PID控制專題培訓課件

1、PID控制目錄近似模型建立PID控制器常用PID控制器結(jié)構(gòu) PID控制的性能分析 數(shù)字PID控制器 PID控制器的參數(shù)整定方法 近似模型建立模型種類： 物理模型、數(shù)學模型、仿真模型、結(jié)構(gòu)模型、數(shù)字模型模型： 是所研究的系統(tǒng)、過程、事物或概念的一種表達形式，也可指根據(jù)實驗、圖樣放大或縮小而制作的樣品，一般用于展覽或?qū)嶒灮蜩T造機器零件等用的模子。常微分方程用于控制器設計、仿真動態(tài)模型： 描述與操作時間和順序有關的系統(tǒng)特征、影響更改的事件、事件的序列、事件的環(huán)境以及事件的組織。 近似模型建立020406080100120140160-0.6-0.4-0.200.20.40.60.811.2KLT步驟

2、1：單位階躍響應步驟2：根據(jù)圖形計算參數(shù) 最小二乘法辨識參數(shù)常用的模型：最廣建模實例一階滯后模型：步驟1：單位階躍響應步驟2：根據(jù)圖形計算參數(shù) L=4.1 T=11.3-4.1KaadTp近似模型建立2二階滯后模型：步驟1：單位階躍響應步驟2：根據(jù)圖形計算參數(shù)L或1、PID控制器PID控制器，也稱“比例-積分-微分”控制器，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，90%以上實際控制系統(tǒng)采用PID控制器；在化工和造紙行業(yè)，95%以上的控制環(huán)為PID類型的控制器；PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、整定方便，在工程實際中得到了廣泛應用， 30%PID控制器參數(shù)采用手動調(diào)節(jié)；在化工和造紙行業(yè)，80%PID控制器參數(shù)整定不合理；P

3、ID控制的關鍵技術就是如何根據(jù)具體的被控對象，采用恰當?shù)恼ǚ椒ǐ@得合適的控制器參數(shù)，以提高控制性能。PID控制器的基本原理PID（Proportion-Integral-Derivative)控制器PID控制器：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)常用 PID控制器的傳遞函數(shù)拉氏變換：3. PID控制器三個環(huán)節(jié)的作用 比例環(huán)節(jié) 控制當前量Kp系統(tǒng)的偏差響應速度Kp過大導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定Ki系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差Ki過大導致系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)量 積分環(huán)節(jié) 積分過去量；消除穩(wěn)態(tài)誤差 微分環(huán)節(jié) 預測系統(tǒng)偏差；減小超調(diào)加快系統(tǒng)的響應速度，減少調(diào)節(jié)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 PID的結(jié)構(gòu)（比

4、例控制器） _+P控制器的控制結(jié)構(gòu)框圖 構(gòu)成條件Ti Td=0控制算法作用可以放大誤差的幅度，加快調(diào)節(jié)減小誤差特點這種控制策略簡單，參數(shù)整定容易，方便實現(xiàn)適用對象穩(wěn)態(tài)誤差不大的系統(tǒng)_+ PD控制器的控制結(jié)構(gòu)框圖 構(gòu)成條件Ti控制算法作用有效改善被控對象有較大時間滯后的控制品質(zhì)特點動作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功能適用對象它不能消除余差，僅適用于輸入偏差不恒定的系統(tǒng)PID的結(jié)構(gòu)（PD控制器） _+ PI控制器的控制結(jié)構(gòu)框圖 構(gòu)成條件Td控制算法作用只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用特點基本控制規(guī)律中最基本的、應用最普遍的一種適用對象能消除穩(wěn)態(tài)誤差PID的結(jié)構(gòu)（PI控制器） 校正的基本概念校正的基本概

5、念校正的基本概念校正（PD控制器）集成運算放大器電路實現(xiàn) 集成電路符合PD控制的規(guī)律，可以用來代替PD控制器。由PD控制器對應的Bode圖可知PD調(diào)節(jié)使相位超前。校正（PI控制器）集成運算放大器電路實現(xiàn) 集成電路符合PI控制的規(guī)律，可以用來代替PI控制器。由PI控制器對應的Bode圖可知PI調(diào)節(jié)使使相位滯后。 校正（PID控制器）集成運算放大器電路實現(xiàn) TiTd時，對應的Bode圖如上圖所示，PID調(diào)節(jié)器在低頻段起積分作用，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；在中頻段起微分作用，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能?？刂菩阅芊治觯≒D控制器）一單位反饋控制系統(tǒng)： PD控制器： 閉環(huán)傳遞函數(shù)： 05101500.20.40.60

6、.811.21.4b=0.5b=1b=10無PD控制器時間/syb越大，過渡時間越短，反之越長。_+被控對象： 特征方程 設： 閉環(huán)傳遞函數(shù)變?yōu)椋?單位斜坡輸入r(t)=t ，加PD控制器不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，其穩(wěn)態(tài)誤差可表示為：通過調(diào)整b的值，可達到閉環(huán)系統(tǒng)所要求的穩(wěn)態(tài)誤差。 051015051015 時間/s幅值無PD加PD閉環(huán)系統(tǒng)的單位斜坡輸入響應曲線控制性能分析（PD控制器）_+閉環(huán)傳遞函數(shù)： 特征方程： 根據(jù)勞思穩(wěn)定判據(jù) 系統(tǒng)加入PI控制器后，不但要求閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，而且要求閉環(huán)系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定度即希望系統(tǒng)在s左半平面上的極點位置與虛軸之間有一定的距離，達到改善閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能的目的。

7、控制性能分析（PI控制器）一單位反饋控制系統(tǒng)： PI控制器： 被控對象： 假設：為了保證一定的穩(wěn)定裕度，即要求所有閉環(huán)極點離虛軸在合適的范圍：得到新的特征方程 設： 0246810121416182002468101214161820 時間/s幅值無PI加PIPI控制器能大大降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，明顯改善系統(tǒng)的性能。 控制性能分析（PI控制器）比如：比如：開環(huán)傳遞函數(shù) 二階系統(tǒng)： 令 閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 控制性能分析（PID控制器）閉環(huán)傳遞函數(shù)： 一單位反饋控制系統(tǒng)： PID控制器： 被控對象： 6、 數(shù)字PID控制器 在計算機PID控制中，需要把連續(xù)的PID進行離散。目前，最常用的離散化方法

8、是差分法，即為 PID控制的位置式算法 T是采樣時間，顯然，T越小，這種逼近程度越高增量式數(shù)字PID控制算法 根據(jù)遞推原理:增量式數(shù)字PID控制器的設計可按位置式數(shù)字PID控制器的設計方法進行。增量式數(shù)字PID控制算法的優(yōu)點： (1) 增量式算法的輸出量只與最近三個采樣值有關，沒有累計誤差；當計 算誤差或精度不足時，對控制量的影響較小。(2) 計算機輸出量為控制量的增量，機器誤動作時對輸出的影響小。(3)控制系統(tǒng)手動和自動切換時沖擊小。 由7、 參數(shù)整定方法（試湊法 ）調(diào)節(jié)比例系數(shù)將比例系數(shù)由小調(diào)大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。調(diào)節(jié)積分時間常數(shù)當僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)

9、，系統(tǒng)的靜差還達不到設計要求時，則需加入積分環(huán)節(jié)。調(diào)整微分環(huán)節(jié)若使用比例積分器，能消除靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復調(diào)整后仍達不到要求，這時可加入微分環(huán)節(jié)。參數(shù)整定方法（ZN階躍響應法 ）aLyt控制器KpTiTdP1/aPI0.9a3LPID1.2/a2LL/2（一）單位階躍響應表 Ziegler-Nichols整定公式（一） 根據(jù)系統(tǒng)的單位階躍響應，其最大斜率的切線和橫軸及縱軸的交點，為L和a參數(shù)整定方法（ZN頻率響應法 ）控制器KpTiTdP0.5KcPI0.4Kc0.8TcPID0.6Kc0.5Tc0.125Tc表 Ziegler-Nichols整定公式（二） （二）頻率響應法調(diào)節(jié)K，使得系統(tǒng)

10、的單位階躍響應恰好開始震蕩，此時的增益恰好是系統(tǒng)的幅值裕量 Kc，系統(tǒng)的剪切頻率c =Tc/2。K=KcTc參數(shù)整定方法（ZN繼電器反饋法 ）Tda基于繼電器反饋，獲得常數(shù)Kc和TcT為系統(tǒng)振蕩周期a為振蕩幅值d為控制信號幅值參數(shù)整定方法（直接解析法 ）被控對象模型根據(jù)單入單出的反饋控制系統(tǒng)：系統(tǒng)期望的響應特性則：一階泰勒展開：參數(shù)整定方法（增益與相位裕度法 ）根據(jù)增益與相位裕度的定義：AmReIm原子間作用力懸臂偏移偏移信號計算機表面形貌AFM的基本結(jié)構(gòu)偏移量檢測系統(tǒng)AFM懸臂和針尖 實例1（納米平臺）AFM的懸臂建模z是懸臂梁的變形量，m、o、Q和k分別表示探頭的有效質(zhì)量，懸臂梁的自然頻率，品質(zhì)因子和彈性系數(shù)；Fo和是驅(qū)動信號的振幅和頻率；Fts是探頭和樣品直接的非線性原子作用力 模型建立仿真原子力顯微鏡懸臂采用如下模型：PID控制實例電子封裝的芯片固化過程數(shù)據(jù)采集與控制結(jié)構(gòu)：加熱器氮氣固化爐芯片芯片 擾動 熱源傳導性時空耦合模型模型復雜：控制器設計復雜