新型PID控制及其应用_第一讲_PID控制原理和自整定策略_陶永华
PID控制器原理与应用
PID控制器原理与应用PID控制器是一种常用的控制算法，可以在自动控制系统中实现准确控制。
它由比例项（P项）、积分项（I项）和微分项（D项）组成，利用这三项的加权和来调整输出信号，以实现对被控对象的控制。
本文将介绍PID控制器的基本原理以及其在实际应用中的一些例子。
1. PID控制器的原理PID控制器的输出信号由三个部分组成：比例项、积分项和微分项。
比例项与被控对象的误差成正比，积分项与误差的累积量成正比，微分项与误差的变化率成正比。
PID控制器的输出信号可以表示为以下公式：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt其中，u(t)表示PID控制器的输出信号，Kp、Ki和Kd分别表示PID控制器的比例、积分和微分增益，e(t)表示当前时刻的误差，∫e(t)dt表示误差的积分，de(t)/dt表示误差的微分。
PID控制器通过调整比例、积分和微分增益来实现对被控对象的控制。
比例增益决定了控制器对误差的敏感程度，积分增益可以消除系统静态误差，微分增益可以减小系统的超调和震荡。
2. PID控制器的应用PID控制器广泛应用于各种工业控制系统中，例如温度控制、压力控制、流量控制等。
下面是一些实际应用中常见的PID控制器例子。
2.1 温度控制在工业生产中，很多工艺过程需要保持恒定的温度。
PID控制器可以根据实际温度和设定温度之间的差异来调整加热器或制冷器的输出，以实现温度的精确控制。
比如，在化学反应中，温度的微小变化可能会导致品质问题，通过PID控制器可以及时调整供热或制冷，保持温度稳定。
2.2 机器人运动控制PID控制器也可以应用于机器人的运动控制中。
机器人需要根据环境和任务要求来调整各个关节的角度或位置。
通过PID控制器可以实现对机器人关节的精确控制，以实现期望的运动轨迹或姿态。
2.3 电机速度控制在许多设备和机械系统中，如电动机驱动的输送带或风机系统，需要对电机的转速进行精确控制。
PID控制器的参数整定及其应用
PID控制器未来的发展方向与应用前景
随着工业自动化技术的不断发展， PID控制器将朝着智能化、网络
化、集成化的方向发展。
新型的PID控制器将不断涌现， 如自适应PID控制器、模糊PID 控制器等，以满足更复杂、更高
要求的控制需求。
PID控制器在智能制造、机器人、 新能源等领域将得到更广泛的应 用，为工业自动化水平的提升做
PID控制器的改进与优化
积分分离PID
在积分作用较强的场合，通过将积分项进行分离，减小系统超调 量，提高系统稳定性。
抗积分饱和PID
在系统出现大幅度误差时，避免积分饱和导致系统失控，提高系 统的鲁棒性。
微分先行PID
将微分项放在偏差信号的前面，减小系统的超调量，提高系统的 动态性能。
PID控制器在物联网与人工智能时代的应用前景
02
PID控制器参数整定
比例系数（P）的作用与整定
总结词
比例系数是PID控制器中最重要的参数， 它决定了系统响应的增益和速度。
VS
详细描述
比例系数的作用是调节系统输出的增益， 当比例系数增大时，系统输出的响应速度 会加快，但过大会导致系统超调量增大， 甚至产生振荡；反之，过小则会使系统响 应速度变慢，甚至无法消除误差。在整定 时，需要根据系统的具体情况和要求，反 复调整比例系数，以达到理想的响应效果 。
pid控制器的参数整定及其 应用
目录
• PID控制器概述 • PID控制器参数整定 • PID控制器的应用 • PID控制器的发展趋势与展望 • 结论
01
PID控制器概述
PID控制器的定义
总结词
PID控制器是一种线性控制器，通过比例、积分和微分三个环节来调整系统输出 。
PID控制器的原理与应用
PID控制器的原理与应用PID控制器在自动控制领域中具有广泛的应用。
它是一种经典的反馈控制方法，用于保持被控对象的输出与期望值之间的误差最小。
PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制项组成，通过对误差值进行处理来调整控制器的输出。
一、PID控制器的原理PID控制器的原理基于误差的反馈调节。
它通过测量被控对象的输出值与期望值之间的差异（即误差），然后根据比例、积分和微分控制项对误差进行处理，得到控制器的输出量。
具体原理如下：1. 比例控制项（P项）：比例控制项与误差成正比。
当误差增大时，P项增大，从而加大了控制器的输出，使得被控对象的输出逐渐趋近于期望值。
然而，仅靠P项无法消除误差。
2. 积分控制项（I项）：积分控制项主要用于消除累积误差。
它将误差的累积值与一个系数相乘，并将结果作为控制器的输出。
通过积分控制项，PID控制器能够在长时间内对误差进行修正，使得系统更加稳定。
3. 微分控制项（D项）：微分控制项根据误差的变化速率来调节控制器的输出。
它能够预测误差的趋势，并通过减少输出来抑制误差的快速变化。
D项使得系统的响应更加迅速，并且减小了超调量。
综合P、I、D三个控制项的作用，PID控制器能够在不同的工况下实现快速响应、稳定控制和精确跟踪。
二、PID控制器的应用PID控制器广泛应用于工业自动化控制系统、电子设备控制、机器人技术等领域。
以下是PID控制器常见的应用场景之一。
1. 温度控制：PID控制器广泛应用于温度控制系统中。
通过精确测量被控温度与期望温度之间的差异，PID控制器能够调整加热或冷却设备的输出，使得被控温度稳定在期望值附近。
2. 位置控制：PID控制器在机器人技术中常用于位置控制。
通过测量机器人的实际位置与期望位置之间的差异，PID控制器能够调整机器人的执行器输出，实现精确的位置控制。
3. 速度控制：PID控制器在电机控制领域中被广泛应用。
通过测量电机输出轴的实际转速与期望转速之间的差别，PID控制器能够调整电机的输入电压或电流，实现精确的速度控制。
PID-自动控制原理及其应用课件.ppt
在模拟系统中，PID算法的表达式：
式中：
P(t
)
K
p
[e(t
)
1 TI
e(t)dt TDde(t)] dt
P(t)：调节器输出；
e(t)：调节器的偏差信号；
K p：比例系数；
TI：积分时间；
TD：微分时间；
22 晋能清洁能源科技有限公司
2019/8/11
第二章：PID简介，应用及常用调节方法
测量反馈元件——如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入 量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。
10 晋能清洁能源科技有限公司
2019/8/11
第一章：自动控制原理简介及应用
比较元件——比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。 放大元件——将微弱的信号作线性放大。 执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按期望值
17 晋能清洁能源科技有限公司
2019/8/11
第二章：PID简介，应用及常用调节方法
四、模拟PID调节原理
PID调节器是一种线性调节器，他将设定值与实际值的偏差：
et r(t) c(t)
按其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。 在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将比例，积分，微分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。 常规PID控制系统原理框图如图所示。
5 晋能清洁能源科技有限公司
2019/8/11
第一章：自动控制原理简介及应用 自动控制的例子：
当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位 要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直 到实际水位重新与水位要求值相等时为止。
《新型pid控制及其应用》介绍
《新型pid控制及其应用》介绍PID控制是工业控制中常用的一种控制方法，其控制效果受到许多因素的影响，如参数选择、采样周期、控制器类型等。
本文介绍了新型PID控制方法及其应用，包括增量型PID控制、自适应PID控制、模糊PID控制、神经网络PID控制等，以及在温度控制、压力控制、电机控制等领域的应用。
关键词：PID控制；增量型PID控制；自适应PID控制；模糊PID 控制；神经网络PID控制一、引言PID控制是工业控制中常用的一种控制方法，其通过对被控对象的输入信号进行调节，使其输出信号达到期望值。
PID控制器由比例控制器、积分控制器和微分控制器三部分组成，可以通过调节其参数来实现对被控对象的控制。
但是，PID控制器的控制效果受到许多因素的影响，如参数选择、采样周期、控制器类型等。
因此，为了提高PID控制器的控制效果，研究新型PID控制方法具有重要意义。
二、增量型PID控制增量型PID控制是一种对传统PID控制进行改进的方法。
其基本思想是在PID控制器的输出信号上进行微分运算，从而得到增量信号，通过对增量信号进行比例、积分和微分运算，得到控制器的输出信号。
相比传统PID控制，增量型PID控制具有响应速度快、抗干扰性强等优点，适用于对快速变化的被控对象进行控制。
三、自适应PID控制自适应PID控制是一种通过对PID控制器的参数进行自适应调整来实现对被控对象的控制的方法。
其基本思想是根据被控对象的状态来自适应地调整PID控制器的参数，从而达到更好的控制效果。
自适应PID控制具有适应性强、鲁棒性好等优点，适用于对复杂、时变的被控对象进行控制。
四、模糊PID控制模糊PID控制是一种将模糊逻辑与PID控制相结合的控制方法。
其基本思想是将模糊逻辑应用于PID控制器的参数调整中，通过模糊推理来自适应地调整PID控制器的参数，从而达到更好的控制效果。
模糊PID控制具有适应性强、鲁棒性好等优点，适用于对复杂、非线性的被控对象进行控制。
pid控制的基本原理及其应用
PID控制的基本原理及其应用1. 概述PID控制（Proportional-Integral-Derivative Control），即比例-积分-微分控制，是一种常用的闭环控制算法。
它基于系统的测量值与给定值之间的差异来调整控制量，使系统输出更接近给定值。
PID控制是工业自动化领域中最常见和最基础的控制算法之一，广泛应用于温度、压力、流量和位置等控制系统中。
2. 基本原理PID控制器的核心是三个部分，即比例控制、积分控制和微分控制。
下面分别介绍这三个部分的基本原理：2.1 比例控制比例控制器通过将系统测量值与给定值的差异进行线性放大，生成一个输出量，用于调整控制量。
其数学表达式为:P = Kp * e(t)其中，P为比例控制的输出量，Kp为比例增益系数，e(t)为系统测量值与给定值的差异。
比例控制的作用是根据差异的大小直接调整控制量，但由于没有考虑到系统过去的变化历史，可能出现超调或震荡。
2.2 积分控制积分控制器通过累积系统测量值与给定值之间的差异，并乘以一个增益系数，生成一个输出量，用于补偿系统的稳态误差。
其数学表达式为:I = Ki * ∫e(t)dt其中，I为积分控制的输出量，Ki为积分增益系数，∫e(t)dt为系统测量值与给定值的差异的积分。
积分控制的作用是消除系统的稳态误差，但过大的积分增益可能导致超调或振荡。
2.3 微分控制微分控制器通过系统测量值的变化率乘以一个增益系数，来预测系统未来的变化趋势，进而调整控制量。
其数学表达式为:D = Kd * de(t)/dt其中，D为微分控制的输出量，Kd为微分增益系数，de(t)/dt为系统测量值的变化率。
微分控制的作用是抑制系统的超调和振荡，提高系统的动态响应速度，但过大的微分增益可能导致控制量的快速变化，引入噪音。
3. 应用PID控制在实际工程中广泛应用于各种控制系统中，下面列举一些典型的应用场景：3.1 温度控制PID控制在温度控制系统中起到关键作用。
PID控制算法的原理及应用
PID控制算法的原理及应用1. 简介•PID（比例-积分-微分）控制算法是自动控制领域中最常用的一种控制算法。
•PID控制算法通过不断调整控制器的输出，使得被控对象的输出达到预期的目标值。
2. PID控制算法原理PID控制算法由三个部分组成：比例环节、积分环节和微分环节。
2.1 比例环节比例环节根据系统输出的偏离程度，以一定的比例输出控制信号。
比例系数越大，控制信号的变化越敏感。
2.2 积分环节积分环节根据系统输出的偏离累积值，以一定的比例输出控制信号。
积分环节用于消除长期偏差，提高系统的稳定性。
2.3 微分环节微分环节根据系统输出的变化速率，以一定的比例输出控制信号。
微分环节用于预测系统未来的变化趋势，提前进行调整。
2.4 PID算法公式PID控制算法的输出可以表示为：\[u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \cdot \int_0^te(\tau) \, d\tau + K_d \cdot \frac{de(t)}{dt}\]其中， \(u(t)\) 为控制信号， \(e(t)\) 为系统的偏差， \(K_p\) 、 \(K_i\) 和 \(K_d\) 分别为比例系数、积分系数和微分系数。
3. PID控制算法应用场景PID控制算法广泛应用于各种自动控制系统中。
以下为几个常见的应用场景：3.1 温度控制PID控制算法在温度控制中常常被应用。
通过测量温度并与目标温度进行比较，PID控制器可以调整加热或冷却设备的控制信号来保持温度稳定。
3.2 机器人控制PID控制算法在机器人控制中被广泛使用。
机器人的运动轨迹可以通过PID控制器来控制，以实现准确的位置控制和运动稳定性。
3.3 液位控制在液位控制系统中，PID控制器可以根据液位的偏差调整液位控制装置的输出信号，以维持液位稳定。
3.4 电机控制PID控制算法在电机控制中被广泛应用。
通过不断调整电机的输入信号，PID控制器可以精确控制电机的转速和位置。
最新PID控制及其应用.pdf
1. 简介PID控制指的是一种闭环控制方式,将输入输出偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。
2.PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。
模拟PID控制系统原理框图如图1-1所示。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差PID的控制规律为或写成传递函数的形式式中，Kp---比例系数；Ti--积分时间常数；Td---微分时间常数。
简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t),偏差一旦产生，控制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TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。
（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，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。
3.数字PID算法原理在计算控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID 控制算法和增量式PID控制算法。
位置式算法输出的是执行机构的实际位置，如有干扰的话，会导致大幅度变化。
而增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量，所以电机控制一般都采用增量式PID算法。
增量式PID算法公式:----△u( k ) = K p△e(k)+Kie(k)+Kd[△e(k)-△e(k-1)]----△e(k) = e(k) – e(k-1)-----△e(k-1) = e(k-1) – e(k-2)-----e(k) = r(k) – c(k) (因在速度控制导通角上开始是从大变小,所以该公式须变成c(k)-r(k))参数说明:k--------------采样序号, k = 0, 1, 2----;r(t)-----------速度给定值;c(t)-----------速度实际输出值;△u( k )------第K次采样时刻的计算机输出增量值；e(k)----------第K次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)--------第(k-1)次采样时刻输入的偏差值;K I-------------积分系数，K I = K P*T/T I；K D------------微分系数，K D = K P*T D/T；T--------------采样调期;Kp------------比例系数;T I-------------积分时间常数T D------------微分时间常数4.PID 控制参数整定方法PID 控制参数的自动整定分两步进行，第一步是初始确定PID 控制参数；第二步是在初定的PID 控制参数基础上，根据直线电机控制系统的响应过程和控制目标期望值，修正初定的PID 参数，直至电机系统的控制指标符合所需求为止.在数字控制系统中，采样周期T 是一个比较重要的因素，采样周期的选取，应与PID 参数的整定综合考虑，选取采样周期时，一般应考虑下列几个因素：（1）采样周期应远小于对象的扰动信号的周期。
PID控制器的基本原理与应用
PID控制器的基本原理与应用PID 控制器是一种经典的反馈控制器，广泛应用于工业自动化领域。
本文将介绍 PID 控制器的基本原理、工作原理和常见的应用案例。
一、基本原理PID 控制器的名称由三个控制参数组成，分别是比例（P）、积分（I）和微分（D）。
比例控制依据误差信号与给定值之间的差异，以一定比例调整控制输出。
比例控制器可快速响应系统变化，但容易导致超调和震荡。
积分控制器根据误差信号的累积量来调整控制输出。
积分控制器有助于消除稳态误差，但也会导致响应时间延长和系统不稳定。
微分控制器根据误差信号变化率来调整控制输出。
微分控制器可以提高系统的动态响应和稳定性，但对噪声敏感。
PID 控制器通过加权和三个控制参数的组合来计算控制输出。
PID控制器的数学表达式为：输出 = Kp * 偏差 + Ki * 积分偏差 + Kd * 导数偏差其中，Kp、Ki 和 Kd 分别为比例、积分和微分参数，偏差为给定值与实际值之间的差异，积分偏差为过去偏差的累积量，导数偏差为当前偏差的变化率。
二、应用案例1. 温度控制PID 控制器广泛应用于温度控制系统中。
以恒温箱为例，PID 控制器通过检测箱内温度与设定温度的偏差，调节加热器或制冷器的输出功率，使温度稳定在设定值附近。
2. 位置控制在机器人或自动化生产线中，PID 控制器可用于位置控制。
通过检测目标位置与实际位置之间的偏差，PID 控制器可以控制电机的转速和方向，使机器人或生产线准确移动到目标位置。
3. 流量控制PID 控制器也可用于流量控制。
例如，在化工过程中，PID 控制器可以根据设定的流量需求，调整阀门的开度来控制流体的流量。
4. 电压调节在电力系统中，PID 控制器可用于电压调节。
当负载变化时，PID 控制器可以通过调整发电机的功率输出来保持系统电压稳定。
以上仅为 PID 控制器的一些常见应用案例，实际应用中还可以根据不同的控制需求进行调整和优化。
结语：PID 控制器是一种简单而强大的控制器，具有广泛的应用。
新型PID控制及其应用_第一讲_PID控制原理和自整定策略
1 + T D S) T IS 有 Zieg ler- N icho ls 整定公式: G ( S ) = K P ( 1+
K P = 112T P K ・Σ T I = 2Σ T D = 015Σ
( 2—2)
( 1- 11)
实际应用时, 通常根据阶跃响应曲线 ( 图 2 - 1) , 人工测量出 K 、 T P、 Σ 参数, 然后按式 ( 22 ) 计算 K P、 T I、 T D 。用计算机进行辅助设计时, 一是可以用模式识别的方法识别出这些特证参 数; 一是可用曲线拟合的方法将阶跃响应数据 拟合成近似的一阶惯性加纯延迟环节的模型。
+ K D [ e ( k - 1) - e ( k - 2) ] ( 1- 9) 用式 ( 1- 5) 减式 ( 1- 9) 可得:
・62・
工业仪表与自动化装置 1997 年第 4 期
= K P ∃ e (k ) + K I e (k ) + K D [ ∃ e (k ) ( 1—10) ∃ e ( k - 1) ]
虽然大多数有实用价值的自整定技术是用于单回路控制器只有少数用于分散型控制系但其发展趋势却是以参数自整定算法软件形式固化在计算机控制系统或plc中使其作为一种通用控制装置的内含部件
・60・
工业仪表与自动化装置 1997 年第 4 期
新型 P I D 控制及其应用
第一讲 P ID 控制原理和自整定策略
211 经验公式法 21111 Z ieg ler- N icho ls 设定方法
这里 e ( t) 为进入 P I D 控制器的误差信号。 根据设定点信号的最优自整定算法, 对式 ( 23 ) 中给出的最优指标, 着重考虑 3 种情况, 即 n = 0, 简记作 ISE ( in teg ra l squa red erro r ) 准则;
PID自动控制控制基本原理与控制算法
PID自动控制控制基本原理与控制算法PID自动控制是一种常用的控制方法，其基本原理是通过对被控对象的输出与期望值之间的差异进行反馈调节，从而实现对被控对象的精确控制。
PID控制算法由三个部分组成，分别是比例控制、积分控制和微分控制。
下面将详细介绍PID自动控制的基本原理和控制算法。
比例控制是PID控制的基本组成部分，它根据被控对象的输出与期望值之间的差异的大小来产生控制器的输出信号。
比例控制的输出与差异成正比，输出信号等于比例增益乘以差异。
比例增益决定了输出信号对差异的敏感程度，当比例增益较大时，控制器的输出信号会更加敏锐地响应差异，但也容易产生震荡或超调现象。
因此，比例增益需要根据被控对象的特性进行适当调整，以实现稳定的控制效果。
积分控制是为了解决比例控制无法完全消除静差的问题。
静差指的是被控对象输出与期望值之间的稳态偏差。
积分控制会根据差异的积分累加值来产生控制器的输出信号。
积分控制可以通过累加差异的方式来积累静差，并且随着时间的增加，积分增益的效果会越来越显著。
通过积分控制可以消除系统的静态误差，提高系统的稳定性和精度。
然而，过大的积分增益也可能导致振荡或超调，因此需要根据实际情况进行调整。
微分控制是为了解决比例控制和积分控制在快速响应和消除振荡方面的不足。
微分控制会根据差异的变化率来产生控制器的输出信号。
微分控制可以通过控制差异变化的速率来实现快速响应和消除振荡。
然而，过大的微分增益可能会引入噪声干扰或增强系统的震荡，因此需要合理选择微分增益。
PID控制算法是将比例控制、积分控制和微分控制三者综合起来进行控制，以实现对被控对象的精确控制。
PID控制器的控制信号由比例响应、积分响应和微分响应三者组成，通过调整三者之间的权重来实现控制效果的调整。
PID控制算法的具体形式可以表示为：u(t)=Kp·e(t)+Ki·∫e(t)dt+Kd·de(t)/dt其中，u(t)表示控制器的输出信号，Kp、Ki和Kd分别为比例增益、积分增益和微分增益，e(t)表示被控对象的输出与期望值之间的差异，∫e(t)dt表示差异的积分，de(t)/dt表示差异的微分。
新型PID控制及其应用(共六讲)
或者
G (Z ) =
) + K I + K D ( 1- Z - 1 ) 2 1- Z - 1 ( 1- 8)
数字 P I D 控制器如图 1- 2 所示。
u (k ) = K P {e (k ) + e ( k - 1) ]}
T TI
∑e ( j ) +
j= 0 k
TD [ e (k ) T
由前面的讨论可知, 若测出了系统的一阶 模型 ( 式 2—1) 或得出了系统的振荡频率 ΞC 和 增益 K C , 则可以容易地设计出 P I D 控制器。以 往要想求出系统的这些特征参数, 需要使用离 线的方法来进行, 即首先通过试验测出系统的 特征参数, 然后再根据这些参数设计一个合适 的PI D 控制器, 最后再将此控制器应用到原系 统的控制中。 若系统的参数发生变化, 则应该再 重新开始这一过程。 β β ∼ st ro m2 Ha gg lund 提 出 了 一 种 继 电 型 PI D 自整定控制结构, 该方案的基本想法是在 控制系统中设置两种模态; 测试模态和调节模 态, 在测试模态下由一个继电非线性环节来测 试系统的振荡频率和增益, 而在调节模态下由 系统的特证参数首先得出 P I D 控制器, 然后由 此控制器对系统的动态性能进行调节。 如果系 统的参数发生变化时, 则需要重新进入测试模 态进行测试, 测试完成之后再回到调节模态进 行控制。 继电型 P I D 自整定控制结构如图 3—1 所 示。 从图中可以看出, 两个模态之间的切换是靠
PI D 控制; 第五讲, 多变量 P I D 控制; 第六讲, 新型控制器产品发展概述。
P I D 控制是最早发展起来的控制策略之 一, 由于其算法简单、 鲁棒性好、 可靠性高等优 点, 被广泛应用于工业过程控制。 当用计算机实 现后, 数字 P I D 控制器更显示出参数调整灵 活、 算法变化多样、 简单方便的优点。 随着生产 的发展, 对控制的要求也越来越高, 随之发展出 许多以计算机为基础的新型控制算法, 如自适 应PI 模糊 P I 智能 P I D 控制、 D 控制、 D 控制等
pid控制的工作原理和应用
PID控制的工作原理和应用一、什么是PID控制PID控制是一种经典的闭环反馈控制算法，全称为“比例-积分-微分”控制（Proportional-Integral-Derivative Control）。
PID控制器根据实际测量值与设定值之间的误差，通过三个控制系数（比例系数、积分系数和微分系数）来调节输出信号，实现对被控对象的控制。
二、PID控制的工作原理PID控制器通过比例控制、积分控制和微分控制三个部分对误差信号进行处理，从而实现对被控对象的控制。
1. 比例控制比例控制是PID控制的基础，它通过将误差信号与比例系数相乘得到控制量。
比例控制能够快速响应系统的变化，但可能导致超调和震荡现象。
2. 积分控制积分控制通过将误差信号的积分值与积分系数相乘得到控制量。
积分控制可以消除系统静态误差，提高系统的稳定性，但可能导致系统的响应速度变慢。
3. 微分控制微分控制通过将误差信号的变化率与微分系数相乘得到控制量。
微分控制可以提高系统的响应速度，并抑制超调和震荡现象，但可能增加系统的噪声灵敏度。
4. 综合控制PID控制器将比例控制、积分控制和微分控制三个部分的输出信号进行加权求和，得到最终的控制量。
PID控制器可以通过适当调节控制系数来实现快速响应、精确控制和稳定性。
三、PID控制的应用PID控制器广泛应用于工业控制和自动化领域，以下列举了几个常见的应用案例：1. 温度控制PID控制器可以用于实现温度控制，使温度保持在设定值附近，并具有较小的波动。
例如，PID控制器可以用于控制制造过程中的熔炉温度、恒温槽的温度等。
2. 位置控制PID控制器可以用于实现位置控制，将被控对象的位置控制在预定值上。
例如，PID控制器可以用于控制机器人的关节位置、车辆的速度等。
3. 流量控制PID控制器可以用于实现流量控制，调节流体的流量大小。
例如，PID控制器可以用于控制管道中的液体或气体的流量、调节流体泵的输出等。
4. 压力控制PID控制器可以用于实现压力控制，将被控对象的压力维持在设定值附近。
PID调节原理与PID参数整定方法
PID调节原理与PID参数整定方法PID调节原理与参数整定方法是自动控制系统中常用的调节算法和方法之一、PID调节器是一种反馈调节控制器，利用当前的偏差值、偏差累积值和偏差变化率来产生控制输出，进而改变被控对象的状态，使其尽可能地满足设定值。
PID调节器由三个部分组成：比例（P）调节器、积分（I）调节器和微分（D）调节器。
P调节器根据偏差值来产生控制信号；I调节器根据偏差累积值来产生控制信号；D调节器根据偏差变化率来产生控制信号。
这三个调节器的输出都与偏差成比例，然后将它们相加得到最终的控制输出。
PID控制器的数学表达式为：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt其中，u(t)是控制输出,Kp、Ki和Kd是调节器的增益参数，e(t)是偏差，t是时间。
参数整定是指选择合适的PID控制参数以实现系统良好性能。
对于PID参数整定，常用的方法有以下几种：1.经验法：根据经验和实际应用中相似系统的参数进行估计和调整。
这种方法简单易行，但对于不同系统的参数整定效果不一致。
2. Ziegler-Nichols方法：此方法通过实验获取系统的临界增益（Kcr）和临界周期（Pcr），然后根据不同的整定规则选择PID参数。
常用的整定规则有：P控制器（Kp = 0.5 * Kcr）、PI控制器（Kp = 0.45* Kcr，Ki = 1.2 / Pcr）和PID控制器（Kp = 0.6 * Kcr，Ki = 2 / Pcr，Kd = 8 / Pcr）。
3.最小二乘法：通过最小化系统的输出与设定值之间的误差，来确定合适的PID参数。
这种方法需要进行大量的计算，适用于精确调节和要求高性能的系统。
4.频响法：通过系统的频率响应曲线来进行参数整定。
此方法需要对系统进行频率扫描，可以获得系统的幅频特性和相频特性，然后根据相应的调节规则选择PID参数。
总结来说，PID调节原理是利用当前的偏差值、偏差累积值和偏差变化率来产生控制输出；而PID参数整定方法可以通过经验法、Ziegler-Nichols方法、最小二乘法和频响法等多种方法来选择合适的参数，以实现系统的稳定性和性能要求。
新型PID控制及其应用_第二讲_自适应PID控制_陶永华
新型PID控制及其应用第二讲 自适应PID控制陶永华华东冶金学院 马鞍山:2430021 引言 所谓自适应控制(Adaptive co ntro l)就是在控制对象未知的情况下,或者控制对象的参数发生变化时,调整控制器的控制方法或参数,使控制系统达到预定的控制品质。
自适应控制的研究是从50年代开始的,由于计算机的迅速发展及随机控制理论、系统辨识等学科的发展,大大促进了自适应控制的研究。
自适应控制与PID控制器相结合,形成了所谓自适应PID控制或自校正PID控制技术(人们统称为自适应PID控制)。
自适应PID控制具有自适应控制与普通PID控制器两方面的优点:首先,它是自适应控制器,就是说,它有自动辨识被控过程参数、自动整定控制器参数、能够适应被控过程参数的变化等一系列优点;其次,它又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性好、可靠性高、为现场工作人员和设计工程师们所熟悉的优点。
自适应PID控制所具有的这两大优势,使得它成为过程控制的一种较理想的自动化装置,成为人们竞相研究的对象和自适应控制发展的一个方向。
自适应PID控制器可分为5大类,一类基于被控过程参数辨识,统称为参数自适应PID控制器,其参数的设计依赖于被控过程模型参数的估计。
另一类基于被控过程的某些特征参数,诸如临界振荡增益K C、临界振荡频率X C 等。
这种类型的自适应PID控制没有一个统一名称,我们姑且称为非参数自适应PID控制器。
其参数的设计直接依赖于过程的特征参数和一些工程上常用的经验整定规则。
如果按控制器参数设计的原理来分,自适应PID控制器又可分为五大类,它们是:极点配置自适应PID控制器、相消原理自适应PID 控制器、基于经验规则的自适应PID控制器、基于二次型性能指标的自适应PID控制器和智能或专家自适应PID控制器。
本讲着重介绍极点配置自适应PID控制和一些具有应用前景的PID自适应控制系统。
2 极点配置自适应PID控制 极点配置自适应控制算法由Wellstead等人在1979年首先提出,继而由~strobm和w it-tenm ark,Vogel和Edg ar,Elliott等人改进和深化,成为自适应控制中的一个重要组成部分, W ittenm ar k和~str obm等人在此基础上提出了极点配置自适应PID控制算法。
《新型pid控制及其应用》介绍
《新型pid控制及其应用》介绍
《新型PID控制及其应用》是一部旨在重新研究PID控制策略的著作，它以数学分析、信息理论、模糊控制、神经网络技术、不确定系统理论和控制网络科学等前沿研究成果为基础，开创性地提出了一套新的PID控制理论及方法。
本书介绍了基于改进的PID控制算法、新型元件设计、模糊系统辨识、神经网络优化、基于数据的PID参数调整、基于参数的Neuro-PID等六种新型PID控制理论，并利用大量优质的实验数据，系统地论证了新型PID控制的有效性。
此外，本书还给出了一系列应用新型PID控制方法和技术的具体实例和实际工程，以及如何运用新型PID控制解决现实工业控制问题的策略，为控制研究者提供了一篇系统报道。
PID算法基本原理及整定实现方法
PID算法基本原理及整定实现方法PID控制算法是一种常用于控制系统中的反馈控制算法，它通过根据当前的偏差（误差）来调整输出控制信号，从而使系统的输出能够接近预期的设定值。
PID算法的全称是比例积分微分控制算法，其基本原理是将偏差分解为三个部分：比例项、积分项和微分项，然后将它们进行线性组合，得到最终的输出控制信号。
比例项是根据当前的偏差与目标值之间的差异来调整输出信号的大小，它的作用是指导系统朝着目标值的方向调整。
比例项的大小与偏差成正比，即偏差越大，比例项的大小也越大。
比例控制的特点是对瞬态响应有重要影响，但对于稳态误差的消除没有作用。
积分项是根据历史偏差的累积来调整输出信号的大小，它的作用是消除系统的稳态误差。
稳态误差指的是系统在达到稳定状态后仍然存在的误差。
积分项的大小与历史偏差的累积成正比，即偏差累积越大，积分项的大小也越大。
积分控制的特点是对稳态误差有重要影响，但对于瞬态响应的调整速度没有直接作用。
微分项是根据当前偏差的变化率来调整输出信号的大小，它的作用是加快系统的响应速度以及减小超调量。
微分项的大小与偏差的变化率成正比，即偏差变化越快，微分项的大小也越大。
微分控制的特点是对系统的瞬态响应有重要影响，但对于稳态误差的消除没有作用。
整个PID算法的输出信号可以表示为：输出信号=Kp*比例项+Ki*积分项+Kd*微分项其中，Kp、Ki和Kd分别是比例、积分和微分的参数，需要根据实际系统的特性进行整定。
整定PID参数的方法有多种，下面介绍两种常用的方法：经验整定法和自整定法。
1.经验整定法：该方法是通过经验和试错来调整PID参数，一般分为以下几个步骤：a.首先将积分项和微分项的参数Ki和Kd设为0，只调整比例项的参数Kp，使系统响应快速达到稳定状态，并观察系统的超调量和稳态误差；b.根据超调量和稳态误差的大小，逐步调整Ki和Kd的参数，以消除稳态误差和减小超调量；c.反复进行步骤a和步骤b的调整，直到系统达到满意的响应特性。
PID的自整定控制及其研究(模糊PID算法)
签名：___________ 日期：____________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）
内蒙古科技大学 硕士学位论文 PID的自整定控制及其研究 姓名：石振华 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：周先谱 20080602
内蒙古科技大学硕士学位论文
摘
要
PID 控制器从诞生至今，已经历了数十年的历史，并ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ因其优良的性能仍然是工业 自动化领域应用最为广泛的控制器。PID 控制器参数整定优劣与否，是 PID 控制器能否 获得良好性能的关键。迄今为止，各种整定 PID 控制器参数整定方法层出不穷，给 PID 控制器参数整定的研究带来了活力与契机。如 ZN 法、继电整定法等等。 继电整定法因其原理简单、实用且良好的控制效果，被广泛应用于工业控制中。但 它仍然是一种一次整定方法，在实际应用中，不能对具有高度非线性、参数时变及纯滞 后特性并受随机干扰影响的系统有效控制。这就要求在 PID 控制中不仅 PID 参数的整定 不依赖于对象的数学模型，而且 PID 参数能在线调整，这样才能获得理想的控制品质。 基于此，本文提出在继电测试法整定出 PID 参数初值的基础上，再利用模糊推理在 线调整 PID 参数值的策略。所以，这个方法不仅简单实现了一次在线整定，而且实现了 在线实时整定。为了论证模糊 PID 控制的优越性，本课题设计了基于 STC89C52 单片机 的直流电机 PWM 闭环调速系统，通过硬件调试，得出模糊 PID 控制优于普通 PID 控制的 结论。
先进PID控制及其MATLAB仿真
根据积分分离 式PID控制算 法得到其程序 框图如右图。
1.3.5 积分分离PID控制算法及仿真
设被控对象为一个延迟对象： e 80 s G( s) 60s 1
采样时间为20s，延迟时间为4个采样时间， 即80s，被控对象离散化为：
y(k ) den(2) y(k 1) num(2)u(k 5)
其中，A＝1.0，f＝0.20Hz 被控对象模型选定为：
133 G ( s) 2 s 25s
1.2 连续系统的基本PID仿真
连续系统PID的Simulink仿真程序
1.2 连续系统的基本PID仿真
连续系统的模拟PID控制正弦响应
1.3 数字PID控制
1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.3.7 1.3.8 位置式PID控制算法 连续系统的数字PID控制仿真 离散系统的数字PID控制仿真 增量式PID控制算法及仿真 积分分离PID控制算法及仿真 抗积分饱和PID控制算法及仿真 梯形积分PID控制算法 变速积分PID算法及仿真
1.2 连续系统的基本PID仿真
1.2.1 基本的PID控制
1.2.2 线性时变系统的PID控制
1.2 连续系统的基本PID仿真
以二阶线性传递函数为被控对象，进行模拟 PID控制。在信号发生器中选择正弦信号，仿真 时取Kp＝60，Ki＝1，Kd.3.6抗积分饱和PID控制算法及仿真
- 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)。
新型PID 控制及其应用第一讲 PID 控制原理和自整定策略陶永华华东冶金学院 马鞍山:243002 编者按 随着控制仪表的发展,新的控制技术不断出现,先进的控制算法不断产生和发展。
本刊以前曾发表不少这类的专题文章。
为了使读者能系统了解这个领域的内容和产品发展概况,我们特请陶永华教授以讲座形式作全面介绍。
讲座共分六讲:第一讲,PID 控制原理和自整定策略;第二讲,自适应PID 控制;第三讲,智能PID 控制;第四讲,模糊PID 控制;第五讲,多变量PID 控制;第六讲,新型控制器产品发展概述。
PID 控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点,被广泛应用于工业过程控制。
当用计算机实现后,数字PID 控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样、简单方便的优点。
随着生产的发展,对控制的要求也越来越高,随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法,如自适应PID 控制、模糊PID 控制、智能PID 控制等等。
本讲座共分6讲,将着重介绍这些新型PID控制原理、方法及其应用。
我们期待着把PID 控制提到一个新的水平。
1 PID 控制原理1.1 模拟PID 控制器模拟PID 控制系统原理框图如图1-1所示,系统由模拟PID控制器和受控对象组成。
图1-1 模拟PID 控制系统原理框图 PID 控制器根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差: e (t )=r (t )-c (t )(1-1)将偏差的比例(P)、积分(I )和微分(D)通・60・工业仪表与自动化装置 1997年第4期过线性组合构成控制量,对受控对象进行控制。
其控制规律为:u (t )=K p [e (t )+1T I t 0e (t )d t +T D de (t )dt](1-2)或写成传递函数形式:G (s )=U (S )E (S )=K P (1+1T I S +T D S )(1-3)式中,K P 为比例系数,T I 为积分时间常数,T D 为微分时间常数。
简单说来,PID 控制器各校正环节的作用是这样的:●比例环节:即时成比例地反应控制系统的偏差信号e (t ),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用以减小误差。
●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T I ,T I 越大,积分作用越弱,反之则越强。
●微分环节:能反应偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号值变得太大之前,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,减小调节时间。
1.2 数字PID 控制器当计算机实现PID 控制时,首先必须将上述PID 控制规律的连续形式变成离散形式,然后才能编程实现。
PID 控制器控制算法的离散形式为:u (k )=K P {e (k )+T T I ∑kj =0e (j )+T DT [e (k)-e (k -1)]}(1-4)或u (k )=K P ・e (k )+K I ∑k j =0e (j )+K D [e (k )-e (k -1)](1-5)式中 T ——采样周期k ——采样序号,k =0,1,2,…u (k )——第k 次采样时刻的计算机输出值e (k )——第k 次采样时刻输入的偏差值K I =K P T T I ——称为积分系数称为微分系数由Z 变换的性质:Z [e (k -1)]=Z -1E (Z )Z [∑kj =0e (j )]=E (Z )/(1-Z -1)式(1-5)的Z 变换式为:U (Z )=K P E (Z )+K I E (Z )/(1-Z -1)+K D [E (Z )-Z -1E (Z )](1-6)由式(1-6)便可得到数字PID 控制器的Z 传递函数:G (Z )=U (Z )E (Z )=K P +K I /(1-Z -1)+K D (1-Z -1)(1-7)或者G (Z )=K P (1-Z -1)+K I +K D (1-Z -1)21-Z -1(1-8)数字PID 控制器如图1-2所示。
图1-2 数字P ID 控制器框图 由于计算机输出的u (k )直接去控制执行机构(如阀门),u (k )的值和执行机构的位置(如阀门开度)是一一对应的,所以我们通常称式(1-4)或式(1-5)为位置式控制算法。
当执行机构需要的是控制量的增量(例如去驱动步进电机)时,可由式(1-5)导出提供增量的PID 控制算式。
根据递推原理可得:u (k -1)=K P ・e (k -1)+K I ∑k -1j =0e (j )+K D [e (k -1)-e (k -2)](1-9)用式(1-5)减式(1-9)可得:$u (k )=K P [e (k )-e (k -1)]+K I e (k )+K D [e (k )-2e (k -1)+e (k -2)]・61・1997年第4期 工业仪表与自动化装置=K P$e(k)+K I e(k)+K D[$e(k)-$e(k-1)](1—10)式中 $e(k)=e(k)-e(k-1)式(1-10)称为增量式PID控制算法。
将上式整理,合并后得:$u(k)=A・e(k)-B・e(k-1)+C・e(k-2)(1-11)式中 A=K P(1+TT I+T DT)B=K P・(1+2T D T)C=K P T D T它们都是与采样周期,比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。
增量式PID和位置式PID实质是一样的,但增量式比位置式有许多优越之处:●$u(k)只与k、k-1、k-2时刻的偏差有关,节省内存和运算时间。
●每次只作$u(k)计算,而与位置式中积分项∑e(j)相比,计算误差影响小。
●若执行机构有积分能力(如步进电机),则每次只需输出增量$u(k),即执行机构的变化部分,误动作造成的影响小。
●手动—自动切换时冲击小,便于实现无扰动切换。
在具体应用数字PID控制器时,可采用一些改进算法、如积分分离PID控制算法、不完全微分PID控制算法,带死区的PID控制、变速积分PID算法等。
2 自整定PID控制策略 PID控制器中3个参数的确定问题是实际中的设计问题。
下面介绍几种较成熟的自整定方法:2.1 经验公式法2.1.1 Z ieg ler-Nichols设定方法受控对象大多可近似用一阶惯性加纯延迟环节来表示,传递函数为:G P(s)=K e-S s/(T P S+1)(2-1)对于典型PID控制器:G(S)=K P(1+1T I S+T D S)有Zieg ler-Nichols整定公式:K P=1.2T P/K・ST I=2ST D=0.5S(2—2)实际应用时,通常根据阶跃响应曲线(图2 -1),人工测量出K、T P、S参数,然后按式(2-2)计算K P、T I、T D。
用计算机进行辅助设计时,一是可以用模式识别的方法识别出这些特证参数;一是可用曲线拟合的方法将阶跃响应数据拟合成近似的一阶惯性加纯延迟环节的模型。
图2-1 阶跃响应曲线2.1.2 ISTE最优设定方法庄敏霞与Atherton针对各种指标函数得出了最优PID参数整定的算法,考虑下面给出的最优指标通式。
J n(H)=∞[t n e(H,t)]2dt(2-3)这里e(t)为进入PID控制器的误差信号。
根据设定点信号的最优自整定算法,对式(2-3)中给出的最优指标,着重考虑3种情况,即n =0,简记作ISE(integral squar ed erro r)准则; n=1,简记作ISTE准则;n=2,简记为IST2E 准则。
若已知系统的数学模型如式(2-1)给出,则对典型PID结构可以建立经验公式:(2-4)・62・工业仪表与自动化装置 1997年第4期对不同的S/T P范围,可以得出(a,b)参数表如表2-1所示。
由表中给出的PID参数设置可以通过M ATLAB来简单地实现。
表2-1 设定点PID控制器参数表S/T P范围0.1—1 1.1—2准则ISE IST E T SI2E ISE IST E IST2Ea1 1.048 1.0420.968 1.154 1.142 1.061 b1-0.897-0.897-0.904-0.567-0.579-0.583 a2 1.1950.9870.977 1.0470.9190.892 b2-0.368-0.238-0.253-0.220-0.172-0.165 a30.4890.3850.3160.4900.3840.315 b30.8880.9060.8920.7080.8390.8322.1.3 临界灵敏度法当已知系统的临界比例增益K C和振荡周期T C时,也可用经验整定公式来确定PID控制器的参数。
例如:K P=0.6K CT I=0.5T CT D=0.125T C(2-5)特征参数T C和K C,一般由系统整定试验确定。
或者用频率特性分析算法据受控过程G P(S)直接算得K C和T C,即由增益裕量g m确定K C,由相位剪切频率X C确定T C:T C=2P X CK C=10(gm/20)(2-6) 2.2 仿真试验法当受控过程的模型已知时,PID参数可通过数字仿真试验来确定。
常见的有两种方式:半自动的和全自动的。
所谓半自动的方式,就是由人来设置并调整PID参数,由计算机来仿真系统动态特性和计算系统的性能指标。
所谓全自动的方式就是调整PID参数的任务也由计算机来完成,一般用最优化算法来整定PID参数。
对于单参数的P控制器常用黄金分割算法。
对于多参数的PI和PID控制器常用单纯形优化算法。
优化性能指标常选IAE或ISE,一个全自动的PID参数优化CAD系统如图2—2所示。
图2-2 PID控制器参数优化CA D程序框图3 ~strobm-Habgglund自整定PID 控制结构 由前面的讨论可知,若测出了系统的一阶模型(式2—1)或得出了系统的振荡频率X C和增益K C,则可以容易地设计出PID控制器。
以往要想求出系统的这些特征参数,需要使用离线的方法来进行,即首先通过试验测出系统的特征参数,然后再根据这些参数设计一个合适的PID控制器,最后再将此控制器应用到原系统的控制中。
若系统的参数发生变化,则应该再重新开始这一过程。
~stro b m-Ha b gg lund提出了一种继电型PID自整定控制结构,该方案的基本想法是在控制系统中设置两种模态;测试模态和调节模态,在测试模态下由一个继电非线性环节来测试系统的振荡频率和增益,而在调节模态下由系统的特证参数首先得出PID控制器,然后由此控制器对系统的动态性能进行调节。
如果系统的参数发生变化时,则需要重新进入测试模态进行测试,测试完成之后再回到调节模态进行控制。