PID控制器及PID參數(shù)整定課件

PID控制器及PID參數(shù)整定授課內(nèi)容：自動控制原理的一般概念控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)P、I、D在控制系統(tǒng)中的作用PID參數(shù)整定方法1自動控制規(guī)律的一般概念所謂自動控制，就是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象(如機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過程)的某些物理量(或工作狀態(tài))能自動地按照預(yù)定的規(guī)律變化(或運(yùn)行)。完成這一過程的所有元件與裝置組成的整體就稱為自動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，為自動控制技術(shù)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。使它不僅大量應(yīng)用于空間技術(shù)、科技、工業(yè)、交通管理、環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域，而且它的概念和分析問題的方法也向其他領(lǐng)域滲透。例如政治、經(jīng)濟(jì)、教學(xué)等領(lǐng)域中的各種體系；人體的各種功能；自然界中的各種生物學(xué)系統(tǒng)，都可視為是一種控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用不僅能使生產(chǎn)設(shè)備或過程實(shí)現(xiàn)自動化，極大地提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量，改善了勞動條件。自動控制是一門理論性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)，一般泛稱為“自動控制技術(shù)”。把實(shí)現(xiàn)自動控制所需的各個部件按一定的規(guī)律組合起來，去控制被控對象，這個組合體叫做“控制系統(tǒng)”。分析與綜合控制系統(tǒng)的理論稱之為“控制理論”。自動控制系統(tǒng)的種類較多，被控制的物理量有各種各樣，如溫度、壓力、流量、電壓、轉(zhuǎn)速、位移和力等。組成這些控制系統(tǒng)的元、部件雖然有較大的差異，但是系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)卻相類同，且一般都是通過機(jī)械、電氣、液壓等方法代替人工控制。1.1、開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loopcontrolsystem)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。

1.2、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loopcontrolsystem)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反,則稱為負(fù)反饋(NegativeFeedback),若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋,又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),眼睛便是傳感器,充當(dāng)反饋,人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛,就沒有了反饋回路,也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例,當(dāng)一臺真正的全自動洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈,并在洗凈之后能自動切斷電源,它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。(1)給定元件：給出與期望輸出對應(yīng)的輸入量。(2)比較元件：求輸入量與反饋量的偏差，常采用集成運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)。(3)放大元件：由于偏差信號一般都較小，不足以驅(qū)動負(fù)載，故需要放大元件，包括電壓放大及功率放大。(4)執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使輸出量發(fā)生變化。常用的有電動機(jī)、閥、液壓馬達(dá)等。(5)測量元件：檢測被控的物理量并轉(zhuǎn)換為所需要的信號。在控制系統(tǒng)中常用的有用于速度檢測的測速發(fā)電機(jī)、光電編碼盤等，用于位置與角度檢測的旋轉(zhuǎn)變壓器、自整機(jī)等，用于電流檢測的互感器及用于溫度檢測的熱電偶等。這些檢測裝置一般都將被檢測的物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的連續(xù)或離散的電壓信號。(6)校正元件：也叫補(bǔ)償元件，是結(jié)構(gòu)與參數(shù)便于調(diào)整的元件，以串聯(lián)或反饋的方式聯(lián)接在系統(tǒng)中，完成所需的運(yùn)算功能，以改善系統(tǒng)的性能。線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)同時滿足疊加性與均勻性(又稱為齊次性)的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。所謂疊加性是指當(dāng)幾個輸入信號共同作用于系統(tǒng)時，總的輸出等于每個輸入單獨(dú)作用時產(chǎn)生的輸出之和；均勻性是指當(dāng)輸入信號增大若干倍時，輸出也相應(yīng)增大同樣的倍數(shù)。對于線性連續(xù)控制系統(tǒng)，可以用線性常系數(shù)的微分方程來表示。1.3控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)及性能指標(biāo)任何一個穩(wěn)定的線性控制系統(tǒng)，在輸入信號作用下的時間響應(yīng)都由動態(tài)響應(yīng)(或瞬態(tài)響應(yīng)、暫態(tài)響應(yīng))和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。動態(tài)響應(yīng)描述了系統(tǒng)的動態(tài)性能，而穩(wěn)態(tài)響應(yīng)反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。兩者都是線性控制系統(tǒng)的重要性能。因此，在對系統(tǒng)設(shè)計(jì)時必須同時給予滿足。1.3.1.動態(tài)響應(yīng)動態(tài)響應(yīng)又稱瞬態(tài)響應(yīng)或過渡過程，指系統(tǒng)在輸入信號作用下，系統(tǒng)從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應(yīng)過程。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇情況，動態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)為衰減、發(fā)散或等幅振蕩幾種形式。顯然，一個實(shí)際運(yùn)行的控制系統(tǒng)，其動態(tài)響應(yīng)必須是衰減的，也就是說，系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。動態(tài)響應(yīng)除提供系統(tǒng)穩(wěn)定性的信息外，還可以提供響應(yīng)速度及阻尼情況等運(yùn)動信息，這些運(yùn)動信息用動態(tài)性能來描述。1.3.2.穩(wěn)態(tài)響應(yīng)如果一個線性系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么從任何初始條件開始，經(jīng)過一段時間就可以認(rèn)為它的過渡過程已經(jīng)結(jié)束，進(jìn)入了與初始條件無關(guān)而僅由外作用決定的狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。所以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是指當(dāng)t趨于無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)表征系統(tǒng)輸出量最終復(fù)現(xiàn)輸入量的程度，提供系統(tǒng)有關(guān)穩(wěn)態(tài)誤差的信息，用穩(wěn)態(tài)性能來描述。由此可見，線性控制系統(tǒng)在輸入信號作用下的性能指標(biāo)，通常由動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能兩部分組成。1.3.3穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)是表征控制系統(tǒng)準(zhǔn)確性的性能指標(biāo)，是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，通常用穩(wěn)態(tài)下輸出量的期望值與實(shí)際值之間的差來衡量，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。如果這個差是常數(shù)，則稱為靜態(tài)誤差，簡稱靜誤差或靜差。穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)控制精度或抗擾動能力的一種度量。1.3.4動態(tài)性能指標(biāo)一個控制系統(tǒng)除了穩(wěn)態(tài)控制精度要滿足一定的要求以外，對控制信號的響應(yīng)過程也要滿足一定的要求，這些要求表現(xiàn)為動態(tài)性能指標(biāo)。不穩(wěn)定系統(tǒng)沒有實(shí)用價值，因此不需要研究其動態(tài)性能指標(biāo)。一般認(rèn)為，階躍輸入對系統(tǒng)來說是最嚴(yán)峻的工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下的動態(tài)性能滿足要求，那么系統(tǒng)在其他形式的函數(shù)作用下，其動態(tài)性能也是令人滿意的。因此在大多數(shù)情況下，為了分析研究方便，最常采用的典型輸入信號是單位階躍函數(shù)，并在零初始條件下進(jìn)行研究。也就是說，在輸入信號加上之前，系統(tǒng)的輸出量及其對時間的各階導(dǎo)數(shù)均等于零。描述穩(wěn)定的系統(tǒng)在單位階躍函數(shù)作用下，動態(tài)過程隨時間t的變化狀況的指標(biāo)稱為動態(tài)性能指標(biāo)。線性控制系統(tǒng)在零初始條件和單位階躍信號輸入下的響應(yīng)過程曲線稱為系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。典型形狀如圖3.1所示。各項(xiàng)動態(tài)性能指標(biāo)也示于圖中。上述五個動態(tài)性能指標(biāo)，基本上可以體現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)過程的特征。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的動態(tài)性能指標(biāo)多為上升時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。通常用上升時間或峰值時間來評價系統(tǒng)的響應(yīng)速度；用超調(diào)量評價系統(tǒng)的阻尼程度；而調(diào)節(jié)時間是同時反映響應(yīng)速度和阻尼程度的綜合性指標(biāo)。2、PID=ProportionIntegrationDifferentiation按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為pid調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。Pid調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。特別在工業(yè)過程中，由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價進(jìn)行模型辨識，但往往不能得到預(yù)期的效果，所以人們常采用PID調(diào)節(jié)器，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定。由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正而更加完善。2.1模擬PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值w與實(shí)際輸出值y進(jìn)行比較構(gòu)成控制偏差e=w–y并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量（如圖4-11-1所示），所以簡稱為PID調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對象的特性和控制要求，也可靈活的改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)構(gòu)成控制規(guī)律。例如，P調(diào)節(jié)器、PI調(diào)節(jié)器、PID調(diào)節(jié)器等。比例調(diào)節(jié)器對于偏差e是即時反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決與比例系數(shù)K。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，但對于具有自平衡性（及系統(tǒng)階躍相應(yīng)終值為有限值）的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)K可以減小靜差，但當(dāng)K過大時，會使動態(tài)質(zhì)量變壞，引起被控量振蕩甚至導(dǎo)致閉環(huán)不穩(wěn)定。2）比例積分調(diào)節(jié)器為了消除在比例調(diào)節(jié)中殘存的靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加積分調(diào)節(jié)，形成比例積分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為u=K(e+1/Ti∫edi)+u01-2 式中，Ti為積分時間。從圖4-3可看出PI調(diào)節(jié)器對于偏差的階躍響應(yīng)除按比例變化的成分外，還帶有累積的成分。只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，并減小偏差，直至偏差為零，控制作用不再變化，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因此，積分環(huán)節(jié)的加入將有助于消除系統(tǒng)的靜差。顯然，如果積分時間Ti大，則積分作用弱；反之，則積分作用強(qiáng)。增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。Ti必須根據(jù)對象特性選定，對于管道壓力、流量等滯后不大的對象，Ti可選的小一些；對溫度等滯后較大的對象，Ti可選的大一些。在工業(yè)過程控制中，模擬PID調(diào)節(jié)器有電動、氣動、液壓等多種類型。這類模擬調(diào)節(jié)儀表是用硬件來實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用計(jì)算機(jī)軟件（包括PLC的指令）來實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)算法不但成為可能，而且具有更大的靈活性。2.2數(shù)字PID控制算法由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式（1-3）中的積分和微分項(xiàng)不能直接準(zhǔn)確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。在采樣時刻t=iT(T為采樣周期)，（1-3）所表示的PID調(diào)節(jié)規(guī)律可通過數(shù)值公式ui=K(ei+T/Ti∑ej+ Td/T（ei-ei-1）)+u0(1-4)近似計(jì)算。如果采樣周期T取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)控制過程身份接近，我們把這種情況稱為“準(zhǔn)連續(xù)控制”。P、I、D在控制系統(tǒng)中的作用：增大比例系數(shù)K，一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有靜差的情況下有利于減小靜差?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)K。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生震蕩，使穩(wěn)定型變壞。增大積分時間Ti，有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。增大為分時間Td,亦有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小，克服震蕩，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的控制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。經(jīng)驗(yàn)試湊法確定PID參數(shù)的步驟：比例部分為了減少試湊次數(shù)，可利用在選PID參數(shù)時已取得的經(jīng)驗(yàn)，把P定在某一范圍內(nèi)，將調(diào)節(jié)器選為純比例系數(shù)，使系統(tǒng)對信號輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)（穩(wěn)定邊緣）。具體做法為：首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0使PID為純比例調(diào)節(jié)。將比例系數(shù)由小到大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許的范圍內(nèi)，并且已經(jīng)滿意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，比例系數(shù)可以由此確定。（P最好在0.1左右，最好別超過0.3）2）加入積分環(huán)節(jié)如果在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時先把上步中得到的P的值調(diào)小一點(diǎn)（如縮小到原值的0.8倍）再調(diào)i，首先置積分時間Ti為一較大值（注意積分時間和積分作用的關(guān)系），然后減小積分時間，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。使在保持系統(tǒng)良好的動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時間，以期得到滿意的控制過程與整定參數(shù)。3）加入微分環(huán)節(jié)若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。在整定時，可先置微分時間Td為零。在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大Td，同時相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時間，逐步試湊，以獲得滿意效果。PID常用口訣：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