机电一体化技术第四章 PID控制技术
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一章 目录
1
PID控制简介
2
3
4.1 PID控制的原理和特点
4. 2 PID各环节对控制系统的影响
4
5
4.3 PID参数的调整方法 4.4 PID应用实例
PID 控制简介
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化 水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历 了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个 阶段。 目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表） 已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用， 有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有 PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数 的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法 来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液 位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)， 还有可实现PID控制的PC系统等等。
e(n) r (n) c(n)
4.1.2 数字PID
当采样周期T很小时 dt 可以用T近似代替， de(t ) 可用 e(n) e(n 1) 近似代替，“积分”用“求和”近 似代替，即可作如下近似
de (t ) e(n) e(n 1) dt T
e(t )dt e(i)T
u p (n) K P e(n)
第二项起积分控制作用,称为积分（I）项
T u I ( n) K P TI
e(i)
i 1
n
第三项起微分控制作用,称为微分（D）项 即
TD u D (n) K P [e(n) e(n 1)] T
4.1.2 数字PID
这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并 使用,常用的组合有:
4.1 PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律 为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID 调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为 工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得 不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以 采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和 现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不 能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合 用PID控制技术。
4.1.2 数字PID
实用位置型PID算法
由式4-15可以看出，每次输出与过去的状态有关，要想 计算U(k)，不仅涉及到e(n-1)和e(k-2)，且须将e(n)历次相加。 上式计算复杂，浪费内存。考虑到第n-1次采样时有：
T u (n) K P {e(n) TI TD e(i ) [e(n) e(n 1)]} u0 T i 1
1 u (t ) K p [e(t ) TI de(t ) 0e(t )dt TD dt ]
t
简单的说，PID调节器各校正环节的作用是： （1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信 号 ,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差； （2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差 度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越大，积分 作用越弱，反之则越强； （3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速 率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入 一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减 少调节时间。
P控制:
u(n) uP (n) u0 u(n) u P (n) u I (n) u0
u(n) uP (n) uD (n) u0
PI控制:
PD控制:
PID控制:
u(n) uP (n) uI (n) uD (n) u0
以上式的输出量 为全量输出,它对于被控对象的执行 机构每次采样时刻应达到的位置。如（阀门开度，电机转速 等），即输出值与阀门开度(电机转速)一一对应，所以称为位 置式PID控制算法。
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合 构成控制量，对控制对象进行控制，故称为 PID调节器。 在实际应用中，常根据对象的特征和控制要 求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合， 以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如， P调节器，PI调节器，PID调节器等。 模拟PID调节器的控制规律为：
4.1.1 模拟PID
4.1.2 数字PID
1、位置型PID控制算法 在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件。 由于计算机只能识别数字量，不能对连续的 控制算式直接进行运算，故在计算机控制系 统中，首先必须对控制规律进行离散化的算 法设计。 为将模拟PID控制规律离散化，我们把式4-1 c(t )、 e(t ) 在第n次采样的数据分别 中r (t ) 、 e(n)表示，于是式（4-1）变为 ： 用r (n) 、 c ( n) 、
TD e(i) [e(n 1) e(n 2)]} u 0 T i 0
n 1
n
T u(n 1) K P {e(n 1) TI
TD T u(n) u(n) u(n 1) K P {e(n) e(n 1) e(n) [e(n) 2e(n 1) e(n 2)]} TI T
t 0 i 1
n
4.1.2 数字PID
这样便可离散化以下差分方程：
T u(n) K P {e(n) TI TD e(n) [e(n) e(n 1)]} u0 T i 1
n
4.1.2 数字PID
上式中 u0 是偏差为零时的初值,上式中的第一项 起比例控制作用,称为比例（P）项 ,即
4.1.1 模拟PID
在模拟控制系统中，调节器最常用的控制 规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如 图所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及 控制对象组成。
图4-1 模拟PID控制系统原理框图
4.1.1 模拟PID
PID调节器是一种线性调节器，它根据给 e(t ) r (t ) c(t ) 定值与实际输出值 构成的控制偏差：
1
PID控制简介
2
3
4.1 PID控制的原理和特点
4. 2 PID各环节对控制系统的影响
4
5
4.3 PID参数的调整方法 4.4 PID应用实例
PID 控制简介
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化 水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历 了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个 阶段。 目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表） 已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用， 有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有 PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数 的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法 来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液 位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)， 还有可实现PID控制的PC系统等等。
e(n) r (n) c(n)
4.1.2 数字PID
当采样周期T很小时 dt 可以用T近似代替， de(t ) 可用 e(n) e(n 1) 近似代替，“积分”用“求和”近 似代替，即可作如下近似
de (t ) e(n) e(n 1) dt T
e(t )dt e(i)T
u p (n) K P e(n)
第二项起积分控制作用,称为积分（I）项
T u I ( n) K P TI
e(i)
i 1
n
第三项起微分控制作用,称为微分（D）项 即
TD u D (n) K P [e(n) e(n 1)] T
4.1.2 数字PID
这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并 使用,常用的组合有:
4.1 PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律 为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID 调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为 工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得 不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以 采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和 现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不 能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合 用PID控制技术。
4.1.2 数字PID
实用位置型PID算法
由式4-15可以看出，每次输出与过去的状态有关，要想 计算U(k)，不仅涉及到e(n-1)和e(k-2)，且须将e(n)历次相加。 上式计算复杂，浪费内存。考虑到第n-1次采样时有：
T u (n) K P {e(n) TI TD e(i ) [e(n) e(n 1)]} u0 T i 1
1 u (t ) K p [e(t ) TI de(t ) 0e(t )dt TD dt ]
t
简单的说，PID调节器各校正环节的作用是： （1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信 号 ,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差； （2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差 度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越大，积分 作用越弱，反之则越强； （3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速 率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入 一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减 少调节时间。
P控制:
u(n) uP (n) u0 u(n) u P (n) u I (n) u0
u(n) uP (n) uD (n) u0
PI控制:
PD控制:
PID控制:
u(n) uP (n) uI (n) uD (n) u0
以上式的输出量 为全量输出,它对于被控对象的执行 机构每次采样时刻应达到的位置。如（阀门开度，电机转速 等），即输出值与阀门开度(电机转速)一一对应，所以称为位 置式PID控制算法。
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合 构成控制量，对控制对象进行控制，故称为 PID调节器。 在实际应用中，常根据对象的特征和控制要 求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合， 以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如， P调节器，PI调节器，PID调节器等。 模拟PID调节器的控制规律为：
4.1.1 模拟PID
4.1.2 数字PID
1、位置型PID控制算法 在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件。 由于计算机只能识别数字量，不能对连续的 控制算式直接进行运算，故在计算机控制系 统中，首先必须对控制规律进行离散化的算 法设计。 为将模拟PID控制规律离散化，我们把式4-1 c(t )、 e(t ) 在第n次采样的数据分别 中r (t ) 、 e(n)表示，于是式（4-1）变为 ： 用r (n) 、 c ( n) 、
TD e(i) [e(n 1) e(n 2)]} u 0 T i 0
n 1
n
T u(n 1) K P {e(n 1) TI
TD T u(n) u(n) u(n 1) K P {e(n) e(n 1) e(n) [e(n) 2e(n 1) e(n 2)]} TI T
t 0 i 1
n
4.1.2 数字PID
这样便可离散化以下差分方程：
T u(n) K P {e(n) TI TD e(n) [e(n) e(n 1)]} u0 T i 1
n
4.1.2 数字PID
上式中 u0 是偏差为零时的初值,上式中的第一项 起比例控制作用,称为比例（P）项 ,即
4.1.1 模拟PID
在模拟控制系统中，调节器最常用的控制 规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如 图所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及 控制对象组成。
图4-1 模拟PID控制系统原理框图
4.1.1 模拟PID
PID调节器是一种线性调节器，它根据给 e(t ) r (t ) c(t ) 定值与实际输出值 构成的控制偏差：