PID控制與參數(shù)整定方法講述課件

PID控制與參數(shù)整定方法1PID控制與參數(shù)整定方法1內(nèi)容過程控制常見概念過程控制系統(tǒng)的性能指標PID控制原理與數(shù)字實現(xiàn)PID控制參數(shù)對控制性能的影響PID控制的改進算法PID控制實現(xiàn)時的常用技巧PID參數(shù)整定方法采樣PI控制原理及參數(shù)整定方法PID算法的實現(xiàn)2內(nèi)容過程控制常見概念2過程控制常見概念時變系統(tǒng)和時不變系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)大慣性與純滯后多變量與耦合控制器、控制對象、執(zhí)行機構(gòu)測量參數(shù)（被調(diào)量）、操作變量優(yōu)化參數(shù)自適應(yīng)階躍響應(yīng)動態(tài)與穩(wěn)態(tài)3過程控制常見概念時變系統(tǒng)和時不變系統(tǒng)3時變系統(tǒng)和時不變系統(tǒng)時不變系統(tǒng)指控制系統(tǒng)參數(shù)不隨時間的變化而變化。時變系統(tǒng)指控制系統(tǒng)參數(shù)隨著時間的變化而變化。時變系統(tǒng)是任何控制對象的特點。時不變是理想的、是近似的。在某一時間段內(nèi)，可以把控制對象近似為時不變系統(tǒng)。4時變系統(tǒng)和時不變系統(tǒng)時不變系統(tǒng)指控制系統(tǒng)參數(shù)不隨時間的變化而線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)指輸出隨著輸入的變化成比例變化。非線性系統(tǒng)是輸出的變化與輸入的變化是不成比例的。例如：給煤機轉(zhuǎn)速和給煤量的關(guān)系。5線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)指輸出隨著輸入的變化成比例變化。大慣性與純滯后大慣性可以理解為系統(tǒng)的狀態(tài)改變較慢，慣性較大。純滯后是指在施加控制后，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的時間滯后與施加控制時間。例如：T用來表征慣性，τ用來表征滯后。6大慣性與純滯后大慣性可以理解為系統(tǒng)的狀態(tài)改變較慢，慣性較大。大慣性與純滯后K<0.2時可以選擇比例或比例積分控制；0.2<K<1.0時可以選擇比例微分或積分微分控制。如何獲得慣性時間常數(shù)和純滯后時間常數(shù)。7大慣性與純滯后K<0.2時可以選擇比例或比例積分控制；如多變量與耦合多變量指一個控制對象包含了多個輸入量和多個輸出量。（例：單入單出、多入單出和多入多出）耦合是指多個控制輸入量引起輸出量是非單一的，存在彼此之間的影響。（例：中間儲倉式制粉系統(tǒng)）8多變量與耦合多變量指一個控制對象包含了多個輸入量和多個輸出量控制器、控制對象、執(zhí)行機構(gòu)控制器指控制算法實現(xiàn)的裝置。執(zhí)行機構(gòu)指由控制輸出，被其接受能夠引起控制對象被調(diào)量變化的裝置?？刂茖ο笫强刂谱饔脤嵤┑膶ο?。例：溫度控制系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)。9控制器、控制對象、執(zhí)行機構(gòu)控制器指控制算法實現(xiàn)的裝置。9測量參數(shù)（被調(diào)量）、操作變量測量參數(shù)（被調(diào)量）指控制的目標量。例如：溫度控制中的溫度；負荷控制中的負荷。操作量指為了調(diào)節(jié)被調(diào)量需要控制的量。例如：溫度控制中的熱風(fēng)門開度；負荷控制中的給煤量。10測量參數(shù)（被調(diào)量）、操作變量測量參數(shù)（被調(diào)量）指控制的目標量優(yōu)化目標值優(yōu)化：搜索最佳工作點，以滿足一定的目標函數(shù)最大或最小。搜索方法有模型法，動態(tài)搜索法（在線優(yōu)化）。負荷回路控制即使用目標值優(yōu)化。其他優(yōu)化：有目標函數(shù)，按照經(jīng)驗?zāi)Ｐ突驍?shù)學(xué)模型或預(yù)測模型給出最佳輸出，以滿足目標函數(shù)最大或最小。11優(yōu)化目標值優(yōu)化：搜索最佳工作點，以滿足一定的目標函數(shù)最大或最參數(shù)自適應(yīng)

當(dāng)控制對象模型發(fā)生改變時，通過對控制性能分析，如果偏離最佳工作點，對控制器參數(shù)進行修正，這樣做到控制參數(shù)適應(yīng)控制對象的變化而變化，以保證控制性能。12參數(shù)自適應(yīng)當(dāng)控制對象模型發(fā)生改變時，通過對控制性能分階躍響應(yīng)時間r(t)R——單位階躍函數(shù)階躍信號是最常用系統(tǒng)性能測試信號，控制對象在階躍信號作用下的輸出時間曲線，稱為階躍響應(yīng)。13階躍響應(yīng)時間r(t)R——單位階躍函數(shù)階躍信號是最常用動態(tài)與穩(wěn)態(tài)過程控制系統(tǒng)在運行過程有兩種狀態(tài)，一種是穩(wěn)態(tài)，此時系統(tǒng)沒有受到任何外來干擾，同時設(shè)定值保持不變，因而被調(diào)量也不會隨時間變化，整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。另一種是動態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾的影響或者改變了設(shè)定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到了破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化，尤其是被調(diào)量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時間變化，這時就稱系統(tǒng)處于動態(tài)。經(jīng)過一段時間調(diào)整后，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，被調(diào)量將會重新達到新設(shè)定值或其附近，系統(tǒng)又恢復(fù)穩(wěn)定平衡工況。這種從一個穩(wěn)態(tài)到達另一個穩(wěn)態(tài)的歷程稱為過渡過程。14動態(tài)與穩(wěn)態(tài)過程控制系統(tǒng)在運行過程有兩種狀態(tài)，一種是穩(wěn)態(tài)，此時過程控制系統(tǒng)的性能指標評價控制系統(tǒng)的性能指標要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程對控制的要求來制定。這種要求可以概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。時域性能指標頻域性能指標綜合性能指標15過程控制系統(tǒng)的性能指標評價控制系統(tǒng)的性能指標要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)時域性能指標衰減比和衰減率最大動態(tài)偏差和超調(diào)量參余偏差調(diào)節(jié)時間和振蕩頻率/周期上升時間16時域性能指標衰減比和衰減率16閉環(huán)控制系統(tǒng)在設(shè)定值繞動下的階躍響應(yīng)17閉環(huán)控制系統(tǒng)在設(shè)定值繞動下的階躍響應(yīng)17衰減比和衰減率衰減比是衡量一個振蕩過程的衰減程度的指標，它等于兩個相鄰的同向波峰值之比。衰減比η=y2/y1衡量振蕩過程衰減程度的另一種指標是衰減率，它是指每經(jīng)過一個周期后，波動幅度衰減的百分數(shù)，即衰減率ψ=(y1-y3)/y1衰減比與衰減率兩者有簡單的對應(yīng)關(guān)系，例如衰減比η為4：1，衰減率ψ=0.75。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定度（魯棒性），在過程控制中，一般要求衰減比為4：1到10：1，這相當(dāng)于衰減率為75%到90%。這樣，大概經(jīng)過兩個周期后趨于穩(wěn)態(tài)。18衰減比和衰減率衰減比是衡量一個振蕩過程的衰減程度的指標，它等最大動態(tài)偏差和超調(diào)量最大動態(tài)偏差是指設(shè)定值階躍響應(yīng)中，過度過程開始后第一個波峰超過其穩(wěn)態(tài)之的幅度。最大動態(tài)偏差占被調(diào)量穩(wěn)態(tài)變化幅度的百分比稱為超調(diào)量。最大動態(tài)偏差更能直接反映在被調(diào)量的生產(chǎn)運行記錄曲線上，因此它是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性的一種衡量指標。19最大動態(tài)偏差和超調(diào)量最大動態(tài)偏差是指設(shè)定值階躍響應(yīng)中，過度過參余偏差殘余偏差是指過度過程結(jié)束后，被調(diào)量新的穩(wěn)態(tài)值y（∞）與新設(shè)定值r之間的差值，它是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的衡量指標。20參余偏差殘余偏差是指過度過程結(jié)束后，被調(diào)量新的穩(wěn)態(tài)值y（∞）調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間是從過度過程開始到結(jié)束所需的時間。理論上它需要無限長的時間，但一般認為當(dāng)被調(diào)量已進入其穩(wěn)態(tài)值的±5%范圍內(nèi)，就算過渡過程已經(jīng)結(jié)束。因此，調(diào)節(jié)時間就是從繞動開始到被調(diào)量進入新穩(wěn)態(tài)值的±5%范圍內(nèi)的這段時間，一般用ts表示。調(diào)節(jié)時間是衡量控制系統(tǒng)快速型的一個指標。21調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間是從過度過程開始到結(jié)束所需的時間。理論上它需振蕩頻率/周期22振蕩頻率/周期22上升時間當(dāng)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)第一次達到穩(wěn)態(tài)值的時間，稱為上升時間，記為tr。23上升時間當(dāng)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)第一次達到穩(wěn)態(tài)值的時間，稱為上升時間綜合性能指標24綜合性能指標24PID控制原理與數(shù)字實現(xiàn)PID控制是迄今為止最通用的控制方法。PID調(diào)節(jié)器及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器。至今在全世界過程控制中用的84%仍是純PID調(diào)節(jié)器，若改進型包含在內(nèi)則超過90%。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915~1940年期間。盡管自1940年以來，許多先進控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。25PID控制原理與數(shù)字實現(xiàn)PID控制是迄今為止最通用的控制方法PID控制的優(yōu)點原理簡單，使用方便。適應(yīng)性強，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)部門。魯棒性強，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。26PID控制的優(yōu)點原理簡單，使用方便。26控制系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)閥控制器執(zhí)行器受控對象測量、變送元件給定值被控量操作值偏差值反饋值擾動+-27控制系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)閥控執(zhí)受控測量、變送元件被控量操作值偏差值反PID算法KP——比例系數(shù)；TI——積分時間常數(shù)；TD——微分時間常數(shù)。28PID算法KP——比例系數(shù)；28PID控制規(guī)律比例作用（P）比例積分作用（PI）比例積分微分作用（PID）29PID控制規(guī)律比例作用（P）比例積分作用（PI）比例積分微分PID算法的離散化為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式。30PID算法的離散化為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬P位置式與增量式PID算法

利用增量型PID控制算法，可得到位置型PID控制算法的遞推形式，即位置型PID算法：31位置式與增量式PID算法利用增量型PID控制算法，可得到PID控制參數(shù)對控制性能的影響比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）積分調(diào)節(jié)（I調(diào)節(jié)）比例積分調(diào)節(jié)（PI）調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）調(diào)節(jié)32PID控制參數(shù)對控制性能的影響比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）32比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號u與偏差信號e成比例。u=Kc*e式中Kc成為比例增益（視情況可設(shè)置為正或負）。上式中的調(diào)節(jié)器輸出u實際上是對其起始值u0的增量。因此當(dāng)偏差為零因而u=0時，并不意味著調(diào)節(jié)器沒有輸出，它只說明此時有u=u0。u0的大小是可以通過調(diào)節(jié)器的工作點加以改變的。比例調(diào)節(jié)的顯著特點就是有差調(diào)節(jié)。33比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號u與偏差信號e比例帶在過程控制中習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的關(guān)系：U=1/δ*e式中δ稱為比例帶，δ具有重要的物理意義。如果u直接代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量，那么δ就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變100%，即從全關(guān)到全開時所需要的被調(diào)量的變化范圍。根據(jù)P調(diào)節(jié)器的輸入輸出測試數(shù)據(jù)，很容易確定比例帶的大小。34比例帶在過程控制中習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比例帶/比例增益對于調(diào)節(jié)過程的影響比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的增大而增大，從這一方面考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩，甚至不穩(wěn)定。如果殘差過大，則需要通過其他途徑解決。δ很大意味著調(diào)節(jié)閥的動作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至可以沒有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時間很長。減小δ就加大了調(diào)節(jié)閥的動作幅度，引起被調(diào)量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。δ具有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小δ系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。δ的臨界值可以通過試驗測定出來。35比例帶/比例增益對于調(diào)節(jié)過程的影響比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的δ對于比例調(diào)節(jié)過程的影響曲線36δ對于比例調(diào)節(jié)過程的影響曲線36積分調(diào)節(jié)（I調(diào)節(jié)）在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號變化速度du/dt與偏差信號e成正比，即du/dt=S0e或37積分調(diào)節(jié)（I調(diào)節(jié)）在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號變化速度du/積分調(diào)節(jié)的特點，無差調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)。只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。調(diào)節(jié)器的輸出可以停在任何數(shù)值上。輸出將停在新的位置而不復(fù)原位，保持靜差為零。對干擾有及時而有力的抑制作用。采用I調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，其輸出與當(dāng)時被調(diào)量的數(shù)值本身沒有直接關(guān)系，因此I調(diào)節(jié)也成為浮動調(diào)節(jié)。I調(diào)節(jié)的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差。動作遲緩，動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間延長，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。38積分調(diào)節(jié)的特點，無差調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)。只要被調(diào)量存在偏積分速度對于調(diào)節(jié)過程的影響采用I調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度S0成正比，因此，增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。因為S0愈大，則調(diào)節(jié)的動作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩。但與此同時，振蕩頻率將愈來愈高，而最大動態(tài)偏差則愈來愈小。被調(diào)量最后都沒有殘差，這是I調(diào)節(jié)的特點。39積分速度對于調(diào)節(jié)過程的影響采用I調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益積分速度對于調(diào)節(jié)過程的影響40積分速度對于調(diào)節(jié)過程的影響40比例積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為式中δ為比例帶，TI為積分時間。41比例積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，比例積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律示意圖42比例積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律示意圖42PI調(diào)節(jié)器的特點PI調(diào)節(jié)引入積分動作來消除系統(tǒng)殘差好處的同時，降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng)加大。所以PI調(diào)節(jié)在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。當(dāng)偏差出現(xiàn)，比例起粗調(diào)，積分起細調(diào)，直到誤差為零。積分作用除消除系統(tǒng)的余差外，也降低了系統(tǒng)的振蕩頻率，使響應(yīng)速度變慢。KC不變時，減小Ti，積分作用增強，衰減比減小，振蕩加劇，超調(diào)量增大。43PI調(diào)節(jié)器的特點PI調(diào)節(jié)引入積分動作來消除系統(tǒng)殘差好處的同時積分飽和現(xiàn)象具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會不停變化。如果由于某種原因（如閥門、泵故障），被調(diào)量偏差無法消除，然而調(diào)節(jié)器還是要試圖校正這個偏差，結(jié)果經(jīng)過一段時間后，調(diào)節(jié)器輸出將進入深度飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。進入深度積分飽和的調(diào)節(jié)器，要等被調(diào)量偏差反向以后才慢慢從飽和狀態(tài)中退出來，重新恢復(fù)控制作用。44積分飽和現(xiàn)象具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量與設(shè)定值之間有偏抗積分飽和的措施簡單地限制PI調(diào)節(jié)器的輸出在規(guī)定的范圍內(nèi)，雖然能緩和積分飽和的影響，但并不能真正解決問題，反而在正常操作中不能消除系統(tǒng)的殘差。根本的解決辦法還得從比例積分動作規(guī)律中去找。因PI調(diào)節(jié)器積分部分的輸出在偏差長期存在時會超過輸出額定值，從而引起積分飽和。因此，必須在調(diào)節(jié)器內(nèi)部限制這部分的輸出，使得偏差為零時PI調(diào)節(jié)器的輸出在額定值以內(nèi)。常用方法：調(diào)節(jié)器內(nèi)部實現(xiàn)PI與P的調(diào)節(jié)動作的自動切換。45抗積分飽和的措施簡單地限制PI調(diào)節(jié)器的輸出在規(guī)定的范圍內(nèi)，雖比例積分微分調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)）微分調(diào)節(jié)能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來改變輸出，而不要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開始動作，那么調(diào)節(jié)的效果將會更好，表現(xiàn)出調(diào)節(jié)器的預(yù)見性。偏差變化的瞬間，即產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快的消除。對靜差毫無抑制能力，不能單獨使用。46比例積分微分調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)）微分調(diào)節(jié)能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速比例微分調(diào)節(jié)（PD調(diào)節(jié)）式中，δ為比例帶，可視情況取正值或負值；TD為微分時間。47比例微分調(diào)節(jié)（PD調(diào)節(jié)）式中，δ為比例帶，可視情況取正值或負比例微分調(diào)節(jié)的特性在斜坡輸入條件下，要達到同樣的u(t)，PD作用要比單純P作用快，提前的時間就是Td。48比例微分調(diào)節(jié)的特性在斜坡輸入條件下，要達到同樣的u(t)，P比例微分調(diào)節(jié)的特點在穩(wěn)態(tài)下，de/dt=0，PD調(diào)節(jié)器的微分部分輸出為零，因此PD調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)，與P調(diào)節(jié)相同。微分調(diào)節(jié)動作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩，它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。適度引入微分動作可以允許稍許減小比例帶，同時保持衰減率不變。適度引入微分動作后，由于采用較小的比例帶，結(jié)果不但減小了殘差，而且也減小了短期最大偏差和提高了振蕩頻率。49比例微分調(diào)節(jié)的特點在穩(wěn)態(tài)下，de/dt=0，PD調(diào)節(jié)器的微分比例微分調(diào)節(jié)的缺點微分動作太強容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和，因此在PD調(diào)節(jié)中總是以比例動作為主，微分動作只能起輔助調(diào)節(jié)作用。PD調(diào)節(jié)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，一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。微分調(diào)節(jié)動作對于純遲延過程是無效的。50比例微分調(diào)節(jié)的缺點微分動作太強容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和，比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律單位階躍下的PID作用51比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律單位階躍下的PID作用51PID作用規(guī)律總結(jié)比例作用Kp增大，系統(tǒng)振蕩增強，穩(wěn)定性下降Kp增大，系統(tǒng)靜差減小，但不能消除靜差Kp無延時環(huán)節(jié)，快速性好，響應(yīng)快積分作用Ti減小，積分作用增強，可消除靜差Ti減小，系統(tǒng)振蕩增強，穩(wěn)定性下降有延時環(huán)節(jié)，快速性下降微分作用Td增大，系統(tǒng)振蕩減弱，穩(wěn)定性增強Td增大，調(diào)節(jié)時間減小，快速性增強不能消除系統(tǒng)靜差52PID作用規(guī)律總結(jié)比例作用52PID控制器類型的選擇控制對象時間常數(shù)較大或遲延較大時，應(yīng)引入微分。（如溫度控制）控制對象時間常數(shù)較小，負荷變化不大，而工藝要求無殘差時，可以選擇比例積分動作。（如壓力或流量控制）控制對象時間常數(shù)較小，負荷變化不大，而工藝要求不高時，可以選擇比例動作。（如貯罐壓力或液位控制）控制對象時間常數(shù)較大或遲延很大時，負荷變化亦很大時，簡單的控制系統(tǒng)已不能滿足要求。53PID控制器類型的選擇控制對象時間常數(shù)較大或遲延較大時，應(yīng)引PID控制的改進算法-積分分離一般PID,當(dāng)有較大的擾動或大幅度改變設(shè)定值時，由于短時間內(nèi)出現(xiàn)大的偏差，加上系統(tǒng)本身具有的慣性和滯后，在積分的作用下，將引起系統(tǒng)過量的超調(diào)和長時間的波動。

積分的主要作用：在控制的后期消除穩(wěn)態(tài)偏差

普通分離算法：大偏差時不積分

采用PID控制采用PD控制

54PID控制的改進算法-積分分離一般PID,當(dāng)有較大的擾動或大積分分離PID控制算法積分分離算法的思想是在e(k)較大時，取消積分作用；而在e(k)較小時將積分作用投入。積分分離PID算法可表示為55積分分離PID控制算法積分分離算法的思想是在e(k)較大時，積分分離值的確定原則不同積分分離值下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線56積分分離值的確定原則不同積分分離值下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線56PID控制的改進算法-抗積分飽和由于控制輸出與被控量不是一一對應(yīng)的，控制輸出可能達到限幅值，持續(xù)的積分作用可能使輸出進一步超限，此時系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，當(dāng)需要控制量返回正常值時，無法及時“回頭”，使控制品質(zhì)變差?？狗e分飽和算法：輸出限幅，輸出超限時不積分

當(dāng)時，采用PD控制當(dāng)時，采用PD控制其他情況，正常的PID控制

57PID控制的改進算法-抗積分飽和由于控制輸出與被控量不是一一PID控制實現(xiàn)時的常用技巧輸入濾波輸入限幅輸出限幅防止飽和無擾切換帶死區(qū)的PID控制算法58PID控制實現(xiàn)時的常用技巧輸入濾波58輸入濾波10種軟件濾波方法59輸入濾波10種軟件濾波方法59輸入限幅上下限限幅（也可以在信號濾波中處理）in>INmaxin=INmaxIn<INminin=INmin變化量限幅In(n)>In(n-1)In(n)-In(n-1)>ΔINmaxIn(n)=In(n-1)+ΔINmaxIn(n)<In(n-1)In(n-1)-In(n)>ΔINmaxIn(n)=In(n-1)-ΔINmax變化率限幅In(n)>In(n-1)[In(n)-In(n-1)]/In(n-1)>δ

In(n)=In(n-1)*(1+

δ)In(n)<In(n-1)[In(n-1)-In(n)]/In(n-1)>δ

In(n)=In(n-1)*(1-

δ)60輸入限幅上下限限幅（也可以在信號濾波中處理）60輸出限幅上下限限幅（也可以在信號濾波中處理）out>outmaxout=outmaxout<outminout=outmin變化量限幅out(n)>out(n-1)out(n)-out(n-1)>Δoutmaxout(n)=out(n-1)+Δoutmaxout(n)<out(n-1)out(n-1)-out(n)>Δoutmaxout(n)=out(n-1)-Δoutmax變化率限幅out(n)>out(n-1)[out(n)-out(n-1)]/out(n-1)>δ

out(n)=out(n-1)*(1+

δ)out(n)<out(n-1)[out(n-1)-out(n)]/out(n-1)>δ

out(n)=out(n-1)*(1-

δ)61輸出限幅上下限限幅（也可以在信號濾波中處理）61防止飽和對于增量式

MV（out）=MP（比例）+MI（積分）+MD（微分）MV（out）>MV（max）MI（積分）=MV（max）-MP（比例）-MD（微分）MV（out）<MV（min）MI（積分）=MV（min）-MP（比例）-MD（微分）對于位置式采用輸出限幅后，該問題就會直接解決。

62防止飽和對于增量式62無擾切換設(shè)置給定值 （SPn）=測量變量（PVn）設(shè)置測量值 （PVn-1）=測量變量（PVn）設(shè)置輸出值 （MX）=手動輸出值（Mn）63無擾切換設(shè)置給定值63帶死區(qū)的PID控制算法帶死區(qū)的PID控制規(guī)律如下：

非線性控制，非線性控制寬度、非線性控制增益。64帶死區(qū)的PID控制算法帶死區(qū)的PID控制規(guī)律如下：非線性控PID參數(shù)整定方法擴充臨界比例帶法擴充響應(yīng)曲線法試湊法65PID參數(shù)整定方法擴充臨界比例帶法65擴充臨界比例帶法擴充臨界比例帶法是模擬調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例帶法（也稱穩(wěn)定邊界法）的擴充，是一種閉環(huán)整定的實驗經(jīng)驗方法。按該方法整定PID參數(shù)的步驟如下：選擇一個足夠短的采樣周期T，例如被控過程有純滯后時，采樣周期T取滯后時間的1/10以下，此時調(diào)節(jié)器只作純比例控制，給定值r作階躍輸入。逐漸加大比例系數(shù)Kp，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts，并記下此時的比例系數(shù)Kp，將其記作臨界振蕩增益Ks。此時的比例度為臨界比例度。選擇控制度。根據(jù)控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。66擴充臨界比例帶法擴充臨界比例帶法是模擬調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例擴充臨界比例帶法參數(shù)速查表67擴充臨界比例帶法參數(shù)速查表67擴充臨界比例帶法參數(shù)速查表（簡化）68擴充臨界比例帶法參數(shù)速查表（簡化）68擴充響應(yīng)曲線法擴充響應(yīng)曲線法是一種開環(huán)整定方法。如果可以得到被控對象的動態(tài)特性曲線，那么就可以與模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定一樣，采用擴充響應(yīng)曲線法進行數(shù)字PID的整定。其步驟如下：（1）斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動狀態(tài)下工作。將被控量調(diào)節(jié)到給定值附近，當(dāng)達到平衡時，突然改變給定值，相當(dāng)給對象施加一個階躍輸入信號。（2）記錄被控量在此階躍作用下的變化過程曲線（即廣義對象的飛升特性曲線）。69擴充響應(yīng)曲線法擴充響應(yīng)曲線法是一種開環(huán)整定方法。如果可以得到廣義對象的飛升特性曲線70廣義對象的飛升特性曲線70擴充響應(yīng)曲線法（3）根據(jù)飛升特性曲線，求得被控對象純滯后時間和等效慣性時間常數(shù)，以及它們的比值。（4）由求得的和以及它們的比，選擇某一控制度，查表即可求得數(shù)字PID的整定參數(shù)的值。（5）按求得的整定參數(shù)投入在投運中觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果。71擴充響應(yīng)曲線法（3）根據(jù)飛升特性曲線，求得被控對象純滯后時間擴充響應(yīng)曲線法參數(shù)速查表72擴充響應(yīng)曲線法參數(shù)速查表72衰減曲線法選把過程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器參數(shù)置成純比例作用（TI=∞，TD=0）使系統(tǒng)投入運行。再把比例度δ從大逐漸調(diào)小，直到出現(xiàn)4：1衰減過程曲線。此時的比例度為4：1衰減比例度δc，兩個相鄰波峰間的時間間隔，稱為4：1衰退減振蕩周期Ts。

73衰減曲線法選把過程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器參數(shù)置成純比例作用（TI=衰減曲線法74衰減曲線法74衰減曲線法參數(shù)速查表75衰減曲線法參數(shù)速查表75試湊法只采用比例控制，Kp由小變大，若響應(yīng)時間、超調(diào)、靜差已達到要求，只采用比例調(diào)節(jié)即可。若靜差不滿足，則加入積分控制，將Kp減小，例如取0.8Kp代替Kp，Ti由大到小，反復(fù)測試多組的Kp和Ti值，從中確定合適的參數(shù)。若動特性不滿足，比如超調(diào)量過大，或調(diào)節(jié)時間過長，則加入微分控制，Td由小到大，逐步湊多組PID參數(shù)，從中找出一組最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。

76試湊法只采用比例控制，Kp由小變大，若響應(yīng)時間、超調(diào)、靜差已采樣周期T的經(jīng)驗數(shù)據(jù)77采樣周期T的經(jīng)驗數(shù)據(jù)77采樣PI控制原理及參數(shù)整定方法采樣PI控制原理采樣PI控制的類型采樣PI的參數(shù)整定方法78采樣PI控制原理及參數(shù)整定方法采樣PI控制原理78采樣PI控制原理采樣PI控制是一種針對大存滯后對象的實用控制算法，因為其控制結(jié)構(gòu)與一般PI控制相似，所以可以看作是PI控制的改進算法。它具有算法容易實現(xiàn)，不需要對系統(tǒng)進行辨識，魯棒性強的特點，所以適用于工業(yè)過程控制。采樣PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與一般PI控制系統(tǒng)比較，區(qū)別在于控制器的偏差輸入受一個周期性開關(guān)控制。79采樣PI控制原理采樣PI控制是一種針對大存滯后對象的實用控制采樣PI控制原理80采樣PI控制原理80采樣PI控制原理81采樣PI控制原理81采樣PI控制的類型1.保持控制輸出不變2.保持積分部分不變82采樣PI控制的類型1.保持控制輸出不變2.保持積采樣PI控制的類型比較保持控制輸出不變該方法比例項只有閉環(huán)時間較長時有效；可以加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度。保持積分部分不變比例項的作用一直存在；比例項較大容易造成系統(tǒng)波動；抗干擾能力差（假如最后計算時有干擾信號，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。）所以一般采用采樣I控制。83采樣PI控制的類型比較保持控制輸出不變83比例項在采樣PI中控制的作用84比例項在采樣PI中控制的作用84采樣PI的參數(shù)整定方法采樣周期的選擇閉環(huán)時間的選擇比例增益的選擇積分時間的選擇85采樣PI的參數(shù)整定方法采樣周期的選擇85采樣周期的選擇采樣周期變小時，系統(tǒng)開環(huán)時間變短，當(dāng)采樣周期小到，系統(tǒng)即為常規(guī)的PI控制。采樣周期變大時，系統(tǒng)開環(huán)時間變大，如果開環(huán)給定不是系統(tǒng)穩(wěn)定時的控制器輸出，就需要多個采樣周期系統(tǒng)方可達到穩(wěn)定，所以隨著采樣周期的增大，系統(tǒng)過渡時間就會變長。采樣PI控制原理是“閉環(huán)計算控制器輸出，開環(huán)進行恒值控制”，其中閉環(huán)時間很短，開環(huán)時間較長。因為控制作用只能在純滯后時間后才能起作用，因為在給定控制起作用后一個對象時間常數(shù)后達到穩(wěn)態(tài)的63%，三個對象時間常數(shù)后達到穩(wěn)態(tài)的95%，所以采樣周期一般取86采樣周期的選擇采樣周期變小時，系統(tǒng)開環(huán)時間變短，當(dāng)采樣周期小閉環(huán)時間的選擇Tc一方面決定閉環(huán)作用時間，另一方面影響控制器的輸出。在采樣周期不變時，Tc變大，閉環(huán)時間變長，開環(huán)時間變短，增大到Ta，系統(tǒng)與常規(guī)PI控制閉環(huán)控制系統(tǒng)相同。在Tc增大時，輸出積分作用增強，容易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩；反之，輸出積分作用減弱，系統(tǒng)過渡時間變長。87閉環(huán)時間的選擇Tc一方