞的截面為活塞的截面積，積，t為時間。為時間。當流入的流量為一定值當流入的流量為一定值x x0 0時，可以得出：時，可以得出：y=x0t/S如果如果x x是變化的，即為是變化的，即為t t的函數(shù)，則的函數(shù)，則也就是說，若以流入的流量也就是說，若以流入的流量x作為輸入作為輸入，以移動距離，以移動距離y作為輸出作為輸出，則油缸是個則油缸是個積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)。4、 積分（積分（I）控制規(guī)律（）控制規(guī)律（過去過去）：）： 具有積分控制規(guī)律的控制器稱為具有積分控制規(guī)律的控制器稱為積分積分(I)控制器控制器, 其傳遞函數(shù)為其傳遞函數(shù)為: 輸出信號和輸入信號的關(guān)系：輸出信號和輸入信號

11、的關(guān)系：帶控制器的系統(tǒng)輸入輸出示意圖帶控制器的系統(tǒng)輸入輸出示意圖控制器輸出信號的大小，不僅與偏差大小有關(guān)，還取決于偏控制器輸出信號的大小，不僅與偏差大小有關(guān)，還取決于偏差存在的時間長短。差存在的時間長短。只要有偏差存在，控制器的輸出就不斷變化。偏差存在時間只要有偏差存在，控制器的輸出就不斷變化。偏差存在時間越長，輸出信號的變化量越大，直到達到輸出極限。越長，輸出信號的變化量越大，直到達到輸出極限。只有余差為只有余差為0，控制器的輸出才穩(wěn)定。，控制器的輸出才穩(wěn)定。積分控制作用積分控制作用：1、積分控制作用是累積系統(tǒng)從零時刻（系、積分控制作用是累積系統(tǒng)從零時刻（系統(tǒng)啟動時刻起到當前的偏差信號統(tǒng)啟動

12、時刻起到當前的偏差信號e(t)的歷史的歷史過程。過程。2、積分控制的輸出與偏差、積分控制的輸出與偏差e(t)存在全部時存在全部時段有關(guān)，只要有足夠的時間，積分將能消段有關(guān)，只要有足夠的時間，積分將能消除靜態(tài)偏差。除靜態(tài)偏差。3、積分控制不能及時克服擾動的影響。、積分控制不能及時克服擾動的影響。積分控制作用積分控制作用總是滯后于偏差的存在，因總是滯后于偏差的存在，因此它不能有效地克服擾動的影響，難以使此它不能有效地克服擾動的影響，難以使得控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來，因此積分控制作用得控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來，因此積分控制作用很少單獨使用。很少單獨使用。比例作用比例作用的輸出與偏差同步，偏差大，輸?shù)妮敵雠c偏差同步，

13、偏差大，輸出大，偏差小，輸出小，因此控制及時。出大，偏差小，輸出小，因此控制及時。而積分作用則不是。而積分作用則不是。工業(yè)上常將比例作用與積分作用組合成比工業(yè)上常將比例作用與積分作用組合成比例積分控制規(guī)律。例積分控制規(guī)律。5、微分（、微分（D）控制規(guī)律）控制規(guī)律 （將來將來）微分（微分（D）控制規(guī)律）控制規(guī)律 （將來將來）求得活塞的移動距離求得活塞的移動距離y與作用于活塞的力與作用于活塞的力f之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：也就是說，若以距離也就是說，若以距離y作為輸入作為輸入，以力，以力f作為輸出作為輸出，則緩沖器可以稱，則緩沖器可以稱為為微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)。微分控制器的輸出只與偏差的變化速度有微分控

14、制器的輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，關(guān)，而與偏差存在與否無關(guān)而與偏差存在與否無關(guān)。因此，純粹的微分控制作用是無意義的，因此，純粹的微分控制作用是無意義的，一般都將微分控制作用與比例控制結(jié)合起一般都將微分控制作用與比例控制結(jié)合起來使用。來使用。微分控制的作用：微分控制的作用：1、微分控制的作用是有偏差信號、微分控制的作用是有偏差信號e（t）的當?shù)漠斍白兓是白兓蔰e/dt預見隨后的偏差將是增大還是預見隨后的偏差將是增大還是減少，增減的幅度如何。減少，增減的幅度如何。2、微分控制的作用正比于偏差信號、微分控制的作用正比于偏差信號e（t）的的當前變化率，只能對偏差信號當前變化率，只能對偏差信號e（t

15、）變化的變化的速度其反應，對于一個固定不變的偏差速度其反應，對于一個固定不變的偏差e（t）無論其數(shù)值多大，根本不會有微分作用輸出。無論其數(shù)值多大，根本不會有微分作用輸出。微分控制的作用：微分控制的作用：3、由于只能在、由于只能在偏差剛剛出現(xiàn)時產(chǎn)生很大的控偏差剛剛出現(xiàn)時產(chǎn)生很大的控制作用，制作用，微分控制可以加快微分控制可以加快系統(tǒng)響應速度系統(tǒng)響應速度，減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的快速性，并減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的快速性，并且有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，從而提高且有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，從而提高系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性，但不能消除系統(tǒng)的，但不能消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差靜態(tài)偏差。 PID控制的基

16、本形式可用下圖表示?？刂频幕拘问娇捎孟聢D表示。 如果用如果用e=(r-y)表示偏差，則表示偏差，則PID控制變?yōu)椋嚎刂谱優(yōu)椋?。它們是影響控制?guī)律特性的參數(shù)，統(tǒng)稱為反饋增益。它們是影響控制規(guī)律特性的參數(shù)，統(tǒng)稱為反饋增益。TI(=kP/kI) 稱為積分時間，稱為積分時間，TD(=kD/kP) 稱為微分時間，稱為微分時間，分別具有時間量綱。分別具有時間量綱。 PID控制規(guī)律的離散形式為控制規(guī)律的離散形式為:式中，式中，T為采樣周期；為采樣周期；e(n)為第為第n次采樣的偏差值；次采樣的偏差值；e(n-1)為第為第n-1次采樣時的偏差值。次采樣時的偏差值。PID控制器的三個參數(shù)有不同的控制作用?？刂?/p>

17、器的三個參數(shù)有不同的控制作用。（1）P控制器實質(zhì)上是一個具有可調(diào)增益的放大控制器實質(zhì)上是一個具有可調(diào)增益的放大器。器。在控制系統(tǒng)中，增大在控制系統(tǒng)中，增大kP可加快響應速度，但過大可加快響應速度，但過大容易出現(xiàn)振蕩；容易出現(xiàn)振蕩；（2）積分控制器能消除或減弱穩(wěn)態(tài)偏差，但它的存）積分控制器能消除或減弱穩(wěn)態(tài)偏差，但它的存在會使系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)的時間變長，限制系統(tǒng)的快速性；在會使系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)的時間變長，限制系統(tǒng)的快速性；（3）微分控制規(guī)律能反映輸入信號的變化趨）微分控制規(guī)律能反映輸入信號的變化趨勢，相對比例控制規(guī)律而言具有預見性，增加勢，相對比例控制規(guī)律而言具有預見性，增加了系統(tǒng)的阻尼程度，有助于減少超

18、調(diào)量，克服了系統(tǒng)的阻尼程度，有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的跟蹤速度，振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的跟蹤速度，但對輸入信號的噪聲很敏感。但對輸入信號的噪聲很敏感。 圖中為同一對象圖中為同一對象在各種不同的控制規(guī)在各種不同的控制規(guī)律的作用下的過渡過律的作用下的過渡過程曲線。程曲線?？梢钥闯?，在比例作可以看出，在比例作用的基礎上，加入微用的基礎上，加入微分作用可以減少過渡分作用可以減少過渡過程的最大偏差及控過程的最大偏差及控制時間；加入積分作制時間；加入積分作用雖然能消除余差，用雖然能消除余差，但使過渡過程的最大但使過渡過程的最大偏差及控制時間增大。偏差及控制時間增大。 實際工程中實際工程中PID控制仍控制仍應用廣泛，其三個系數(shù)是通應用廣泛，其三個系數(shù)是通過調(diào)整和觀察實際性能來經(jīng)過調(diào)整和觀察實際性能來經(jīng)驗地確定。驗地確定。 各類化工過程常用的控制規(guī)律。各類化工過程常用的控制規(guī)律