PID控制經(jīng)典PPT

1、1第第4 4章章 PIDPID控制原理控制原理 4.l PID4.l PID控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn)4.2 4.2 比例控制比例控制(P(P控制控制) )4.3 4.3 比例積分控制比例積分控制(PI(PI控制控制) )4.4 4.4 比例積分微分控制比例積分微分控制(PID(PID控制控制) )4.5 4.5 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制控制4.6 4.6 利用利用MATLABMATLAB實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)PIDPID控制規(guī)律控制規(guī)律本章小結(jié)本章小結(jié)24.l 4.l PIDPID控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn)PID 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-Dif

2、ferentialProportional-Integral-Differential）歷史最久、應(yīng)用最廣，適應(yīng)性最強(qiáng)的控制方歷史最久、應(yīng)用最廣，適應(yīng)性最強(qiáng)的控制方式式在工業(yè)生產(chǎn)過程中，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，PIDPID控制算法占控制算法占85%85%90%90%3反饋控制反饋控制 根據(jù)誤差進(jìn)行的控制根據(jù)誤差進(jìn)行的控制給定（目標(biāo)）給定（目標(biāo)）輸出（控制結(jié)果）輸出（控制結(jié)果）4.l PID4.l PID控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn)4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PID4.l PID4.l PID控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn)5

3、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 ) = ) = 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)的線性組的線性組合合 )()(1)()(0dttdeTdtteTteKtuDtIc式中式中 Kc 比例系數(shù)比例系數(shù) TI 積分時(shí)間常數(shù)積分時(shí)間常數(shù) TD 微分時(shí)間常數(shù)微分時(shí)間常數(shù)4.l PID4.l PID控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn)6PIDPID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)控制具有以下優(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)

4、適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)部門。部門。魯棒性強(qiáng)魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控對象特，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。性的變化不大敏感。對模型依賴少對模型依賴少。按按 PIDPID控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器早已控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器早已商品化。商品化。4.l PID4.l PID控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn)7 在過程控制中，絕大部分都采用在過程控制中，絕大部分都采用 PIDPID控制?？刂啤＠獾那闆r有兩種。例外的情況有兩種。一種是被控對象易于控制而控制要求又不高一種是被控對象易于控制而控制

5、要求又不高的，可以采用更簡單的開關(guān)控制方式。的，可以采用更簡單的開關(guān)控制方式。另一種是被控對象特別難以控制而控制要求另一種是被控對象特別難以控制而控制要求又特別高的情況，這時(shí)如果又特別高的情況，這時(shí)如果 PIDPID控制難以達(dá)控制難以達(dá)到生產(chǎn)要求就要考慮采用更先進(jìn)的控制方法。到生產(chǎn)要求就要考慮采用更先進(jìn)的控制方法。4.l PID4.l PID控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn)84.2.1 4.2.1 比例控制的調(diào)節(jié)規(guī)律和比例帶比例控制的調(diào)節(jié)規(guī)律和比例帶4.2.2 4.2.2 比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn)4.2.3 4.2.3 比例帶對控制過程的影響比例帶對控制過程的影響9在在 P P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)

6、調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u u與偏差與偏差信號(hào)信號(hào)e e成比例，即成比例，即 u uK Kc ce e 式中，式中，K Kc c稱為比例增益稱為比例增益( (視情況可設(shè)置為視情況可設(shè)置為正或負(fù)正或負(fù)) )。10 在實(shí)際應(yīng)用中，由于執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)（如閥門在實(shí)際應(yīng)用中，由于執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)（如閥門 開度）有限，控制器的輸出開度）有限，控制器的輸出u u( (t t) )也就被限制在也就被限制在一定的范圍之內(nèi)，一定的范圍之內(nèi)， 換句話說，在換句話說，在K Kc c較大時(shí)，偏差較大時(shí)，偏差e e( (t t) )僅在一定僅在一定的范圍內(nèi)與控制器的輸出保持線性關(guān)系。的范圍內(nèi)與控制器的輸出保持線性關(guān)系。11圖圖

7、4-14-1說明了偏差與輸出之間保持線性關(guān)系的范圍說明了偏差與輸出之間保持線性關(guān)系的范圍圖中偏差在圖中偏差在-50%-50%-50%-50%范圍變化時(shí)，范圍變化時(shí)，如果如果K Kc=1c=1，則控制器輸出，則控制器輸出u u( (t t) )變化在變化在0 0100%100%范圍（對應(yīng)閥門范圍（對應(yīng)閥門的全關(guān)到全開），并與輸入的全關(guān)到全開），并與輸入e e( (t t) )之間保持線性關(guān)系。之間保持線性關(guān)系。K Kc1c1時(shí)，制器輸出時(shí)，制器輸出u u( (t t) )與輸入與輸入e e( (t t) )之間的線性關(guān)系只在之間的線性關(guān)系只在-50%/-50%/K Kc c50%/50%/K K

8、c c滿足滿足。12 當(dāng)當(dāng)| |e e( (t t)|)|超出該范圍時(shí)，控制器輸出具有飽和特超出該范圍時(shí)，控制器輸出具有飽和特性，保持在最小或最大值。性，保持在最小或最大值。 因此，比例控制有一定的應(yīng)用范圍，超過該范圍因此，比例控制有一定的應(yīng)用范圍，超過該范圍時(shí)，控制器輸出與輸入之間不成比例關(guān)系。時(shí)，控制器輸出與輸入之間不成比例關(guān)系。 這表明，從局部范圍看，比例控制作用表示控制這表明，從局部范圍看，比例控制作用表示控制輸出與輸入之間是線性關(guān)系，但從整體范圍看，兩者輸出與輸入之間是線性關(guān)系，但從整體范圍看，兩者之間是非線性關(guān)系。之間是非線性關(guān)系。13P 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

9、偏差信號(hào)能做出及時(shí)調(diào)節(jié)對偏差信號(hào)能做出及時(shí)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(shí)，并不意味著調(diào)節(jié)時(shí)，并不意味著調(diào)節(jié)器沒有輸出，它只說明此時(shí)有器沒有輸出，它只說明此時(shí)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。0u0+Kceu0u = Kc e14%100| /| /minmaxminmaxuuueee,maxminee,maxminuu2 2比例帶及其物理意義比例帶及其物理意義 比例帶的定義比例帶

10、的定義 在過程控制中，通常用比例度表示控制輸出在過程控制中，通常用比例度表示控制輸出與偏差成線性關(guān)系的比例控制器輸入（偏差）的范與偏差成線性關(guān)系的比例控制器輸入（偏差）的范圍。因此，比例度又稱為比例帶，其定義為圍。因此，比例度又稱為比例帶，其定義為式中式中，為偏差信號(hào)范圍，即儀表的量程為偏差信號(hào)范圍，即儀表的量程；為控制器輸出信號(hào)范圍，即控制器輸出的工作范圍。為控制器輸出信號(hào)范圍，即控制器輸出的工作范圍。15習(xí)題4.2(p98) 某電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器的測量范圍為某電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器的測量范圍為100-200100-200o oC C，其輸出為其輸出為0-10mA0-10mA。當(dāng)溫度從。當(dāng)溫度從1401

11、40o oC C變化到變化到160160o oC C時(shí)，時(shí)，測得調(diào)節(jié)器的輸出從測得調(diào)節(jié)器的輸出從3mA3mA變化到變化到7mA7mA。試求出該調(diào)。試求出該調(diào)節(jié)器比例帶。節(jié)器比例帶。%100)/()/(minmaxminmaxuuueee 16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(hào)，即是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即 ，則有，則有此時(shí)比例帶（比例度）此時(shí)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(lì)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生例帶小，則較小的偏差就能激勵(lì)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)

12、的比例增益就大。3)-(4 %1001%100cKue|uu|ee|minmaxminmax17u 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(shí)所需要的被調(diào)量的變化范圍。即從全關(guān)到全開時(shí)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% 就表示就表示被調(diào)量需要改變被調(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。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)以內(nèi)調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)閥的開度( (變化變化) )才與偏差成比例。才與偏差成

13、比例。超出這個(gè)超出這個(gè)“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。184.2.1 4.2.1 比例控制的調(diào)節(jié)規(guī)律和比例帶比例控制的調(diào)節(jié)規(guī)律和比例帶4.2.2 4.2.2 比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn)4.2.3 4.2.3 比例帶對控制過程的影響比例帶對控制過程的影響19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)。20 如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷擾動(dòng)下如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，

14、它們之間一定有定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差殘差。 因?yàn)楦鶕?jù)比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，只有調(diào)節(jié)因?yàn)楦鶕?jù)比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，只有調(diào)節(jié)器的輸入有變化器的輸入有變化, ,即被調(diào)量和設(shè)定值之間即被調(diào)量和設(shè)定值之間有偏差有偏差, ,調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)發(fā)生變化。調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)發(fā)生變化。21abeuKc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)，Kc大，余差小。大，余差小。液位比例控制系

15、統(tǒng)示意圖液位比例控制系統(tǒng)示意圖22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)定值與給定值不相等而形成的差值。的差值。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。23比例控制是比例控制是有差控制有差控制可以根據(jù)控制理論加以驗(yàn)?？梢愿鶕?jù)控制理論加以驗(yàn)。因如果廣義被控對象的傳遞函數(shù)因如果廣義被控對象的傳遞函數(shù) G

16、pGp( (s s) )具有一階具有一階慣性加純遲延的形式慣性加純遲延的形式則當(dāng)控制器則當(dāng)控制器 GcGc( (s s) )采用比例控制時(shí)采用比例控制時(shí)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為scscpcoeTsKKeTsKKsGsGsG11)()()(24當(dāng)系統(tǒng)的輸入在幅值為當(dāng)系統(tǒng)的輸入在幅值為A A的階躍信號(hào)激勵(lì)時(shí)，其響的階躍信號(hào)激勵(lì)時(shí)，其響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為由上式可知，由上式可知，該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與輸入的幅值成該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與輸入的幅值成正比，與系統(tǒng)的開環(huán)增益成反比，它為一有限值。正比，與系統(tǒng)的開環(huán)增益成反比，它為一有限值。也就是說，也就是說，只要廣義被控對象的增

17、益只要廣義被控對象的增益K K與控制器的與控制器的比例增益比例增益KcKc乘積不為無窮大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就乘積不為無窮大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就不會(huì)為零。不會(huì)為零。KKAsAsGsRsGsssEecosossss1)(11lim)()(11lim)(lim000254.2.1 4.2.1 比例控制的調(diào)節(jié)規(guī)律和比例帶比例控制的調(diào)節(jié)規(guī)律和比例帶4.2.2 4.2.2 比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn)4.2.3 4.2.3 比例帶對控制過程的影響比例帶對控制過程的影響26a)大大調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度小，變調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度小，變化平穩(wěn)，甚至無超調(diào)，但化平穩(wěn)，甚至無超調(diào)，但余差大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長余差大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長

18、b)b)減小減小調(diào)節(jié)閥動(dòng)作幅度加大，被調(diào)節(jié)閥動(dòng)作幅度加大，被調(diào)量來回波動(dòng)，余差減小調(diào)量來回波動(dòng)，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27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 u = = K eK 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

19、出與輸入同步，沒有時(shí)間滯后，其動(dòng)態(tài)特性好。沒有時(shí)間滯后，其動(dòng)態(tài)特性好。（3 3）比例調(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。28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(shí)間常數(shù)不太大，滯后較?。r(shí)間常數(shù)不太大，滯后較?。﹦t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；相反，若對象的放大系數(shù)較大，時(shí)間常數(shù)較相反，若對象的放大系數(shù)較大，時(shí)間常數(shù)較小，滯后時(shí)間較大小，滯后時(shí)間較大則比例帶可選大一些，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性

20、。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：比例帶的一般選擇原則：29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%3070%流量調(diào)節(jié)：流量調(diào)節(jié)： 40100%40100%液位調(diào)節(jié)：液位調(diào)節(jié)： 2080%2080%溫度調(diào)節(jié)：溫度調(diào)節(jié)： 2060%2060%304.3.1 4.3.1 積分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律積分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.3.2 4.3.2 比例積分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.3.3 4.3.3 積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和的措施積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和的措施31 調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的變

21、化速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的變化速度dudu/ /dtdt與偏差與偏差信號(hào)信號(hào)e e成正比，或者說調(diào)節(jié)器的輸出與偏差成正比，或者說調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號(hào)的積分成正比，即：信號(hào)的積分成正比，即：式中式中S S。稱為積分速度，可視情況取正值或。稱為積分速度，可視情況取正值或負(fù)值。負(fù)值。 (4.5) 000tedtSueSdtdu32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(hào)調(diào)節(jié)器的輸出不僅與偏差信號(hào)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(shí)間長短有關(guān)。時(shí)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(huì)不斷變化，直到偏差為零就會(huì)不斷變化，直到

22、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(dòng)消除積分調(diào)節(jié)作用能自動(dòng)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。tedtSu0033圖示的自力式氣壓調(diào)節(jié)閥就是一個(gè)簡單的積圖示的自力式氣壓調(diào)節(jié)閥就是一個(gè)簡單的積分調(diào)節(jié)器：分調(diào)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)量，它通過針形閥R R與調(diào)節(jié)閥膜與調(diào)節(jié)閥膜頭的上部空腔相通，而膜頭的下部空腔則與大氣頭的上部空腔相通，而膜頭的下部空腔則與大氣相通。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

23、分速度S S0 0eSdtdu0圖圖4-5 4-5 自力式氣壓控制閥結(jié)構(gòu)原理圖自力式氣壓控制閥結(jié)構(gòu)原理圖342 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)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?jiǎng)幼鞯桨驯徽{(diào)量的靜差完全消除為止要?jiǎng)幼鞯桨驯徽{(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 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(huì)保持不變。出就會(huì)保持不變。調(diào)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(dòng)下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)被控對象在負(fù)荷擾

24、動(dòng)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。tedtSu0035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)?？赡艿玫椒€(wěn)定的系統(tǒng)。K(s+1)(2s-1)KGK=2K=0.236-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20-1-0.500.51Nyquist DiagramReal AxisImaginary AxisNyquist DiagramReal AxisImaginary Axis

25、-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10-1-0.500.5105101520250123Step ResponseTime (sec)Amplitude01234560123Step ResponseTime (sec)AmplitudeZ=P-NK(s+1)(2s-1)KGK=2K=0.23702468101214161820-2000020004000Step ResponseTime (sec)Amplitude0123456789051015Step ResponseTime (sec)Amplitude-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-

26、0.8-0.6-0.4-0.20-40-2002040Nyquist DiagramReal AxisImaginary Axis-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10-4-2024Nyquist DiagramReal AxisImaginary AxisZ=P-NKs(s+1)(2s-1)KGK=2K=0.238穩(wěn)定作用比穩(wěn)定作用比 P P調(diào)節(jié)差調(diào)節(jié)差。根據(jù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)可知，對于非自衡的根據(jù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)可知，對于非自衡的被控對象采用被控對象采用 P P調(diào)節(jié)時(shí)，只要加大比例調(diào)節(jié)時(shí)，只要加大比例帶總可以使系統(tǒng)穩(wěn)定帶總可以使系統(tǒng)穩(wěn)定( (除非被控對象含有除

27、非被控對象含有一個(gè)以上的積分環(huán)節(jié)一個(gè)以上的積分環(huán)節(jié)) )；如果采用；如果采用 I I調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)則不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。則不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。39積分調(diào)節(jié)的滯后性積分調(diào)節(jié)的滯后性對于同一個(gè)被控對象，采用對于同一個(gè)被控對象，采用I I調(diào)節(jié)時(shí)其調(diào)節(jié)過程的調(diào)節(jié)時(shí)其調(diào)節(jié)過程的進(jìn)行總比采用進(jìn)行總比采用P P調(diào)節(jié)時(shí)緩慢，除非積分速度無窮大，調(diào)節(jié)時(shí)緩慢，除非積分速度無窮大，否則否則I I調(diào)節(jié)就不可能像調(diào)節(jié)就不可能像P P調(diào)節(jié)那樣及時(shí)對偏差加以響調(diào)節(jié)那樣及時(shí)對偏差加以響應(yīng)，而是滯后于偏差的變化，它的滯后特性使其難應(yīng)，而是滯后于偏差的變化，它的滯后特性使其難以對干擾進(jìn)行及時(shí)控制。以對干擾進(jìn)行及時(shí)控制。所以一般在工

28、業(yè)中，很少單獨(dú)使用所以一般在工業(yè)中，很少單獨(dú)使用I I調(diào)節(jié)，而基本調(diào)節(jié)，而基本采用采用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)。tteu40采用積分調(diào)節(jié)時(shí)，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度采用積分調(diào)節(jié)時(shí)，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度S S0 0成正比。成正比。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。當(dāng)系統(tǒng)的輸入在幅值為當(dāng)系統(tǒng)的輸入在幅值為A A的階躍信號(hào)激勵(lì)時(shí)，其響應(yīng)的的階躍信號(hào)激勵(lì)時(shí)，其響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為穩(wěn)態(tài)誤差為該系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差始終為零。該系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差始終為零。sspcoeTssKSeTsKsSsGsGsG) 1(1)()()(003

29、 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01)(11lim)()(11lim00AsAsGsRsGseososss41調(diào)節(jié)閥的速度加快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)閥的速度加快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低降低當(dāng)積分速度大到超過某一臨界值時(shí)，當(dāng)積分速度大到超過某一臨界值時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定，出現(xiàn)發(fā)散的振整個(gè)系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。蕩過程。S S0 0愈大，則調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作愈快，就愈愈大，則調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩，而最大動(dòng)態(tài)偏容易引起和加劇振蕩，而最大動(dòng)態(tài)偏差則愈來愈小。差則愈來愈小。調(diào)節(jié)閥的速度減慢，結(jié)果是系統(tǒng)的穩(wěn)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

30、慢定性增加了，但調(diào)節(jié)速度變慢當(dāng)積分常數(shù)小到某一臨界值時(shí)，調(diào)節(jié)當(dāng)積分常數(shù)小到某一臨界值時(shí)，調(diào)節(jié)過程變?yōu)榉钦袷庍^程。過程變?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4.6 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42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)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)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(shí)當(dāng)被調(diào)參數(shù)突然出現(xiàn)較大的偏差時(shí)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

31、的開度開得很大但積分調(diào)節(jié)器需要一定的時(shí)間才能將調(diào)節(jié)閥的開度開但積分調(diào)節(jié)器需要一定的時(shí)間才能將調(diào)節(jié)閥的開度開大或減小大或減小如果系統(tǒng)干擾作用頻繁，積分調(diào)節(jié)會(huì)顯得十分乏力如果系統(tǒng)干擾作用頻繁，積分調(diào)節(jié)會(huì)顯得十分乏力單獨(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。43對于同一被控對象若分別采用對于同一被控對象若分別采用 P P調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)和 I I調(diào)調(diào)節(jié)，并調(diào)整到相同的衰減率節(jié)，并調(diào)整到相同的衰減率0 07575，則，則它們在負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過程如圖它們在負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過程如圖4-7

32、4-7中曲中曲線線 P P和和 I I所示。它們清楚地顯示出兩種調(diào)節(jié)所示。它們清楚地顯示出兩種調(diào)節(jié)規(guī)律的不同特點(diǎn)。規(guī)律的不同特點(diǎn)。44圖圖4.7 P4.7 P與與I I 調(diào)節(jié)過程的比較調(diào)節(jié)過程的比較454.3.1 4.3.1 積分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律積分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.3.2 4.3.2 比例積分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.3.3 4.3.3 積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和的措施積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和的措施461 1 比例積分（比例積分（PIPI）調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)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，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。比例調(diào)節(jié)沒有滯后現(xiàn)象，但存

33、在靜差。PIPI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)，利兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用用P P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I I調(diào)節(jié)消除殘差。調(diào)節(jié)消除殘差。47PIPI調(diào)節(jié)規(guī)律為：調(diào)節(jié)規(guī)律為： )1(1(4.6) 000tItPedtTeuedtSeKu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） T TI I 積分時(shí)間積分時(shí)間和和T TI I 是是PIPI調(diào)節(jié)器的兩個(gè)重要參數(shù)。調(diào)節(jié)器的兩個(gè)重要參數(shù)。PIPI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為)11(1)()()(sTsEsUsGic48圖圖4.8 PI PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)

34、調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng) 011()tIueedtT11()1IIuee tTeetT TI49在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)幅值為一個(gè)幅值為e e的階躍，然后以固定的階躍，然后以固定速度速度eeTTI I變化。當(dāng)變化。當(dāng)t t= = T TI I時(shí)，調(diào)節(jié)器時(shí)，調(diào)節(jié)器的總輸出為的總輸出為22e e。輸出的積分部分正。輸出的積分部分正好等于比例部分。好等于比例部分。T TI I可以衡量積分部分在總輸出中所占的比可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：重：T TI I愈小，積分部分所占的比重愈大。愈小，積分部分所占的比重愈大。)1(10tIedtTeu50殘差的

35、消除是殘差的消除是PIPI調(diào)節(jié)器積分動(dòng)作的結(jié)果。調(diào)節(jié)器積分動(dòng)作的結(jié)果。積分部分的閥位輸出使調(diào)節(jié)閥開度最終得以到達(dá)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(dòng)所需的位置。抵消擾動(dòng)所需的位置。比例部分的閥位輸出比例部分的閥位輸出UpUp在調(diào)節(jié)過程的初始階段起在調(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(dòng)發(fā)生較大作用，但調(diào)節(jié)過程結(jié)束后又返回到擾動(dòng)發(fā)生前的數(shù)值。前的數(shù)值。2.2.比例積分調(diào)節(jié)過程比例積分調(diào)節(jié)過程51負(fù)荷變化前（負(fù)荷變化前（t 設(shè)定限值時(shí)，設(shè)定限值時(shí)， 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)的余結(jié)果：這樣有可能在正常操作中不能消除系

36、統(tǒng)的余差差積分分離法積分分離法ee設(shè)定限值時(shí)，改用純設(shè)定限值時(shí)，改用純P P調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)結(jié)果：既不會(huì)積分飽和又能在小偏差時(shí)利用積分作結(jié)果：既不會(huì)積分飽和又能在小偏差時(shí)利用積分作用消除偏差用消除偏差遇限削弱積分法（抗積分飽和法）遇限削弱積分法（抗積分飽和法）u uPIPI 設(shè)定限值時(shí)，只累加負(fù)偏差，反之亦然設(shè)定限值時(shí)，只累加負(fù)偏差，反之亦然結(jié)果：可避免控制量長時(shí)間停留在飽和區(qū)結(jié)果：可避免控制量長時(shí)間停留在飽和區(qū)2.2.抗積分飽和的措施抗積分飽和的措施684.4.1 4.4.1 微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.4.2 4.4.2 比例微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.4.3 4.4.

37、3 比例微分控制的特點(diǎn)比例微分控制的特點(diǎn)4.4.4 4.4.4 比例積分微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律69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(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，即時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，即 2dtdeSu 式中，式中，S S2 2 微分時(shí)間。微分時(shí)間。70D D調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)tteu0t0t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)器給出的控制作用越大，從而及時(shí)地抑制偏差的增長，從而及時(shí)地抑制偏差的增長，提高系

38、統(tǒng)的穩(wěn)定性。提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。理想理想D D調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線71調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器在t=tt=t0 0時(shí)刻，輸入階時(shí)刻，輸入階躍偏差躍偏差e e，偏差的變化速度，偏差的變化速度為：為：之后，調(diào)節(jié)器的輸出立即又之后，調(diào)節(jié)器的輸出立即又回到零，理想的微分調(diào)節(jié)特回到零，理想的微分調(diào)節(jié)特性曲線為一垂直直線。性曲線為一垂直直線。dtdetteu0t0t理想理想D D調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線72如加熱爐溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)如加熱爐溫度自動(dòng)調(diào)節(jié), ,當(dāng)溫度低于給定值當(dāng)溫度低于給定值時(shí)時(shí), ,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(shí)發(fā)現(xiàn)但同

39、時(shí)發(fā)現(xiàn), ,溫度降低的速度很快溫度降低的速度很快, ,說明出現(xiàn)說明出現(xiàn)了較大的擾動(dòng)了較大的擾動(dòng), ,則下一時(shí)刻的偏差將會(huì)更大則下一時(shí)刻的偏差將會(huì)更大, ,因此應(yīng)預(yù)先采取措施因此應(yīng)預(yù)先采取措施, ,即即提前動(dòng)作提前動(dòng)作, ,把煤氣閥把煤氣閥門的開度開得更大一些門的開度開得更大一些, ,這叫這叫超前作用。超前作用。73微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)P 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(dòng)作差而動(dòng)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)) )。微分調(diào)節(jié)是根據(jù)偏差信號(hào)的微分微分調(diào)節(jié)是根據(jù)偏差信號(hào)的微分, ,即即偏差變化的偏差變化的

40、速度速度而動(dòng)作的。而動(dòng)作的。只要偏差一露頭只要偏差一露頭, ,調(diào)節(jié)器就立即動(dòng)作，以求更好的調(diào)調(diào)節(jié)器就立即動(dòng)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。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。74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)。與偏差的大小無關(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)，若實(shí)際的調(diào)節(jié)器

41、都有一定的失靈區(qū)，若調(diào)節(jié)誤差的變化速度緩慢，以至于調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)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(huì)動(dòng)作，器不能察覺，純微分調(diào)節(jié)器將不會(huì)動(dòng)作，此時(shí)調(diào)節(jié)誤差會(huì)不斷累積卻得不到校正。此時(shí)調(diào)節(jié)誤差會(huì)不斷累積卻得不到校正。75PIDPID是比例、積分、微分的縮寫是比例、積分、微分的縮寫 Proportional-Integral-DifferentialProportional-Integral-Differential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；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；微分作用的輸出與偏差變化速度成

42、正比。微分作用的輸出與偏差變化速度成正比。76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)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)生調(diào)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。節(jié)作用用以減少偏差。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)，減少誤差但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。77pK(s+1)(2s+1)K KG01234567800.20.40.60.811.21.41.61.8Step ResponseTime (sec)AmplitudeK=0

43、.2K=1K=10K=1001( )1+ peK K 比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)KpKp的變化對控制效果的影響的變化對控制效果的影響 Kp=0.2Kp=1Kp=10Kp=10078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，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差度。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。無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TiTi，TiTi越越小，積分作用就越強(qiáng)。反之小，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。加入積分調(diào)節(jié)可使加

44、入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。變慢。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PIPI調(diào)調(diào)節(jié)器或節(jié)器或PIDPID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。79KI1s (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)， TiTi的變化對控

45、制效果的影響的變化對控制效果的影響 80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(hào)的微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生因此能產(chǎn)生超前超前的控制作用，在偏差還沒有形的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的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)，微

46、分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零?；瘯r(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)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，組成規(guī)律相結(jié)合，組成PDPD或或PIDPID控制器?？刂破?。810102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.8Step ResponseTime (sec)AmplitudeTd=0.5Td=1Td=10Td=0dKs (s+1) (2s+1)TGkk( )( )( ) 1+( )G sY sR s

47、G sk0k( )1( )lim 1+( )sG sysG s s 微分調(diào)節(jié)，微分調(diào)節(jié)，TdTd的變化對控制效果的影響的變化對控制效果的影響 824.4.1 4.4.1 微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.4.2 4.4.2 比例微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特點(diǎn)比例微分控制的特點(diǎn)4.4.4 4.4.4 比例積分微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律83 PDPD調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律是調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律是 （4-124-12）或或式中，式中，為比例帶，可視情況取正值或負(fù)值；為比例帶，可視情況取正值或負(fù)值；T TD D為微分時(shí)間。為微分時(shí)間。d

48、tdeSeKuc2)(1dtdeTeuD84PDPD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)應(yīng)為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)應(yīng)為但嚴(yán)格按但嚴(yán)格按(4-13)(4-13)式動(dòng)作的調(diào)節(jié)器在物理上是不能實(shí)現(xiàn)式動(dòng)作的調(diào)節(jié)器在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)上實(shí)際采用的的。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)是式中式中 K KD D稱為微分增益。工業(yè)調(diào)節(jié)器的微分增益一般稱為微分增益。工業(yè)調(diào)節(jié)器的微分增益一般在在5-105-10范圍內(nèi)范圍內(nèi)。111)(sKTsTsGDDD )1 (1)(sTsGDc(4-14)(4-13)85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：(4.14) 111

49、)(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：(4.15) )/exp()1(11DDDKTtKu86圖圖 4.4.1313 PD PD 調(diào)節(jié)器的單位階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)器的單位階躍響應(yīng) (4.15) )/exp()1(11DDDKTtKu微分作用微分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)相應(yīng)的單位階躍響應(yīng)為相應(yīng)的單位階躍響應(yīng)為：87說明：說明：微分作用的強(qiáng)弱用微分時(shí)間微分作用的強(qiáng)弱用微分時(shí)間T TD D來衡量來衡量微分時(shí)間微分時(shí)間T TD D越大，微分作用越強(qiáng)，超前時(shí)越大，微分作用越強(qiáng)，超前時(shí)間越大。間越大。理想的微分調(diào)節(jié)是不能

50、單獨(dú)使用的，它總是理想的微分調(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。依附于比例調(diào)節(jié)或比例積分調(diào)節(jié)的。88根據(jù)根據(jù)PDPD調(diào)節(jié)器的斜坡響應(yīng)也可以單獨(dú)測定它調(diào)節(jié)器的斜坡響應(yīng)也可以單獨(dú)測定它的微分時(shí)間的微分時(shí)間T TD D圖圖 4.4.1414 PD 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(dòng)作，那么輸出動(dòng)作，那么輸出u將按將按虛線變化。微分動(dòng)作的虛線變化。微分動(dòng)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(shí)間發(fā)生，而這段一段時(shí)間發(fā)生，而這段時(shí)間就等于時(shí)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

51、導(dǎo)前時(shí)間即是微分時(shí)其導(dǎo)前時(shí)間即是微分時(shí)間間T TD D。894.4.1 4.4.1 微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.4.2 4.4.2 比例微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特點(diǎn)比例微分控制的特點(diǎn)4.4.4 4.4.4 比例積分微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律90PDPD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調(diào)節(jié)器的微分部分輸出為零，因此，此時(shí)零，因此，此時(shí)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。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

52、的作用 微分調(diào)節(jié)動(dòng)作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩微分調(diào)節(jié)動(dòng)作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩引入微分動(dòng)作要適度，當(dāng)引入微分動(dòng)作要適度，當(dāng)T TD D超出某一上限值后，系超出某一上限值后，系統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定適度引入微分動(dòng)作可以允許稍許減小比例帶適度引入微分動(dòng)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、提高振蕩這樣可以減小殘差、減小短期最大偏差、提高振蕩頻率同時(shí)保持衰減率不變。頻率同時(shí)保持衰減率不變。91微分調(diào)節(jié)也有不利之處：微分調(diào)節(jié)也有不利之處：微分動(dòng)作太強(qiáng)容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和微分動(dòng)作太強(qiáng)容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和在在PDPD調(diào)節(jié)中總是以比例動(dòng)作為主，微分動(dòng)作調(diào)節(jié)中

53、總是以比例動(dòng)作為主，微分動(dòng)作只能起輔助調(diào)節(jié)作用。只能起輔助調(diào)節(jié)作用。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)不用于流量和液位控制系統(tǒng)。微分調(diào)節(jié)動(dòng)作對于純遲延過程是無效的。微分調(diào)節(jié)動(dòng)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)）92圖圖4.15 P4.15 P調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)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93圖圖4.16 PD4.16 PD控制系統(tǒng)不同微分時(shí)間的響應(yīng)過程控制系統(tǒng)不同微分時(shí)間的響應(yīng)過程944.4.1 4.4.1 微分控

54、制的調(diào)節(jié)規(guī)律微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.4.2 4.4.2 比例微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特點(diǎn)比例微分控制的特點(diǎn)4.4.4 4.4.4 比例積分微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分微分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律95v 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 PIDPID調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律是：調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律是： )1(1 (4.16) 0200dtdeTedtTeudtdeSedtSeKuDtItcv PID PID調(diào)節(jié)的三個(gè)特征參數(shù)調(diào)節(jié)的三個(gè)特征參數(shù)比例帶比例帶、積分時(shí)間、積分時(shí)間T TI

55、 I、微分時(shí)間、微分時(shí)間T TD D96(4.17) )11 (1)(sTsTsGDIPIDPID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 97式中式中, , 帶帶* *的量為調(diào)節(jié)器參數(shù)的實(shí)際值，不的量為調(diào)節(jié)器參數(shù)的實(shí)際值，不帶帶* *者為參數(shù)的刻度值。者為參數(shù)的刻度值。 F F稱為相互干擾系數(shù)；稱為相互干擾系數(shù)；K KI I為積分增益。為積分增益。sKTsTKsTsTKsGDDIIDIcc1111)(*其中其中 FTTFTTFKKDDIICc*, (4-1

56、8)98 圖圖4-174-17給出工業(yè)給出工業(yè) PIDPID調(diào)節(jié)器的響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)器的響應(yīng)曲線圖中陰影部分面積代表微分作用的強(qiáng)弱圖中陰影部分面積代表微分作用的強(qiáng)弱。 99 顯然，顯然，PIDPID三作用時(shí)控制效果最佳，但這并不意味三作用時(shí)控制效果最佳，但這并不意味著，在任何情況下采用三作用調(diào)節(jié)都是合理的。著，在任何情況下采用三作用調(diào)節(jié)都是合理的。圖圖4-18 4-18 各種控制規(guī)律的響應(yīng)過程各種控制規(guī)律的響應(yīng)過程1-1-比例控制；比例控制；2-2-積分控制；積分控制；3-PI3-PI控制；控制；4-PD4-PD控制；控制；5-PID5-PID控制控制100由氣動(dòng)或液動(dòng)、電動(dòng)儀表組成的模擬由氣動(dòng)或

57、液動(dòng)、電動(dòng)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 1014.5.1 4.5.1 基本的數(shù)字基本的數(shù)字PIDPID控制算法控制算法4.5.2 4.5.2 改進(jìn)的數(shù)字改進(jìn)的數(shù)字PIDPID控制算法控制算法102PIDPID控制算法離散化控制算法離散化連續(xù)時(shí)間連續(xù)時(shí)間t離散化離散化采樣時(shí)刻點(diǎn)采樣時(shí)刻點(diǎn)KT1031.1.位置式位置式PIDPID控制算法控制算法)1(10dtdeTedtTeuDtI(4.19) )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1ktkt1kt)(

58、tet)(1kte)(kte)(1kte)(2kte2ktT采樣周期104 位置式位置式PIDPID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)105位置式位置式PIDPID控制算法帶來的問題控制算法帶來的問題對對e(k)e(k)的累加增大了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量的累加增大了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量和運(yùn)算的工作量和運(yùn)算的工作量u(k)u(k)的直接輸出易造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大的直接輸出易造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度動(dòng)作幅度動(dòng)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(k)u(k)1062.2.增量式增量式PIDPID控制控制)1()()( )()(0kekeTTjeTTkeKkuDkjIc)2() 1()() 1() 1(10kiDIckekeT

59、TieTTkeKku)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkuDIcpK比例增益比例增益，IcITTKK/積分系數(shù)積分系數(shù)，TTKKDcD/微分常數(shù)微分常數(shù) 107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TTKqTTKqTTTTKqDcDcDIc210)21 ()1 (4.22) )2() 1()()(210keqkeqkeqku108增量式增量式PIDPID控制系統(tǒng)示意圖控制系統(tǒng)示意圖位置式位置式PIDPID控制系統(tǒng)示意圖控制系統(tǒng)示意圖109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

60、最近幾次偏不累加誤差，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，差采樣值有關(guān)，計(jì)算精度計(jì)算精度對控制量的計(jì)算對控制量的計(jì)算影響較?。挥绊戄^??；得出的是控制量的增量，得出的是控制量的增量，誤動(dòng)作影響誤動(dòng)作影響??；小；增量型算法不對偏差做累加，因而也不易增量型算法不對偏差做累加，因而也不易引起引起積分飽和積分飽和；易實(shí)現(xiàn)易實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。的無沖擊切換。110采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于過程的擾動(dòng)信號(hào)的周期。采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于過程的擾動(dòng)信號(hào)的周期。 在執(zhí)行器的響應(yīng)速度比較慢時(shí)，過小的采樣周期將在執(zhí)行器的響應(yīng)速度比較慢時(shí)，過小的采樣周期將失去意義，因此可適當(dāng)選大一點(diǎn)。失去意義，因此可適當(dāng)選大一點(diǎn)。