第九講 單回路控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)主講人：白健美自動控制系統(tǒng)簡介自動控制：在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象的被控量自動地按預(yù)先給定的規(guī)律去進(jìn)行。

自動控制系統(tǒng)：是由起控制作用的自動控制裝置和被控制器控制的生產(chǎn)設(shè)備通過信號的傳遞、聯(lián)系所構(gòu)成的系統(tǒng)。簡言之，就是指被控對象和控制裝置的總體。

自動控制系統(tǒng)簡介自動控制系統(tǒng)簡介單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式如下圖所示，它是由被控對象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器（控制器）和測量變送器組成一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的給定量是某一定值，要求系統(tǒng)的被控制量穩(wěn)定至給定量。由于這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用。自動控制系統(tǒng)簡介調(diào)節(jié)器（自動控制器）的控制規(guī)律主要指控制單元的動態(tài)特性，它直接影響著自動控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。在一般情況下，被控對象的動態(tài)特性是不便于人為地加以改變的。為了得到滿意的控制過程，總是根據(jù)被控對象的動態(tài)特性，選擇合適的調(diào)節(jié)器（控制器）的控制規(guī)律。主要內(nèi)容三種基本控制作用

1三種控制作用的比較

2比例控制作用積分控制作用微分控制作用

PID參數(shù)的整定

3三種基本控制作用—比例控制作用

(一)比例控制作用

定義：比例控制作用是指控制器的輸出與輸入成比例關(guān)系。動態(tài)方程式

用傳遞函數(shù)表示為

三種基本控制作用—比例控制作用若e(t)為單位階躍響應(yīng)，則

e(t)1ttμ(t)Kp三種基本控制作用—比例控制作用動作規(guī)律

Kp固定時，偏差e(t)愈大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出位移μ(t)也愈大；偏差e(t)的變化速度de(t)/dt愈大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出位移的速度dμ(t)/dt也愈大控制特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：動作速度快，對于干擾有及時和很強(qiáng)的控制作用；

缺點(diǎn)：是有差調(diào)節(jié)，存在靜態(tài)偏差，對于擾動較大，且慣性也較大的系統(tǒng)，很難兼顧動態(tài)和靜態(tài)特性。三種基本控制作用—積分控制作用

(二)積分控制作用定義：積分控制作用是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量的變化速度dμ(t)/dt與偏差信號e(t)成比例的作用。動態(tài)方程式用傳遞函數(shù)表示為

三種基本控制作用—積分控制作用若e(t)為單位階躍響應(yīng)，

e(t)t1μ(t)tTi三種基本控制作用—積分控制作用動作規(guī)律只要被控對象的被控量不等于給定值（即偏差e存在），那么執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會不停動作，而且偏差e的數(shù)值越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動速度dμ(t)/dt就越大，只有e＝0時，即偏差消失時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)才停止動作?？刂铺攸c(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：控制過程結(jié)束時，被控量一定是無差的，引用積分作用可消除被控量的偏差；

缺點(diǎn)：積分作用是隨時間而逐漸加強(qiáng)的，與比例作用相比過于遲緩，有延遲，控制不及時；同時由于誤差調(diào)節(jié)的變化總是落后于誤差的變化，因此會使控制過程變得振蕩，甚至不穩(wěn)定。三種基本控制作用—微分控制作用

(三)微分控制作用定義微分控制作用是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量μ(t)與被控量的偏差e(t)的變化率成正比的作用。動態(tài)方程式

用傳遞函數(shù)表示為

三種基本控制作用—微分控制作用若e(t)為單位階躍，則e(t)t1tμ(t)Td

三種基本控制作用—微分控制作用若e(t)為勻速變化輸入，則由

e(t)ttμ(t)Td

k三種基本控制作用—微分控制作用動作規(guī)律：

在控制過程剛開始時，被控量的偏差很小，但其變化速度卻很大，可預(yù)見偏差變化的趨勢，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個較大的位移，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。

控制特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：與比例和積分控制作用相比，具有起始超前和加強(qiáng)控制的作用，能有效減少控制過程的動態(tài)偏差。

缺點(diǎn)：當(dāng)控制結(jié)束，即偏差e的變化速度等于0時，微分作用的輸出也將為0，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置最后總是恢復(fù)到原來的數(shù)值，這就不能適應(yīng)負(fù)荷的變化，不能滿足控制的需要。

（只有單純微分作用的控制器是不能使用的，它只是控制器控制作用的一個組成部分。）

三種基本控制作用—小結(jié)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)比例作用動作速度快，可使控制過程趨于穩(wěn)定在單獨(dú)使用時，使被控量產(chǎn)生靜態(tài)偏差積分作用能使被控量無靜態(tài)偏差在單獨(dú)使用時，會使控制過程變得振蕩，甚至不穩(wěn)定微分作用能有效的減少動態(tài)偏差不能單獨(dú)使用三種基本控制作用—小結(jié)比例控制作用是最基本的控制作用，而積分和微分作用為輔助控制作用。比例作用貫徹于整個控制過程之中，積分作用則體現(xiàn)在控制過程的后期，用以消除靜態(tài)偏差，微分作用則體現(xiàn)在控制過程的初期。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇控制規(guī)律，同時設(shè)置適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)、積分時間、微分時間，才能收到滿意的控制效果。

三種控制作用的比較1、PI控制器的階躍響應(yīng)曲線2、PD控制器的響應(yīng)曲線3、實(shí)際PID控制器的階躍響應(yīng)曲線4、過渡過程曲線PID參數(shù)的整定參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查。先是比例后積分，最后再把微分加。曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降。曲線波動周期長，積分時間再加長。曲線振蕩頻率快，先把微分降下來。動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長。理想曲線兩個波，前高后低四比一。一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。

PID參數(shù)的整定例1曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大（δ增大，即Kp減?。?/p>

比例太強(qiáng)要振蕩PID參數(shù)的整定例2曲線波動周期長，積分時間再加長（Ti增大，即