06 自动控制原理PID PPT课件

R(s)
E(s) Ki
M(s)
提高系统的型别, 有利于系统稳态性能
- C(s) s
的提高（准确性），但积分控制使系 统增加一个开环极点, 产生90°的相角
I控制器
滞后, 对系统的稳定性不利；
2、 在校正设计中, 通常不宜采用单一
的积分控制器。
知识点四：校正的控制规律
3、D ( Derivative )控制器
25
30
Time (sec)
结论： 本图为PID参数对控制系统的影响。
知识点四：校正的控制规律
4、PID (Proportional Integral Derivative )控制器
R(s)
-
E(s)
K
p
(1
1 Tis
s)
C(s)
M(s)
特点：
1、 增加了一个开环极点，提高了 系统的型别，提高稳态性能；
1.6
t=3
1.4
t=6
1.2
1
t=14
t=21 t=28
0.8
Step Response
t=3
t=6 t=14 t=14 t=28
0.6
0.4
0.2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Time (sec)
结论： 随着积分时间的减小，积分控制作用增强，闭环系统的
稳定性变差。
详见附件：探究PID控制器对控制系统的影响—XQ
)
K
p (1
) TiS
微分方程 传递函数
R(s)
-
E(s)
K
p
(1
1 Ti s
)
M (s)
C(s)
PI控制器
复习：PI环节
特点：
1、KP系数实现阶跃性增加，Ti积 分是缓慢变化。 2、KP越大，比例控制作用变大， 但振荡。 3、Ti越小，积分作用增强，消除 余差作用增强，但稳定性降低。
频域 P I(Proportional Integral）控制器
N (s)
C(s) G(s)
(b) 前馈校正（对扰动的补偿）
第六章 线性系统的校正方法
知识点三：校正——校正的方法
(4) 复合校正：在反馈控制回路中，加入前馈校正通路，组 成有机整体。
R(s) + E(s) -
N(s)
Gn (s)
Gr (s)
+-
R(s)
E(s)
C(s)
G1(s)
G2 (s)
-
C(s)
知识点四：校正的控制规律
1、P (Proportional ）控制器 特点：
1、比例控制器实质上是一个放大器。 2、比例控制器只改变信号的增益而不影响其相位；
3、在串联校正中, 加大控制器增益Kp ，提高系统的控制
精度（稳态误差↓）, 但会降低系统的相对稳定性（相位裕 量↓）， 甚至可能造成闭环系统不稳定。 因此，在系统校正设计中, 很少单独使用比例控制规律。
优点 缺点
输出不失真，不延迟，成比 例地复现输入信号的变化。 偏差存在。
成比例放大的不仅有输入信号， 还有偏差信号。
知识点四：校正的控制规律
1、P (Proportional ）控制器
y(t) K pe(t)
Y(S ) G(S ) E(S ) K p
微分方程 传递函数
r(t)
e(t)
m(t)
2、KP越大，比例控制作用变大，但振荡。
3、Ti越小，积分作用增强，消除余差作用增强，但延迟作用增强，稳定性降低。
4、Td越大，微分作用越强，减小系统反应时间，但过大会振荡。
Amplitude
Step Response 1.6
1.4
1.2
有PID
1
0.8
0.6
无PID
0.4
0.2
0
0
5
10
15
20
知识点四：校正的控制规律
2、I (Integral）控制器
y(t) 1
Ti
Kp
t
e(t )dt
0
Y(S) 1
G(S)
E(S) TiS
Ti积分时间
R(s)
-
E(s) Ki s
C(s)
I控制器
M (s)
微分方程 传递函数
示意图
复习：比例环节
Ti=1的simulink模型图
Ti=1/2的simulink模型图
控制器 原系统
设计出满足这个控制 规律的控制器
控制对象
原系统
校正装置
校正系统
第六章 线性系统的校正方法
定格到第一章
知识点一：自动控制系统的结构框图
第六章 线性系统的校正方法
定格到第二、 三、五章
知识点二：性能指标（时域、频域）
1. 时域指标
➢ 稳态指标
“准”
稳态误差ess ➢动态指标
“快”
“稳”
低频段的增益充分大，满足稳态精度的要求； 中频段的幅频特性的斜率为-20dB/dec，并具有 较宽的频带，这一要求是为了系统具有满意的动 态性能； 高频段要求幅值迅速衰减，以较少噪声的影响。
上升时间tr 、调节时间ts 、峰值时间tp、超调量σ％ 、
第六章 线性系统的校正方法
定格到第二、 三、五章
知识点二：性能指标（时域、频域）
2. 频域指标
“快”
“稳”
➢ 开环频域指标，包括截止频率ωc、 相位裕度γ和 幅值裕度h。
➢ 闭环频域指标，包括闭环谐振峰值Mr、 谐振频 率ωr和带宽频率ωb。
前溃校正装置分两种情况：
其一，接在系统给定值之后及主反馈作用点之前的前向
通道上，如图 (a)；
R(s) Gc (s)
E(s)
C(s)
G(s)
H (s)
(a) 前馈校正（对给定值处理）
第六章 线性系统的校正方法
知识点三：校正——校正的方法
其二，接在系统可测扰动作用点与误差测量点之间，如图(b) 。
Gc (s)
第六章 线性系统的校正方法
传递函数
系统建立 数学模型
微分方程 +
动态结构图
频率特性 差分方程
系统
控制系统的 性能分析
控制系统的 误差分析
稳、快、准
时域分析 根轨迹分析法
改善系统整 体性能
频域分析
系统校正
《自动控制原理》课程体系结构
自动控制系统 的概念、分类
建立数学模型
分析该模型 （时域、频域）
系统的设计和 校正
特点：
1、PI控制使系统的型别加 Ⅰ度，稳态误差减小，准 确性提高； 2、积分作用的强弱取决于 积分时间常数，Ti越大， 积分作用越弱； 3、同时使相角裕量减小， 系统的稳定程度下降。
PI控制器伯德图
L(ω)/dB
-20dB/dec
0
1
τ Φ(ω)
1
20lgK
ω
0
ω
例：设比例-积分控制系统如下图所示, 试分析PI控制器对系 统稳态性能的改善作用。
φ0(ω)
φ (ω)
γ
γ'
ω
相例频控特制性器曲. 线不变 -180
G穿0越(s)频曲率线↑如，图相位裕量↓，稳态误差↓。
KP<1:对系统性能有着相反的影响。
结论： 随着Kp值的增加，系统的响应速度加快，但系统的超
调量也随之增加，调节时间也随之增长，当Kp增大到一定 值，系统不稳定。
详见附件：探究PID控制器对控制系统的影响—XQ
Ti=1的波形图
Ti=1/2的波形图
特点： Ti=1的波形图
Ti=1/2的波形图
1、只要有偏差信号存在，若系统有积分环节，就会有输出， 则一直处于动态过程，系统就不会稳定。 2、Ti越大，积分作用变弱，Ti越小，积分作用变强。
知识点四：校正的控制规律
2、I (Integral）控制器
特点：
1、串联校正时, 采用积分控制器可以
知识点四：校正的控制规律
4、PID (Proportional Integral Derivative )控制器
y(t )
K
p
e(t )
1 Ti
t 0
e(t )dt
Td
de(t )
dt
微分方程
G(S )
特点：
Y(S E(S
) )
K
p (1
1 TiS
TdS)
传递函数
1、KP系数实现阶跃性增加，Ti积分是缓慢变化，Td微分加速系统变化。
P I(Proportional Integral）控制器
TTis3 Tis2 KKpTis KKp 0
其中, 参数T, Ti, K, Kp都是正数。 由劳斯判据可知, 要想使闭环系统稳定，Ti·KKpTi
＞TTi·KKp，所以可调整PI控制器的积分时间常数Ti , 使之大于被控对象的时间常数T，保证闭环系统的稳 定性。
G (s)
(a) 按扰动补偿的复合控制方式 (b) 按输入补偿的复合控制
第六章 线性系统的校正方法
知识点三：校正——校正的方法
校正装置自身有 无放大能力
无源校正装置
自身无放大能力，通常由RC网络组成。
有源校正装置
常由运算放大器和RC网络共同组成。
知识点四：校正的控制规律
PID (Proportional Integral Derivative )
第六章 线性系统的校正方法
知识点一：自动控制系统的结构框图 知识点二：自动控制系统的性能指标（时域、频域） 知识点三：校正——校正的方法 知识点四：校正的控制规律
Байду номын сангаас
第六章 线性系统的校正方法
设计过程
设计一个自动控制系统一般步骤：
根据任务要求， 选定控制对象
性能指标要求，确定 系统的控制规律
系统校正
Kp
- c(t)
示意图
P控制器
1、P (Proportional ）控制器
L(ω)/dB
传递函数为:
40
Gc (s) = Kp 实K施P>P1控: 制律。
20 0
-20
1
L(ω)
Lc(ω)
ωc ω’c
3
ω
L0(ω)
相应G0的(s控)幅制频器特称作
Φ(ω) 0
φc(ω)
P控性制曲器线，上又移叫比 -90
y(t) =
Td
de(t) dt
Td微分时间
Y(s) G(s) = E(s) = TdS
注意：微分控制器是理想状态，不可单独使用。
知识点四：校正的控制规律
3、P I(Proportional Integral）控制器
y(t )
K pe(t)
Kp Ti
t
e(t )dt
0
Y(S )
1
G(S
)
E(S
实际 系统
物理 模型
数学 模型
方法（系统组成 分析、设计）
第六章 线性系统的校正方法
导读
为什么要介绍本章?
初步设计出的系统一般来说是不满足性能指标要求的。一 个很自然的想法就是在已有系统中加入一些参数和结构可以 调整的装置，来改善系统特性。从理论上来讲这是完全可以 的，因为加入了校正装置就改变了系统的传递函数，也就改 变了系统的动态特性。
比例
积分
微分
还记得比例环节、 积分环节、微分环 节的传递函数吗？
复习：比例环节 P (Proportional ）环节
y(t) K pe(t)
Y(S ) G(S ) E(S ) K p
微分方程 传递函数
比例系数KP=2的simulink模型图
复习：比例环节
实验二、典型环 节simulink仿真
知识点五：频率响应的校正
在频域内进行系统校正设计的基本 思路是：通过所加校正装置，改变系统 开环频率特性的形状。
？
在频域内如何表征 系统的性能指标？
知识点五：频率响应的校正
开环频率特性
低频段 中频段 高频段
闭环系统时间响应
稳态性能 动态性能 复杂性和噪声抑制性能
知识点五：频率响应的校正
校正后系统的开环频率特性具有如下特点：
R(s) ＋
E(s) －
Kp(1
＋
1 Ti s
)
K
C(s)
s(Ts 1)
解： 接入PI控制器后, 系统的开环传递函数为
G(s)
KK p (Ti s 1) Ti s2(Ts 1)
系统由原来的Ⅰ型系统提高到了Ⅱ型系统。若系统的输入
信号为单位斜坡函数, 则无PI控制器时, 系统的稳态误差为1/K; 接入PI控制器后, 稳态误差为零。表明Ⅰ型系统采用PI控制器后, 可以消除系统对斜坡输入信号的稳态误差, 控制精度大为改善。 采用PI控制器后, 系统的特征方程为
2、提供了两个负实零点，动态性
PID控制器
能比PI更具优越性；
3、通常，使积分发生在低频段，以提高系统的稳态性能；
4、使微分部分发生在高频段，以改善系统的动态性能。
因此，在工业过程控制系统中, 广泛使用PID控制器。
知识点四：校正的控制规律
PID (Proportional Integral Derivative )控制器
其一部分构成局部反馈回路, 并在局部反馈回路内设置校正装
置，这种校正方式称为反馈校正或并联校正。
R(s)
E(s)
Gc((ss))
R(s)
E(s)
C(s)
Go (s)
C(s)
Go (s)
Gc (s)
H (s)
H (s)
串联校正
反馈校正
第六章 线性系统的校正方法
知识点三：校正——校正的方法
(3) 前馈校正：又称顺馈校正，是在系统主反馈回路之外采 用的校正方式。
第六章 线性系统的校正方法
知识点三：校正——校正的方法
校正装置在系统 中的连接方式
串联校正 反馈校正 前馈校正 复合校正
第六章 线性系统的校正方法
知识点三：校正——校正的方法
(1) 串联校正：一般接在系统误差测量点之后和放大器之前， 串联接于系统前向通道之中。
(2) 反馈校正：从系统原有部分引出反馈信号, 与原有部分或