计算机控制系统的控制策略
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度，而对于一个固定不变的偏差则不会有微 分作用输出。因此，微分作用不能消除静 差，而只能在偏差刚刚出现的时刻产生一个
很大的调节作用。
14
比例积分微分控制器（PID）
u
Kp
e
t
1 Ti
e t TD
de(t)
dt
a. 调节过程——首先是比例和微分作用，加强调节作用；
然后再进行积分作用，直到消除静差。
de t
u TD dt
e(t)
微分作用，在偏差刚刚出现偏差值尚不 大时，根据偏差变化的趋势，提前给出较大 的调节作用，使偏差尽快消除。由于调节及 时，可以大大减小系统的动态误差及调节时
t 0
t0 y
t
0
t0
图 4-5 微分作用响应特性曲线
间，使过程的动态品质得到改善。 特点：输出只能反应偏差输入变化的速
ut
Kp
e
t
1 TI
e t TD
det
dt
将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程
n
0
e
t
dt
n
e
j
t
T
n
e
j
j0
j0
d et ek e k 1 e k e k 1
dt
t
T
18
(2) 离散PID算法
u(k)
Kp
e
k
T TI
n
e
j0
j TD
T
e k e k
1
第四章 计算机控制系统的控制策略
(3) 计算机实现过程控制的优点
a. 多回路控制——节省设备费用； b. 控制规律灵活多样； c. 系统维护简单、可靠性高； d. 改善调节品质。
(4) 设计数字控制器的方法
a. 用经典控制理论设计模拟控制器，在DDC系统中用数字方法对PID进 行数字模拟；
b. 用采样控制理论进行数字直接分析和设计；
6
4.1.1 模拟PID控制器
1、比例控制器（P）
u KP et
e(t)
只要偏差e(t)一出现，就能及时的产 生与之成比例的调节作用，具有调节及 时，改善动态特性的优点，它是一种最基
0
t
本的调节规律 。
y
对于大多数惯性环节，KP太大时会
kPe(t)
t
引起自激震荡。
0
主要缺点是存在静差。对于扰动较
方法对PID进行模拟
给定值 输入通道 A/D
计算机
输出通道 D/A
被控变量
广义对象 y
输入通道 A/D
数字控制器的直接设计——把计算机控制系统中的连续部分数字化，把整
个系统看作离散系统，用离散化的方法设计控制器
R(z)
G(z)
r (t)
e*(t)
+ _ E(z)
D(z)
u*(t)
U(z) Ho(s)
2
f 干扰
r+ e 给定值 _ 偏差
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
r
给定值
测量变送器 (a) 闭环控制系统
控制器
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
(b) 开环控制系统
被控对象
常规图1仪-2 表常规仪控表控制制系系统原统理框图框图
y
被控量
3
数字控制器的模拟化设计——利用经典控制理论设计模拟调节器，用数字
第四章 计算机控制系统的控制策略
(1) 模拟系统的过程控制
a. 将被测参数由传感器变成统一的标准信号送入控制器，在控制器中与给 定值进行比较；
b. 然后将比较出的差值经PID运算后送到执行器，改变控制量，以达到自 动调节的目的。
(2) 数字控制器的调节过程
a. 首先将过程参数进行采样，通过模拟量输入通道变成数字量； b. 数字量通过计算按一定控制算法进行运算处理； c. 运算结果由模拟量输出通道输出，通过执行器控制生产，达到给定值。
Gc(s)
C (z) c (t)
4
系数
分类 方法 输入量与输出量之关系
数学工具 使用函数 现代控制理论
连续系统
微分方程 拉氏变换 传递函数 状态方程
离散系统 差分方程
Z变换 脉冲传递函数 离散时间状态方程
表 4—1 控制系统的研究方法
5
4.1 数字PID控制
PID控制广泛应用的原因：
a. 技术成熟———常规PID、各种PID控制变形； b. 接受程度高——操作人员熟悉； c. 不需要求出数学模型； d. 控制效果好。
b. PID控制优点——改善静态、动态调节品质；
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PD调节器
PID调节器
e(t)
t 0
t0 y
0 t0
kie(t) t
图 4-6 PD 调节器的阶跃响应曲线
u
K p [e(t)
1 T1
e(t) dt
TD
de(t ) ] dt
e(t)
0
t
y
kPkIe(t) 0
kPkIe(t)
KPe(t)
t
图 4-7 PID 调节器阶跃响应特性曲线
图 4-1 阶跃响应特性曲线
大、惯性也较大的系统，若采用单纯的比
ຫໍສະໝຸດ Baidu例调节器，就难于兼顾动态和静态特性 。
7
控制作用u
系统实际输出y
8
对于大多数惯性环节，Kp太大 时会引起自激震荡。
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2、比例积分控制器（PI）
u
1 TI
e t
dt
e(t)
0
t
y
t 0 图 4-3 积分作用响应曲线
所谓积分作用，是指调节器的输出 与输入偏差的积分成比例的作用。
1
(3) 位置型PID算法
U k U k 1 Kp ek ek 1 KIek Kp ek 2ek 1ek 2
计算机
对象
e(t) U(n)=式(4-11) U(n) x(t) +
Wd
c(t)
(a) 位置式控制
图 4-8 DDC 控制原理图
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(4) 增量式PID算法
U k U k U k 1 K p ek ek 1 KIe k K p e k 2e k 1 e k 2
说明：并非所有工业控制系统都需要使用PID调节器， PI、PD调节器也常常被人们所采用，因为它们比较简单。究 竟使用哪种调节器，应根据具体情况和现场实验进行选定。 16
图 3-21、各种控制规律对控制性能的影响
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4.1.2 数字PID控制器控制算法
1、PID算法的数字化
(1) PID算法的模拟表达式：
优点：消除静差。只要有偏差存在， 输出就会随时间不断增长，直到偏差消 除，调节器的输出才不会变化。
缺点：作用动作缓慢，且在偏差刚一 出现时，调节器作用很弱，不能及时克服 扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增 大，调节过程增长，因此很少单独使用。
10
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如果把比例和积分两种作用合起来，就构成PI调节器：
u
KP
e
t
1 TI
e t
dt
e(t)
e(t)
t
0
y 给定值
y2
0
y1=kPe(t) kIkPe(t) t
图 4-4 PI 调节器的输出特性曲线
既克服了单纯比例调节 器有静差存在的缺点，又避 免了积分调节器响应慢的缺 点，即静态和动态特性均得 到了改善，所以应用比较广 泛。
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3、比例微分控制器（PD）
很大的调节作用。
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比例积分微分控制器（PID）
u
Kp
e
t
1 Ti
e t TD
de(t)
dt
a. 调节过程——首先是比例和微分作用，加强调节作用；
然后再进行积分作用，直到消除静差。
de t
u TD dt
e(t)
微分作用，在偏差刚刚出现偏差值尚不 大时，根据偏差变化的趋势，提前给出较大 的调节作用，使偏差尽快消除。由于调节及 时，可以大大减小系统的动态误差及调节时
t 0
t0 y
t
0
t0
图 4-5 微分作用响应特性曲线
间，使过程的动态品质得到改善。 特点：输出只能反应偏差输入变化的速
ut
Kp
e
t
1 TI
e t TD
det
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将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程
n
0
e
t
dt
n
e
j
t
T
n
e
j
j0
j0
d et ek e k 1 e k e k 1
dt
t
T
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(2) 离散PID算法
u(k)
Kp
e
k
T TI
n
e
j0
j TD
T
e k e k
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第四章 计算机控制系统的控制策略
(3) 计算机实现过程控制的优点
a. 多回路控制——节省设备费用； b. 控制规律灵活多样； c. 系统维护简单、可靠性高； d. 改善调节品质。
(4) 设计数字控制器的方法
a. 用经典控制理论设计模拟控制器，在DDC系统中用数字方法对PID进 行数字模拟；
b. 用采样控制理论进行数字直接分析和设计；
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4.1.1 模拟PID控制器
1、比例控制器（P）
u KP et
e(t)
只要偏差e(t)一出现，就能及时的产 生与之成比例的调节作用，具有调节及 时，改善动态特性的优点，它是一种最基
0
t
本的调节规律 。
y
对于大多数惯性环节，KP太大时会
kPe(t)
t
引起自激震荡。
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主要缺点是存在静差。对于扰动较
方法对PID进行模拟
给定值 输入通道 A/D
计算机
输出通道 D/A
被控变量
广义对象 y
输入通道 A/D
数字控制器的直接设计——把计算机控制系统中的连续部分数字化，把整
个系统看作离散系统，用离散化的方法设计控制器
R(z)
G(z)
r (t)
e*(t)
+ _ E(z)
D(z)
u*(t)
U(z) Ho(s)
2
f 干扰
r+ e 给定值 _ 偏差
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
r
给定值
测量变送器 (a) 闭环控制系统
控制器
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
(b) 开环控制系统
被控对象
常规图1仪-2 表常规仪控表控制制系系统原统理框图框图
y
被控量
3
数字控制器的模拟化设计——利用经典控制理论设计模拟调节器，用数字
第四章 计算机控制系统的控制策略
(1) 模拟系统的过程控制
a. 将被测参数由传感器变成统一的标准信号送入控制器，在控制器中与给 定值进行比较；
b. 然后将比较出的差值经PID运算后送到执行器，改变控制量，以达到自 动调节的目的。
(2) 数字控制器的调节过程
a. 首先将过程参数进行采样，通过模拟量输入通道变成数字量； b. 数字量通过计算按一定控制算法进行运算处理； c. 运算结果由模拟量输出通道输出，通过执行器控制生产，达到给定值。
Gc(s)
C (z) c (t)
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系数
分类 方法 输入量与输出量之关系
数学工具 使用函数 现代控制理论
连续系统
微分方程 拉氏变换 传递函数 状态方程
离散系统 差分方程
Z变换 脉冲传递函数 离散时间状态方程
表 4—1 控制系统的研究方法
5
4.1 数字PID控制
PID控制广泛应用的原因：
a. 技术成熟———常规PID、各种PID控制变形； b. 接受程度高——操作人员熟悉； c. 不需要求出数学模型； d. 控制效果好。
b. PID控制优点——改善静态、动态调节品质；
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PD调节器
PID调节器
e(t)
t 0
t0 y
0 t0
kie(t) t
图 4-6 PD 调节器的阶跃响应曲线
u
K p [e(t)
1 T1
e(t) dt
TD
de(t ) ] dt
e(t)
0
t
y
kPkIe(t) 0
kPkIe(t)
KPe(t)
t
图 4-7 PID 调节器阶跃响应特性曲线
图 4-1 阶跃响应特性曲线
大、惯性也较大的系统，若采用单纯的比
ຫໍສະໝຸດ Baidu例调节器，就难于兼顾动态和静态特性 。
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控制作用u
系统实际输出y
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对于大多数惯性环节，Kp太大 时会引起自激震荡。
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2、比例积分控制器（PI）
u
1 TI
e t
dt
e(t)
0
t
y
t 0 图 4-3 积分作用响应曲线
所谓积分作用，是指调节器的输出 与输入偏差的积分成比例的作用。
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(3) 位置型PID算法
U k U k 1 Kp ek ek 1 KIek Kp ek 2ek 1ek 2
计算机
对象
e(t) U(n)=式(4-11) U(n) x(t) +
Wd
c(t)
(a) 位置式控制
图 4-8 DDC 控制原理图
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(4) 增量式PID算法
U k U k U k 1 K p ek ek 1 KIe k K p e k 2e k 1 e k 2
说明：并非所有工业控制系统都需要使用PID调节器， PI、PD调节器也常常被人们所采用，因为它们比较简单。究 竟使用哪种调节器，应根据具体情况和现场实验进行选定。 16
图 3-21、各种控制规律对控制性能的影响
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4.1.2 数字PID控制器控制算法
1、PID算法的数字化
(1) PID算法的模拟表达式：
优点：消除静差。只要有偏差存在， 输出就会随时间不断增长，直到偏差消 除，调节器的输出才不会变化。
缺点：作用动作缓慢，且在偏差刚一 出现时，调节器作用很弱，不能及时克服 扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增 大，调节过程增长，因此很少单独使用。
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如果把比例和积分两种作用合起来，就构成PI调节器：
u
KP
e
t
1 TI
e t
dt
e(t)
e(t)
t
0
y 给定值
y2
0
y1=kPe(t) kIkPe(t) t
图 4-4 PI 调节器的输出特性曲线
既克服了单纯比例调节 器有静差存在的缺点，又避 免了积分调节器响应慢的缺 点，即静态和动态特性均得 到了改善，所以应用比较广 泛。
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3、比例微分控制器（PD）