PID控制参数对系统性能影响的分析
PID各参数对系统的影响分类分析
PID各参数对系统的影响分类分析PID（比例-积分-微分）控制器是一种常用的反馈控制器，广泛应用于工业控制中。
它通过调整比例（P）、积分（I）、微分（D）三个参数来实现对控制系统的影响。
下面将从数学模型、实际应用和参数调整三个方面介绍PID各参数对系统的影响分类分析。
一、数学模型PID控制器根据当前误差e（假设为系统输出值和设定值之差）计算控制量u，并通过调整PID参数来改变控制器的动态特性。
PID控制器的数学模型可以表示为：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt其中，u(t)是控制量，Kp、Ki和Kd分别是比例、积分和微分参数，e(t)是当前误差，de(t)/dt是误差的变化率。
根据这个模型，可以分析各参数对系统的影响。
1.比例参数：Kp比例参数Kp决定了控制器对误差的放大程度，即控制响应的速度。
较大的Kp使得控制器对误差的放大程度增加，系统的响应速度加快，但可能引发系统震荡和不稳定性；较小的Kp则导致系统响应速度较慢，但更稳定。
2.积分参数：Ki积分参数Ki调整了控制器对误差积分的程度，即控制响应的持续时间。
较大的Ki使得积分效果增强，误差的积累更多，系统能够更精确地追踪设定值，但也容易导致系统超调和震荡；较小的Ki则减少了积分效果，使得系统响应更平滑。
3.微分参数：Kd微分参数Kd调整了控制器对误差变化率的响应程度，即控制响应的抑制效果。
较大的Kd可以使控制器对快速变化的误差更敏感，提高系统的稳定性，但也容易引起过度抑制、响应迟滞和系统震荡；较小的Kd则减少了对误差变化率的响应，使得系统响应更平滑。
二、实际应用PID控制器广泛应用于各种工业控制系统，如温度控制、水位控制、速度控制等。
1.温度控制在温度控制中，比例参数Kp决定了加热或冷却速率，积分参数Ki影响了温度的稳定性，微分参数Kd可以抑制温度的快速变化。
2.水位控制在水位控制中，比例参数Kp控制了供水或排水的速度，积分参数Ki 确保水位的稳定性，微分参数Kd可以调整水位变化的抑制效果。
PID控制参数对系统性能的影响研究
干扰；积分调节能够消除静态误差，但会使响应速度变慢，影响已有串联积分系统的稳定性。
关键词：PID控制；系统函数；根轨迹；稳定性
中图分类号：TP273
文献标识码：A
文章编号：2095-1302（2018）04-0095-04
0引言
PID（比例积分微分）控制自产生以来就一直是工业生产
中应用最广泛的控制方法，随着电子计算机和科学技术的发
DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.04.030
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
Hale Waihona Puke PID控制参数对系统性能的影响研究
余明亮，彭菊红
（湖北大学 计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062）
摘 要：文中基于Matlab仿真平台，采用阶跃响应分析法和根轨迹图研究了PID控制器的三个参数KP，KI，KD对控制系 统的影响。比例系数影响控制系统的调控速度与系统稳定性；微分调节可提高系统的相对稳定性，抑制超调，但会引入高频
PID各参数对系统的影响
I:积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响增大积分速度调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低当积分速度大到超过某一临界值时，整个系统变为不稳定，出现发散的振荡过程。
S0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来愈小。
减小积分速度调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程。
无论增大还是减小积分速度，被调量最后都没有残差P:余差（或静差）是指：被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。
余差的大小与调节器的放大系数K或比例带δ有关放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。
比例带对于调节过程的影响a)δ大调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长b)δ减小调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差减小c)δ进一步减小被调量振荡加剧d)δ为临界值系统处于临界稳定状态e)δ小于临界值系统不稳定，振荡发散比例调节的特点：（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：u = K e（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。
（3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。
比例带的一般选择原则：若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快一些；相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。
当被调参数突然出现较大的偏差时比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力D:如加热炉温度自动调节,当温度低于给定值时,则煤气阀门应开大,这是比例调节作用,但同时发现,温度降低的速度很快,说明出现了较大的扰动,则下一时刻的偏差将会更大,因此应预先采取措施,即提前动作,把煤气阀门的开度开得更大一些,这叫超前作用微分调节的思想：微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。
PID各参数对系统的影响
PID各参数对系统的影响PID是一种常用的控制算法，它包括比例（P）、积分（I）、微分（D）三个参数，这些参数直接影响PID控制系统的性能以及反馈控制的稳定性。
下面将分别介绍这些参数对系统的影响：1. 比例参数（Proportional Gain，P）：比例参数控制器的作用是根据偏差的大小来调整控制器的输出信号。
较大的比例参数会导致更强的控制信号，从而更快地减小偏差。
然而，如果比例参数过大，系统可能会产生过冲、震荡甚至不稳定。
因此，在选择比例参数时需要权衡控制精度和系统稳定性之间的平衡。
2. 积分参数（Integral Gain，I）：积分参数控制器的作用是根据偏差的历史累积情况来调整控制器的输出信号。
积分参数能够消除稳态误差，使得系统能够更好地追踪参考信号。
然而，较大的积分参数可能会导致系统的响应变慢、不稳定或产生震荡。
因此，在选择积分参数时需要谨慎平衡稳定性和控制精度。
3. 微分参数（Derivative Gain，D）：微分参数控制器的作用是根据偏差的变化率来调整控制器的输出信号。
微分参数能够抑制系统的震荡，减少过冲，并提高系统的响应速度。
然而，过大的微分参数可能会引入噪声和振荡，因此需要谨慎选择微分参数。
这三个参数的组合可以调整PID控制器的响应特性。
例如，较大的比例参数可以加快系统的响应速度，但可能会导致过冲和超调；较大的积分参数可以消除稳态误差，但可能会导致响应过程的不稳定；较大的微分参数可以抑制过冲和振荡，但可能会引入噪声。
此外，这些参数还与系统的特性密切相关。
不同系统的响应特性不同，对这些参数的要求也不同。
例如，快速响应的系统可能需要较大的比例参数和微分参数，以提高响应速度和抑制振荡；而对于稳态精度要求较高的系统，积分参数可能需要较大的值。
另外，这些参数的选择也可以通过系统的实时调整来进行优化。
一种常用的调整方法是自适应控制，通过运用智能算法和优化算法，根据实际系统的响应特性和性能需求来自动调整PID参数。
PID控制参数调节对系统性能的影响
PID 控制参数对系统性能的影响1. 引言PID （比例积分微分）控制自产生以来就一直是工业生产中应用最广泛的控制方法，随着电子计算机和控制领域的发展，控制器的方案也在不断丰富，但由于PID 控制法（比例、积分、微分控制法）原理简单、适用性强和鲁棒性强等特点至今仍被广泛应用。
本文对不同的受控系统改变PID 调节的各参数，采用单位阶跃响应分析法和根轨迹法对PID 控制系统进行了仿真分析，旨在对PID 调节进行更加深入细致研究。
2. PID 控制原理仿真分析PID 是基于反馈理论的调节方式，通过对误差信号()e t 进行比例、积分和微分运算，再对结果进行适当处理，从而对被控对象进行调节控制，其主要结构如图1 所示。
PID 控制可以抽象为数学模型：()=I P c p D P P D I K K H s K sK K K T s s T s =++++ 式中P K ，I K ，D K 为常数。
我们需要通过设计这些参数使系统达到性能指标。
图1 PID 控制系统框图系统稳定性判据根轨迹法是分析和设计线性定常控制系统的图解方法，它是开环系统某一参数不断变化时，闭环系统特征方程根在S 平面上变化的轨迹。
当开环增益或其他参数改变时，其全部数值对应的闭环节点全部可在根轨迹图上确定。
系统的稳定性由系统闭环极点唯一确定，而系统的稳态性能和动态性能又与闭环零极点在S 平面上的位置密切相关，所以根轨迹不仅可以直接给出闭环系统时间响应的全部信息，还可指明开环零点、极点应该怎样变化才能满足给定闭环系统的性能指标要求。
若根轨迹全部在S 左半平面，则不论参数怎么变化系统都是稳定的；若根轨迹在虚轴上，则系统临界稳定；若根轨迹全部在S 右半平面，则系统是不稳定的；若根轨迹在整个S 平面，则系统稳定性与开环增益K 的大小有关。
比例（P ）控制对系统的影响 我们对系统021()(2)(3)G s s s =+⋅+ 调节不同的比例系数进行比例环节控制，则系统00()()()=()c P G s G s G s K G s =⋅⋅ 取P K =1，5，10，15，20和25，系统的单位阶跃响应如图2（a ）所示。
PID 控制器参数对控制性能的影响
1、比例系数K p对系统性能的影响（1）对系统的动态性能影响：K p加大，将使系统响应速度加快，K p偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；；K p太小又会使系统的响应速度缓慢。
K p的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。
（2）对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提下，加大K p可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。
因此K p的整定主要依据系统的动态性能。
2、积分时间T I对系统性能的影响积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。
（1）对系统的动态性能影响：积分控制通常影响系统的稳定性。
T I太小，系统可能不稳定，且振荡次数较多；T I太大，对系统的影响将削弱；当T I较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。
（2）对系统的稳态性能影响：积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若T I太大，积分作用太弱，则不能减少余差。
3、微分时间T D对系统性能的影响积分控制通常和比例控制或比例积分控制联合作用，构成PD控制或PID控制。
（1）对系统的动态性能影响：微分时间T D的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。
适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度。
但T D值偏大或偏小都会适得其反。
另外微分作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。
（2）对系统的稳态性能影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。
它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。
PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。
在工业过程控制中，通常要保证闭环系统稳定，对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。
在不同干扰下输出应能保持在给定值附近，控制量尽可能地小，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。
一般来说，要同时满足这些要求是很难做到的，必须根据系统的具体情况，满足主要的性能指标，同时兼顾其它方面的要求。
PID控制器参数对系统性能的影响分析
P I D控制器参数对系统性能的影响分析本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.MarchPID控制器参数对系统性能的影响分析1、比例系数K p对系统性能的影响（1）对系统的动态性能影响：K p加大，将使系统响应速度加快，K p偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；；K p太小又会使系统的响应速度缓慢。
K p的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。
（2）对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提下，加大K p可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。
因此K p的整定主要依据系统的动态性能。
2、积分时间T I对系统性能的影响积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。
（1）对系统的动态性能影响：积分控制通常影响系统的稳定性。
T I太小，系统可能不稳定，且振荡次数较多；T I太大，对系统的影响将削弱；当T I较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。
（2）对系统的稳态性能影响：积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若T I太大，积分作用太弱，则不能减少余差。
3、微分时间T D对系统性能的影响积分控制通常和比例控制或比例积分控制联合作用，构成PD控制或PID控制。
（1）对系统的动态性能影响：微分时间T D的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。
适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度。
但T D值偏大或偏小都会适得其反。
另外微分作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。
（2）对系统的稳态性能影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。
它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。
PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。
在工业过程控制中，通常要保证闭环系统稳定，对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。
介绍PID控制中PID参数的作用
介绍PID控制中PID参数的作用PID控制器是一种常用的控制方法，通过对参考信号与实际输出信号进行比较，计算出被控对象的误差，并根据误差大小调节控制信号，使系统实现稳定的闭环控制。
PID控制器有三个参数，即比例增益（P）、积分时间（I）和微分时间（D），这些参数对控制器的性能有着重要的影响。
比例增益（P）是通过将误差信号与一定的增益系数相乘得到输出控制量，它的作用是根据当前的误差大小决定控制量的大小。
增大比例增益会使得控制量对误差的响应更加迅速，但过大的比例增益可能会导致系统产生震荡或不稳定的情况。
因此，选择合适的比例增益是非常重要的，通常可以通过试验或经验来确定。
积分时间（I）是指将误差累积起来的时间，它的作用是解决系统持续存在的静态误差问题。
当存在持续的静态误差时，增大积分时间可以增加对误差的累积效果，使系统通过积分作用消除静态误差。
但是过大的积分时间可能会导致系统响应过慢或产生积分饱和的问题，因此在选择积分时间时需要进行合理调节。
微分时间（D）是通过将误差变化率与微分时间相乘得到的控制量，它的作用是根据误差的变化率来预测未来的误差变化趋势，并根据趋势调整控制量的大小。
增大微分时间可以提高控制系统对误差变化的敏感度，使控制器更加稳定，但过大的微分时间可能会导致系统对噪声和干扰信号过于敏感，引起不稳定的控制效果。
选择合适的微分时间需要考虑系统的实际情况和噪声特性。
在实际应用中，通过调整P、I、D参数的值可以实现对PID控制器的性能调节。
一般来说，较大的比例增益可以提高系统的响应速度，但也容易引起震荡；适当的积分时间可以消除静态误差，但过大也容易引起积分饱和和振荡；适当的微分时间可以提高系统的稳定性，但过大则容易引入噪声和干扰。
另外，P、I、D参数之间的互相影响也是需要注意的。
比例增益对系统的响应速度有较大的影响，但增大比例增益会使系统对噪声和干扰敏感，此时可以增加微分时间来抑制噪声的影响。
积分时间可以消除静态误差，但过大的积分时间会导致系统过度调整，此时可以调节比例增益和微分时间来平衡系统的动态响应和静态精确度。
PID控制器参数对控制性能的影响
PID控制器参数对控制性能的影响PID控制器是一种经典的反馈控制器，由比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）三个控制部分组成。
PID控制器通过调节这三个参数的大小，可以实现对系统的稳定性、快速性和抗干扰能力等性能的调节。
首先，比例参数KP的调整会影响系统的响应特性。
KP的增大可以加快系统的响应速度，使系统更快地达到目标值，但过大的KP可能会引起系统不稳定。
此外，KP的增大会增大系统的超调量，导致系统存在更大的摆动现象。
因此，在调节KP时需要权衡系统的响应速度和稳定性。
其次，积分参数KI的调整影响系统的静态稳定性和抗干扰能力。
KI的增大增强了系统对静态误差的纠正能力，可以消除型号误差和常态干扰。
但是过大的KI会导致系统的积分饱和现象，使系统产生超调和振荡。
因此，需要适当调节KI的大小，以提高系统的稳定性和抗干扰能力，在满足系统静态误差要求的前提下，尽量减小KI的大小。
最后，微分参数KD的调整会影响系统的抗干扰能力和稳定性。
KD的增大可以提高系统对快速变化干扰的响应能力，减小系统的超调量和震荡现象。
但过大的KD可能会引起系统对噪声的敏感性，导致系统抗干扰能力下降。
因此，在调节KD时需要兼顾系统的抗干扰能力和稳定性。
综上所述，KP参数的调整可以改变系统的响应速度和超调量，KI参数的调整可以提高系统的静态稳定性和抗干扰能力，KD参数的调整可以提高系统的抗干扰能力和稳定性。
在实际应用中，需要根据具体的系统要求和控制目标，通过试验和调整来优化PID参数的设置。
此外，还可以通过其他方法对PID控制器的参数进行调整，如Ziegler-Nichols方法和频域方法等。
Ziegler-Nichols方法通过试探性地改变控制器参数来识别系统的动态特性，并通过一些经验公式来确定PID参数。
频域方法则通过对系统频率响应进行分析，设计合适的环形校正器来调整PID参数。
总之，PID控制器参数的调整对控制性能有重要影响，适当地调整这三个参数可以改善系统的稳定性、快速性和抗干扰能力。
PID控制中PID参数的作用
PID控制中PID参数的作用PID控制是一种常用的反馈控制策略，它通过调整P（比例）、I（积分）和D（微分）三个参数来实现系统的稳定和性能优化。
在PID控制中，P参数决定控制器的响应速度和稳定性，I参数用于消除系统静态误差，D参数用于提高系统的快速响应并抑制超调。
下面将详细介绍P、I、D参数的作用。
1.比例（P）参数:比例参数是最基本的控制参数之一，它决定了控制器的响应速度和稳定性。
P参数的增大会使控制器的响应速度加快，但过大的P参数可能导致系统产生明显的超调和振荡。
P参数的减小则会使得系统的响应时间变长。
一般来说，P参数的合适取值可以通过试验和经验来确定，使系统在响应速度和稳定性之间找到平衡。
2.积分（I）参数:积分参数用于消除系统静态误差，它通过累积过去的误差来修正系统控制器输出。
I参数的增大可以减小系统的稳态误差，但过大的I参数可能导致系统产生积分饱和和振荡等问题。
I参数的减小则可能导致系统的静态误差无法完全被消除。
对于系统存在稳态误差的情况，可以通过增大I参数来实现更好的控制效果。
3.微分（D）参数:微分参数用于提高系统的快速响应并抑制超调。
D参数通过测量当前的误差变化率来调节控制器的输出。
D参数的增大可以加快系统的响应速度，降低超调量，但过大的D参数可能导致系统产生噪声放大和振荡等问题。
D参数的减小则可能导致系统的快速响应性能下降。
对于系统响应速度较慢，存在明显超调的情况，可以通过增大D参数来提高控制效果。
总结起来，P参数决定了控制器的响应速度和稳定性，I参数用于消除系统静态误差，D参数用于提高系统的快速响应并抑制超调。
这些参数的选择要考虑到系统的特性，根据实际需求进行调整和优化。
在实际应用中，通常需要通过试验和调节来找到最佳的PID参数组合，以满足系统的稳定性、快速响应和抑制超调等控制要求。
PID控制参数对系统性能影响的分析
PID控制参数对系统性能影响的分析首先，比例参数（Kp）是PID控制器的最基本的参数，它决定了响应的速度和灵敏度。
较大的比例参数会使得控制器对误差的响应更迅速，但过大的比例参数会导致系统不稳定。
因此，在选择比例参数时需要根据实际应用的需求进行合理的设置。
其次，积分参数（Ki）可以对系统的稳态误差进行校正。
当系统存在稳态误差时，可以通过增大积分参数来减小稳态误差。
然而，过大的积分参数可能会导致系统的超调和振荡。
因此，需要根据实际应用的要求选择适当的积分参数。
再次，微分参数（Kd）可以抑制系统的过冲和振荡，提高系统的稳定性。
较大的微分参数可以提高系统的抗干扰能力，但也会增加系统的噪声。
在选择微分参数时，需要考虑系统的噪声和干扰情况。
此外，PID控制器的参数还会受到系统的惯性和时间常数的影响。
在系统惯性较大或时间常数较长的情况下，通常需要增大比例参数或增加微分时间常数（Td）来提高系统的响应速度。
反之，在系统惯性较小或时间常数较短的情况下，通常需要减小比例参数或减小微分时间常数来避免超调和振荡。
此外，PID控制参数的选择还受到系统动态响应和负载变化的影响。
在系统动态响应要求较高的情况下，需要适当增大比例参数和积分参数，以提高系统的响应速度和稳态精度。
对于存在负载变化的系统，可以通过自适应控制算法来不断调整PID控制参数以适应不同的负载。
总结起来，PID控制器的性能受到比例、积分和微分参数的影响。
比例参数影响响应速度和灵敏度，积分参数影响稳态误差的校正能力，微分参数影响系统的稳定性和抗干扰能力。
在选择PID参数时，需要根据实际应用的需求、系统的惯性和时间常数、系统动态响应和负载变化等因素进行综合考虑，以使得系统在稳定性、精度和抗干扰性能上达到较好的效果。
PID控制器参数对系统性能的影响分析
PID控制器参数对系统性能的影响分析1.比例系数Kp：比例控制是PID中最基本的部分，其主要作用是根据系统误差的大小产生控制信号。
比例系数Kp的增大可以加强校正信号的作用，提高系统的响应速度，但过大的Kp可能导致系统不稳定。
因此，适当调整比例系数Kp可以实现系统稳定性和响应速度的平衡。
2.积分时间Ti：积分控制可以通过积分系统误差来消除静态误差，提高系统的稳态精度。
积分时间Ti的增大，可以增强积分作用，减小系统的稳态误差。
然而，过大的积分时间可能导致系统过度调整，引起系统振荡或不稳定。
因此，需要根据实际情况选取合适的积分时间Ti。
3.微分时间Td：微分控制可以改善系统的动态性能，抑制系统响应过程中的过冲和振荡现象。
微分时间Td的增大可以增强微分作用，提高系统的稳定性和响应速度。
然而，过大的微分时间可能引起系统噪声的放大，导致不稳定性。
因此，需要谨慎选择微分时间Td。
综上所述，PID控制器的参数设置对系统性能的影响可以总结为以下几点：1.稳定性：合理设置PID参数可以使系统保持稳定性，过大或过小的参数可能导致系统震荡或不稳定。
2.响应速度：适当调整比例系数Kp和微分时间Td可以提高系统的响应速度，但过大的Kp和Td可能引起系统振荡。
3.稳态精度：合适的积分时间Ti可以减小系统的稳态误差，提高稳态精度。
4.抗干扰性：增大比例系数Kp可以增强系统对干扰的抑制能力，提高系统的鲁棒性。
总之，PID控制器的参数设置需要根据具体的控制对象和系统要求来决定。
通过实验和调试，可以找到合适的PID参数组合，从而使系统达到较好的性能。
实验二PID控制器参数对控制系统性能的影响
实验二 数字PID 控制器的设计——直流闭环调速实验预习报告一、实验目的：1. 理解晶闸管直流单闭环调速系统的数学模型和工作原理；2. 掌握PID 控制器参数对控制系统性能的影响；3. 能够运用MATLAB/Simulink 软件对控制系统进行正确建模并对模块进行正确的参数设置；4. 掌握计算机控制仿真结果的分析方法。
二、实验工具：MATLAB 软件（6.1以上版本）。
三、实验内容：已知晶闸管直流单闭环调速系统的转速控制器为PID 控制器，如图1所示。
试运用MATLAB 软件对调速系统的P 、I 、D 控制作用进行分析。
图1 单闭环调速系统 四、实验步骤：（一）模拟PID 控制作用分析：运用MATLAB 软件对调速系统的P 、I 、D 控制作用进行分析。
（1）比例控制作用分析为分析纯比例控制的作用，考察当0d i p T T K 15==∞=∼，， 时对系统阶跃响应的影响。
MATLAB 程序如下：G1=tf(1,[0.017 1]);G2=tf(1,[0.075 0]);G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.00167 1]); G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=[1:1:5];for i=1:length(Kp)Gc=feedback(Kp(i)*G,0.01178); step(Gc),hold on endaxis([0 0.2 0 130]); gtext(['1Kp=1']), gtext(['2Kp=2']), gtext(['3Kp=3']), gtext(['4Kp=4']), gtext(['5Kp=5']),参考图如下：图2 P 控制阶跃响应曲线（2）积分控制作用分析保持不变，考察时对系统阶跃响应的影响。
MATLAB 程序如下：1p K =0.030.07i T =∼G1=tf(1,[0.017 1]); G2=tf(1,[0.075 0]);G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.00167 1]); G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=1;Ti=[0.03:0.01:0.07]; for i=1:length(Ti)Gc=tf(Kp*[Ti(i) 1],[Ti(i) 0]); Gcc=feedback(G*Gc,0.01178) step(Gcc),hold onendgtext(['1Ti=0.03']), gtext(['2Ti=0.04']), gtext(['3Ti=0.05']), gtext(['4Ti=0.06']), gtext(['5Ti=0.07']),（3）微分控制作用分析为分析微分控制的作用，保持0.010.01p i K T ==， 不变，考察当1284d T =∼时对系统阶跃响应的影响。
PID控制参数调节对系统性能的影响
PID控制参数调节对系统性能的影响PID控制是最常用的一种反馈控制算法，它可以通过调节参数来实现对被控对象的准确控制。
PID控制器的三个参数分别是比例增益（Proportional Gain）、积分时间（Integral Time）和微分时间（Derivative Time）。
调节PID控制参数能够对系统的性能产生重要的影响，下面将分别从系统稳定性、响应速度和抗干扰能力三个方面进行详细分析。
首先，PID控制参数的调节对系统的稳定性有着重要的影响。
比例增益参数（Kp）决定了控制器响应输出的速度和幅度，当Kp过大时，控制器的输出会过冲；当Kp过小时，系统的稳定性会下降。
积分时间参数（Ti）的调节可以消除系统的稳态误差，但是当Ti过大时，积分的效果会影响系统的稳定性，导致系统发生持续震荡甚至不稳定。
微分时间参数（Td）可以提高系统的动态响应，但是当Td过大时，微分作用会对噪声信号产生较强的响应，导致系统产生震荡。
其次，PID控制参数的调节对系统的响应速度有着重要的影响。
比例增益参数（Kp）的增大可以加快系统的响应速度，但如果增大过度，会导致系统产生过冲和振荡。
积分时间参数（Ti）的减小可以加快系统对误差的积累，从而加快系统的响应速度，但是如果减小过度，会导致系统产生过冲和不稳定。
微分时间参数（Td）的增大可以加快系统的响应速度，但是如果增大过度，会导致系统产生较强的噪声响应，从而影响系统的响应速度。
最后，PID控制参数的调节对系统的抗干扰能力有着重要的影响。
比例增益参数（Kp）的增大可以增强系统对干扰的抑制能力，但是如果增大过度，会导致系统产生较强的震荡。
积分时间参数（Ti）的减小可以加快系统对干扰的积累和补偿，从而增强系统的抗干扰能力，但是如果减小过度，会导致系统产生较强的震荡。
微分时间参数（Td）的增大可以增强系统对干扰的响应速度，从而增强系统的抗干扰能力。
综上所述，PID控制参数的调节对系统的稳定性、响应速度和抗干扰能力有着重要的影响。
PID参数
PID参数的整定就是合理的选择PID三参数。
从系统的稳定性、响应速度，超调量和稳态精度等各方面考虑问题，三参数的作用如下1、比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。
随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。
KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。
2、积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。
Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。
若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。
另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。
从相位的角度来看一个积分环节就有90°的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。
3、微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。
但Ti不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。
总之PID参数的整定必须考虑在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系小云接到这样一个任务：一个水缸有点漏水(而且漏水的速度还不是固定不变的)，要求水面高度维持在某个位置，一旦发现水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。
小云接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉得无聊，就跑到房里看小说了，开始每30分钟来检查一次水面高度。
结果水漏得太快，每次小云来检查时，水都快漏完了，离要求的高度相差很远，后来小云改为每3分钟来检查一次，结果每次来水都没怎么漏，不需要加水，来得太频繁做的是无用功。
几次试验后，他确定每10分钟来检查一次。
这个检查时间就称为采样周期。
开始小云用勺子加水，水龙头离水缸有十几米远的距离，经常要跑好几趟才加够水，于是小云又改为用桶加，一加就是一桶，跑的次数少了，加水的速度也快了，但好几次将缸给加溢出了，小云又动脑筋，我不用瓢也不用桶，最后选择可用盆，几次下来，发现刚刚好，不用跑太多次，也不会让水溢出。
PID各参数对系统的影响
I:积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响增大积分速度调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低当积分速度大到超过某一临界值时，整个系统变为不稳定，出现发散的振荡过程。
S0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来愈小。
减小积分速度调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程。
无论增大还是减小积分速度，被调量最后都没有残差P:余差（或静差）是指：被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。
余差的大小与调节器的放大系数K或比例带δ有关放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。
比例带对于调节过程的影响a)δ大调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长b)δ减小调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差减小c)δ进一步减小被调量振荡加剧d)δ为临界值系统处于临界稳定状态e)δ小于临界值系统不稳定，振荡发散比例调节的特点：（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：u = K e（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。
（3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。
比例带的一般选择原则：若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快一些；相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。
当被调参数突然出现较大的偏差时比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力D:如加热炉温度自动调节,当温度低于给定值时,则煤气阀门应开大,这是比例调节作用,但同时发现,温度降低的速度很快,说明出现了较大的扰动,则下一时刻的偏差将会更大,因此应预先采取措施,即提前动作,把煤气阀门的开度开得更大一些,这叫超前作用微分调节的思想：微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。
PID控制器参数对系统性能的影响分析
PID控制器参数对系统性能的影响分析PID控制器是一种用于控制系统的经典控制算法。
它由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成，可以根据系统的需要进行参数调节，从而实现对控制系统性能的优化。
下面将对PID控制器的参数对系统性能的影响进行分析。
首先，比例增益Kp是PID控制器中最基本的参数。
它决定了控制器输出的响应速度和稳定性。
增大Kp会增加控制器对误差的敏感度，使得系统更快地响应控制信号，但也容易造成超调、震荡甚至不稳定。
相反，减小Kp会降低控制器对误差的敏感度，使得系统更稳定，但响应速度会变慢。
因此，合理选择比例增益Kp很重要。
其次，积分时间Ti是PID控制器中影响系统稳态性能的参数。
增大Ti可以增强积分作用，使得系统更快地消除稳态误差，但也容易引起系统的超调和震荡。
相反，减小Ti会减少积分作用，使得系统响应更加稳定，但稳态误差可能无法完全消除。
因此，合理选择积分时间Ti可以在快速消除稳态误差和保持系统稳定性之间做出权衡。
再次，微分时间Td是PID控制器中用于抗干扰和提高系统动态性能的参数。
增大Td可以增强微分作用，使得系统对干扰的响应更快，但过大的Td可能会引起系统的噪声放大和不稳定。
相反，减小Td会减弱微分作用，使得系统对干扰的响应变慢，但也可能导致系统对干扰的抑制不到位。
因此，合理选择微分时间Td可以在抗干扰和系统稳定性之间找到平衡点。
最后，PID控制器的参数调节也可以通过在线自整定算法（如Ziegler-Nichols法）或者其他自适应控制算法来实现。
这些算法可以自动调节PID控制器的参数，以达到系统最优性能。
但需要注意的是，自整定过程中会产生一些振荡和超调现象，可能会对系统产生一定的影响。
综上所述，PID控制器的参数对系统性能有着重要影响，包括响应速度、稳定性、稳态误差、抗干扰能力等方面。
正确选择和调节PID控制器的参数是提高系统性能的关键。
在实际应用中，需要通过实验或者经验来确定PID参数的合适取值，以满足具体系统的要求。
PID控制作用对系统动态和静态品质的影响
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
P作用快，静态时放大倍数Kc大可减小静态偏差，但不能消除偏差。
设T1、T2、k均为设定值，只讨论控制器放大系数Kc对品质的影响。
D作用的最大特点是可以大大减小动态偏差。
六、实验分析
实验内容是设计合适的控制器根据检测的液位信号与设定值之间的偏差发出调控信号，调节
入水阀门的开度，从而调整水箱入水量在出水存在干扰的情况下使得液位维持在一个设定值。
图2单容水箱模型
图3原理图
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4中的曲线①、②、③所示。
七、总结
综上所述PID控制作用可以相互有关联，需要同时兼备才能得到较好的控制效果。比例作用对动态性能来说就是提高系统的快速性，同时对于静态性能可以减小余差；积分主要消除于静态偏差，积分作用太强会是动态变坏；微分作用直接使系统动态性能变好，动态偏差减小。
图4P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
首先，不加入积分与微分。适当的调节比例度，曲线没有超调，当减小比例度时，余差随着减小了。然后加入积分环节来消除余差，将I调节到150余差减小了，继续减小I，结过系统震荡此时第一波峰很大超调亮量明显增加，为消除震荡，将P增加为4，这是震荡减小。最后再增加微分作用，超调量变得比之前更好，此时可以适当减小比例度P，使系统余差进一步减小，得到了接近4:1的曲线。
PID控制中PID参数的作用
PID控制中PID参数的作用
首先，P参数，也称为比例参数，决定了控制器输出与误差的线性关系。
当系统发生偏差时，P参数会产生一个与偏差大小成正比的输出量。
这样做的目的是让系统迅速接近设定值，但可能会导致系统出现超调量和
振荡。
如果P参数设置得过大，会导致系统的响应不稳定；如果设置得过小，系统的响应速度会很慢。
其次，I参数，也称为积分参数，用于积累时间上的误差。
它的作用
是消除稳态误差，使系统的输出与设定值更好地匹配。
I参数的积分效应
能够增大系统的稳定性和精确度，但过高的I参数可能会导致系统响应过
度滞后或不稳定。
然后，D参数，也称为微分参数，根据系统误差的变化率来调整控制
器的输出。
微分项能够通过补偿预测性能以提高系统的稳定性。
D参数的
作用是减小系统的超调量，抑制系统的振荡，使系统的响应更加平滑。
但是，如果D参数设置得过高，会导致系统的抗干扰能力下降。
综上所述，P、I、D参数在PID控制中各自有不同的作用。
P参数决
定了控制器对误差的立即反应程度，I参数用于消除稳态误差，D参数通
过预测误差的变化趋势来调整控制器的输出。
这些参数之间的平衡对于控
制系统的稳定性、精确度和响应速度来说至关重要。
在实际应用中，PID控制一般需要根据具体的控制对象进行参数调整。
通常可以使用经验法进行初步参数设定，然后通过试错法进行进一步的调整。
从而达到系统的最佳控制效果。
PID控制作用对系统动态和静态品质的影响
PID控制作⽤对系统动态和静态品质的影响PID控制作⽤对系统动态和静态品质的影响摘要：本⽂通过理论分析和实验数据，分析了PID分别对系统动态和静态性能指标有什么影响，并以⼀阶单容⽔箱为实验模型做了实验，以加⼊阶跃信号作为⼲扰，通过整定PID参数从⽽得到的期望的测量曲线，进⽽可以分析出PID控制作⽤对于该模型的动态和静态品质有什么影响，最后得到了⽐较好的参数。
关键词：PID，动态，静态⼀、引⾔P、I、D是最常⽤的也是最基本的三种控制作⽤，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。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利⽤⽐例、积分、微分计算出控制量进⾏控制的。
⼆、系统的性能指标当过程控制系统的给定值发⽣变化或系统受到⼲扰时，⼈们总是希望被控变量能够迅速、准确地跟踪或回复到设定值，并稳定在设定值附近。
系统给定值定变化等可以看成是控制参数的⼀个阶跃，其完成控制任务的过程即是系统的⼀个过渡过程，其过渡过程可以⽤图1表⽰；图1 系统过渡过程性能图⽤来表述单位阶跃输⼊的暂态响应的主要性能指标有：最⼤超调量、上升时间、峰值时间、调整时间、衰减⽐、稳态误差、震荡周期。
最⼤超调量盯：对于定值控制系统，最⼤超调量是指过渡过程中第⼀次波峰值与给定值的偏差。
它反映了调解过程中被控参数与给定值的偏离程度。
峰值时间Tp：过渡过程第⼀次到达波峰的时间。
上升时间Tr：过渡过程中第⼀次达到对应的输⼊的终值的时间。
调整时间Ts：输出与其对应的输⼊的终值之问的偏差到达容许范围(3％~10％)所经历的时间。
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《计算机控制技术》课程三级项目某二阶系统的PID控制器设计及参数整定
报告人：刘宝
指导教师：刘思远
燕山大学机械工程学院机电控制系
2012年9月23日
目录
《计算机控制技术》课程三级项目 (1)
1.1 PID控制的应用现状 (3)
1.2 PID控制器各个参数对系统系能的影响 (3)
K对系统性能的影响 (3)
1.2.1 比例系数
P
1.2.2 积分系数K1对系统性能的影响 (4)
1.2.3 微分系数K2对系统性能的影响 (5)
1.3 对给定的系统进行PID控制调节 (6)
1.4 收获与感想 (8)
1.1 PID 控制的应用现状
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。
从理论角度而言，PID 控制是20世纪40年代开始的调节原理的一种典型代表。
PID 控制再世纪控制工程中应用最广，据不完全统计，在工业过程控制、航空航天控制等领域中，PID 孔的应用占80%以上。
尽管PID 控制已经写入经典教科书，然而由于PID 控制的简单与良好的应用效果，人们仍在不断研究PID 控制器各种设计方法（包括各种自适应调节、最优化方法）和未来潜力。
由于液压控制系统大功率、高控制精度、技术成熟等特点，在要求精度高的重型机械机构中得到了广泛应用。
在现实工业中比例伺服阀与PID 控制器的结合，使得液压控制对于位移、速度、压力等的控制获得更加良好的效果。
1.2 PID 控制器各个参数对系统系能的影响
1.2.1 比例系数P K 对系统性能的影响
（1）对系统的动态性能影响：P K 加大，将使系统响应速度加快，P K 偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；P K 太小又会使系统的响应速度缓慢。
P K 的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。
（2）对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提下，加大P K 可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。
因此P K 的整定主要依据系统的动态性能。
调节Ｐ的大小对系统动态性能影响如图。
由图可见，当Ｋp加大时，可是系统动作灵敏，速度加快，在系统稳定的前提下，系统的稳态误差将减小，却不能完全消除系统的稳态误差。
Kp偏大时，系统的震荡次数增多，调节时间增长。
Kp太大时，系统会趋于不稳定。
1.2.2 积分系数K1对系统性能的影响
积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID 控制。
（1）对系统的动态性能影响：对于合适的k1值，可以减小系统的超调量，提高了稳定性，引入积分环节的代价是降低系统的快速性。
（2）对系统的稳态性能影响：积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若k1太大，系统可能会产生震荡，影响系统的稳定性。
由此可见，积分作用能够消除稳态误差，提高控制精度，系统积分作用的引入通常使系统的稳定性下降，K1太大时系统将不稳定，K1偏大时系统的震荡次数较多。
1.2.3 微分系数K2对系统性能的影响
（1）对系统的动态性能影响：微分系数K2的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。
适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度。
但K2值偏大或偏小都会适得其反。
另外微分作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。
（2）对系统的稳态性能影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。
它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。
微分控制经常与比例控制或积分控制联合使用。
引入微分控制可以改善系统的动态特性，当K2偏小时，超调量较大，调节时间也较长；当K2合适时可以提高系统响应速度，提高系统稳定性。
1.3 对给定的系统进行PID控制调节
通过改变不同的参数，便可得到在不同参数情况下的系统响应，而且以一个清晰的图像表示出来。
首先取比例系数Kp=30系统响应如图。
由图中可以看出，系统响应较快，满足系统的要求，但是稳态误差较大，需要引入积分环节，进行PI调节。
取比例系数Kp=30，K1=0.4 系统响应如图。
由图可以看出，系统的稳
态误差已经达到要求，但是系统的超调量较大，震荡次数较多，调整时间较长，需要引入微分环节，进行PID调节。
取Kp=35，K1=0.4，K2=15 系统响应如图。
由图可以看出，系统的超调量小于2％，调整时间小于0.2s,稳态误差小于5％，很好的满足了系统的要求。
PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。
在工业过程控制中，通常要保证闭环系统稳定，对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。
在不同干扰下输出应能保持在给定值附近，控制量尽可能地小，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。
一般来说，要同时满足这些要求是很难做到的，必须根据系统的具体情况，满足主要的性能指标，同时兼顾其它方面的要求。
在选择采样周期T时，通常都选择T远远小于系统的时间常数。
因此，PID参数的整定可以按模拟控制器的方法来进行。
1.4 收获与感想
通过这次的课程三级项目，我更加深入的了解了PID的控制机理，单纯的学习课本上的理论知识，我们只能大概的了解它的机理，但是其深层含义却无法体会，这次通过matlab程序仿真，通过一次一次的参数整定，了
解到每一个参数的变化对系统行性能的影响，这样从实际中了解到这些知识，才能更加领会其中的真正机理，为以后的PID设计工作打下坚实的基础。
通过这次的三级项目，我感到我还有许多工程软件的使用不太熟悉，在接下来的时间里，我要加强这方面的学习，只有好好的掌握了每一个工程软件的使用方法，它们才能更好的为我们的工程分析服务，才能够给我们的设计提高可靠的理论根据。