第二章 比例积分微分控制及其调节过程
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反馈控制系统的组成：
反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成，它包括：
① 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入 量 ② 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入值
进行比较，求出它们之间的偏差．常用的比较元件有：差动放大器， 机械差动装置，电桥电路等．
5
③ 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行机构 去控制被控对象．对于电压偏差信号，可用晶体管，集成电路，晶闸 管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大．
u Q y (不能达到平衡)
e yr y
u Q y (可以达到平衡)
y↑,u↓, 为反作用方式
2) 冷却过程 条件： u↑ μ↑Q(冷气)↑y↓
u Q y (可以达到平衡)
e yr y
u Q y (不能达到平衡)
PID控制器是控制系统中技术比较成熟, 而且应用最广泛的一种控制器. 它的结构简单, 参数容易调整, 不一定需要系统确切的数学模型, 因此 在工业的各个领域中都有应用.
PID控制器最先出现在模拟控制系统中.传统的模拟PID控制器是通过硬 件(电子元件,气动和液压元件)来实现它的功能. 在电子电路中就可以 通过将比例电路，积分电路以及微分电路进行求和得到PID控制电路．
y↑,u↑, 为正作用方式
11
调节器的正反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定．当控制系统包 含多个串联环节时，要组成负反馈，要求闭合回路上所有环节(包括调节 器的运算部分在内)的增益的乘积为正数．
调节阀 被控过程
r
e
u
μ
y
Kc
Kv
Kp
－
＋
＋
ym
Km 测量变送器
＋ 根据控制系统方框图确定调节器正反作用
4
微分环节：作用是阻止偏差的变化．它是根据偏差的变化趋势(变化速度) 进行控制的．偏差变化得越快，微分环节的输出就越大，并能在偏差值变 大之前进行修正． PID控制中三个环节分别是对偏差的现在，过去和将来进行控制．它通过以 不同的比重将Fra Baidu bibliotek例，积分和微分三个控制环节叠加起来对被控对象进行控 制，以满足不同的性能要求．
Kc---调节器运算部分的增益 此处的偏差为: e=r-ym, 与仪表制造业中相差一个符号．在上图中， Kv, K, Km都是正数，因此负反馈要求Kc为正。
Kc为负号: 调节器正作用方式 Kc为正号: 调节器反作用方式
益为＋: y↑u↑, 增益为+
反作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而减小，调节器增
益为－: y↑u↓, 增益为-
D Gd(s)
调节器
被控过程
r
e
Gc(s) u
Gp(s)
y
－
生成过程简单控制系统方框图
8
•设置的目的：保证控制系统成为负反馈。 •负反馈准则：控制系统开环总增益为正 •开环总增益：各组成环节的增益之积 •环节的增益：当环节输入增加时，其输出增加则为+
当环节输入增加时，其输出减小则为-
9
常见环节的增益的符号的确定
增益K为输出输入增量之比:
1) 控制阀:
K y x
◆气开式: K为正 (常关式) ◆气关式: K为负 (常开式) 2) 被控对象:
调节量↑, 被调量↑, K为正 调节量↑, 被调量↓, K为负
3) 检测环节: 增益一般为正
10
调节器正反作用方式的选择方法: 1) 加热过程 条件： u↑ μ↑Q(热气)↑y↑
④ 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达等．
⑤ 校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串 联
或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能．
正反馈和负反馈
自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果) 的联系. 使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便 达到预定的系统功能. 根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反 馈(positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。
r
e
y
控制器
－ ym
检测单元
r
e
y
控制器
+ ym
检测单元
负反馈
正反馈
仪表制造业中偏差：e=ym-r
7
正作用，反作用方式：
为了适应不同被控对象实现负反馈的需要，工业调节器都设置有正，反作 用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式
正作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而增大，调节器增
模拟PID控制系统原理图
3
PID控制的优点： ① 原理简单，使用方便 ② 适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式 ③ 鲁棒性强，其控制品质对被控对象的特性的变化不太敏感．
在PID控制系统中,比例, 积分,微分三个环节起着不同的作用: 比例环节:对偏差瞬间作出快速反映.偏差一旦产生,控制器立即产生控制 作用,使控制量向减少偏差的方向变化. 比例控制作用的强弱起决于比例 系数. 积分环节:把偏差的积累作为输出.在控制过程中,只要有偏差存在,积分 环节的输出就会不断变化. 直到偏差e(t)=0, 输出量u(t)才可能维持在 某一常量，使系统在给定值r不变的条件下趋于稳态．
第二章 比例积分微分控制及其调节过 程
重点：
掌握调节器的正反作用方式的确定 掌握PID调节的动作规律和特点 了解PID控制规律的选取原则; 了解积分饱和现象及防积分饱和措施
2
2.1 基本概念
PID控制:比例(proportion),积分(integration ),微分 (differentiation )控制的简称，是一种负反馈控制.
6
负反馈：引入负反馈后使净输入量变小. 它主要是通过输入,输出之间的 差值作用于控制系统. 这个差值就反映了要求的输出和实际的输出之间 的差别.控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形 成的系统,控制精度高,系统运行稳定.
正反馈：引入正反馈后使净输入量变大．在自动控制系统中主要是用来对 小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反 馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。但是正反馈总是起放大 作用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后会使系统损坏。所以一 般正反馈都与负反馈配合使用．
反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成，它包括：
① 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入 量 ② 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入值
进行比较，求出它们之间的偏差．常用的比较元件有：差动放大器， 机械差动装置，电桥电路等．
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③ 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行机构 去控制被控对象．对于电压偏差信号，可用晶体管，集成电路，晶闸 管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大．
u Q y (不能达到平衡)
e yr y
u Q y (可以达到平衡)
y↑,u↓, 为反作用方式
2) 冷却过程 条件： u↑ μ↑Q(冷气)↑y↓
u Q y (可以达到平衡)
e yr y
u Q y (不能达到平衡)
PID控制器是控制系统中技术比较成熟, 而且应用最广泛的一种控制器. 它的结构简单, 参数容易调整, 不一定需要系统确切的数学模型, 因此 在工业的各个领域中都有应用.
PID控制器最先出现在模拟控制系统中.传统的模拟PID控制器是通过硬 件(电子元件,气动和液压元件)来实现它的功能. 在电子电路中就可以 通过将比例电路，积分电路以及微分电路进行求和得到PID控制电路．
y↑,u↑, 为正作用方式
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调节器的正反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定．当控制系统包 含多个串联环节时，要组成负反馈，要求闭合回路上所有环节(包括调节 器的运算部分在内)的增益的乘积为正数．
调节阀 被控过程
r
e
u
μ
y
Kc
Kv
Kp
－
＋
＋
ym
Km 测量变送器
＋ 根据控制系统方框图确定调节器正反作用
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微分环节：作用是阻止偏差的变化．它是根据偏差的变化趋势(变化速度) 进行控制的．偏差变化得越快，微分环节的输出就越大，并能在偏差值变 大之前进行修正． PID控制中三个环节分别是对偏差的现在，过去和将来进行控制．它通过以 不同的比重将Fra Baidu bibliotek例，积分和微分三个控制环节叠加起来对被控对象进行控 制，以满足不同的性能要求．
Kc---调节器运算部分的增益 此处的偏差为: e=r-ym, 与仪表制造业中相差一个符号．在上图中， Kv, K, Km都是正数，因此负反馈要求Kc为正。
Kc为负号: 调节器正作用方式 Kc为正号: 调节器反作用方式
益为＋: y↑u↑, 增益为+
反作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而减小，调节器增
益为－: y↑u↓, 增益为-
D Gd(s)
调节器
被控过程
r
e
Gc(s) u
Gp(s)
y
－
生成过程简单控制系统方框图
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•设置的目的：保证控制系统成为负反馈。 •负反馈准则：控制系统开环总增益为正 •开环总增益：各组成环节的增益之积 •环节的增益：当环节输入增加时，其输出增加则为+
当环节输入增加时，其输出减小则为-
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常见环节的增益的符号的确定
增益K为输出输入增量之比:
1) 控制阀:
K y x
◆气开式: K为正 (常关式) ◆气关式: K为负 (常开式) 2) 被控对象:
调节量↑, 被调量↑, K为正 调节量↑, 被调量↓, K为负
3) 检测环节: 增益一般为正
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调节器正反作用方式的选择方法: 1) 加热过程 条件： u↑ μ↑Q(热气)↑y↑
④ 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达等．
⑤ 校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串 联
或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能．
正反馈和负反馈
自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果) 的联系. 使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便 达到预定的系统功能. 根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反 馈(positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。
r
e
y
控制器
－ ym
检测单元
r
e
y
控制器
+ ym
检测单元
负反馈
正反馈
仪表制造业中偏差：e=ym-r
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正作用，反作用方式：
为了适应不同被控对象实现负反馈的需要，工业调节器都设置有正，反作 用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式
正作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而增大，调节器增
模拟PID控制系统原理图
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PID控制的优点： ① 原理简单，使用方便 ② 适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式 ③ 鲁棒性强，其控制品质对被控对象的特性的变化不太敏感．
在PID控制系统中,比例, 积分,微分三个环节起着不同的作用: 比例环节:对偏差瞬间作出快速反映.偏差一旦产生,控制器立即产生控制 作用,使控制量向减少偏差的方向变化. 比例控制作用的强弱起决于比例 系数. 积分环节:把偏差的积累作为输出.在控制过程中,只要有偏差存在,积分 环节的输出就会不断变化. 直到偏差e(t)=0, 输出量u(t)才可能维持在 某一常量，使系统在给定值r不变的条件下趋于稳态．
第二章 比例积分微分控制及其调节过 程
重点：
掌握调节器的正反作用方式的确定 掌握PID调节的动作规律和特点 了解PID控制规律的选取原则; 了解积分饱和现象及防积分饱和措施
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2.1 基本概念
PID控制:比例(proportion),积分(integration ),微分 (differentiation )控制的简称，是一种负反馈控制.
6
负反馈：引入负反馈后使净输入量变小. 它主要是通过输入,输出之间的 差值作用于控制系统. 这个差值就反映了要求的输出和实际的输出之间 的差别.控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形 成的系统,控制精度高,系统运行稳定.
正反馈：引入正反馈后使净输入量变大．在自动控制系统中主要是用来对 小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反 馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。但是正反馈总是起放大 作用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后会使系统损坏。所以一 般正反馈都与负反馈配合使用．