PID控制器及PID参数整定精

? 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平
的一个重要标志。同时 ,控制理论的发展也经历了古典 控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控 制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控 制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输 入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构 ﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器 ﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。不同的控制系 统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。比如 压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的 传感器是温度传感器。
不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有 眼睛,就没有了反馈回路 ,也就成了一个开环控制系 统。另例 ,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续 检查衣物是否洗净 ,并在洗净之后能自动切断电源 , 它就是一个闭环控制系统。
? 一个典型的反馈控制系统基本组成可以用
图1.9 所示方块图表示。将组成系统的元
是系统被控对象的输出 (被控制量)会反送回来影 响控制器的输出 ,形成一个或多个闭环。闭环控制 系统有正反馈和负反馈 ,若反馈信号与系统给定值 信号相反,则称为负反馈 ( Negative Feedback), 若 极性相同,则称为正反馈 ,一般闭环控制系统均采用 负反馈,又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例 子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制 系统,眼睛便是传感器 ,充当反馈,人体系统能通过
动态响应又称瞬态响应或过渡过程，指系统在输入信号 作用下，系统从初始状态到最终状态的响应过程。根据系 统结构和参数选择情况，动态响应表现为衰减、发散或等 幅振荡几种形式。显然，一个实际运行的控制系统，其动 态响应必须是衰减的，也就是说，系统必须是稳定的。动 态响应除提供系统稳定性的信息外，还可以提供响应速度 及阻尼情况等运动信息，这些运动信息用动态性能来描述。
? (6) 校正元件：也叫补偿元件，是结构与参数便于调整的
元件，以串联或反馈的方式联接在系统中，完成所需的运 算功能，以改善系统的性能。
Hale Waihona Puke Baidu
? 线性系统和非线性系统
? 同时满足叠加性与均匀性(又称为齐次性)的
系统称为线性系统。所谓叠加性是指当几
? 个输入信号共同作用于系统时，总的输出
等于每个输入单独作用时产生的输出之和； 均匀性是指当输入信号增大若干倍时，输 出也相应增大同样的倍数。
PID控制器及PID参数整定
授课内容：
? 自动控制原理的一般概念 ? 控制系统的性能指标 ? P、I、D在控制系统中的作用 ? PID参数整定方法
1 自动控制规律的一般概念
? 所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的情况
下，利用控制器使被控对象 (如机器、设备和生产 过程)的某些物理量 (或工作状态 )能自动地按照预 定的规律变化 (或运行)。完成这一过程的所有元 件与装置组成的整体就称为自动控制系统。
1.3控制系统的时域响应及性能指标
任何一个稳定的线性控制系统，在输入信号作用下的 时间响应都由动态响应(或瞬态响应、暂态响应)和稳态响 应两部分组成。动态响应描述了系统的动态性能，而稳态 响应反映了系统的稳态精度。两者都是线性控制系统的重 要性能。因此，在对系统设计时必须同时给予满足。
1.3.1. 动态响应
件按在系统中的职能来划分，主要有以下 几种。
? (1) 给定元件：给出与期望输出对应的输入量。 ? (2) 比较元件：求输入量与反馈量的偏差，常采用集成运
放来实现。
? (3) 放大元件：由于偏差信号一般都较小，不足以驱动负
载，故需要放大元件，包括电压放大及功率放大。
? (4) 执行元件：直接推动被控对象，使输出量发生变化。
? 现代数字计算机的迅速发展，为自动控制技术的应用开辟
了广阔的前景。使它不仅大量应用于空间技术、科技、工 业、交通管理、环境卫生等领域，而且它的概念和分析问 题的方法也向其他领域渗透。例如政治、经济、教学等领 域中的各种体系；人体的各种功能；自然界中的各种生物 学系统，都可视为是一种控制系统。自动控制系统的广泛 应用不仅能使生产设备或过程实现自动化，极大地提高了 劳动生产率和产品的质量，改善了劳动条件。
? 对于线性连续控制系统，可以用线性常系
数的微分方程来表示。
不满足叠加性与均匀性的系统即为非线性控制 系统。显然，系统中只要有一个元件的特性是非 线性的，该系统即为非线性的控制系统。其特性 要用非线性的微分或差分方程来描述。这类方程 的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量 及其导数的高次幂或乘积项。严格来说，实际中 不存在线性系统，因为实际的物理系统总是具有 不同程度的非线性，例如放大器的饱和特性、齿 轮的间隙、电机的死区及摩擦特性等。非线性控 制系统的研究目前还没有统一的方法。但对于非 线性程度不太严重的系统，可在一定范围内将其 近似为线性系统。
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? 自动控制是一门理论性很强的科学技术，一
般泛称为“自动控制技术”。把实现自动控 制所需的各个部件按一定的规律组合起来， 去控制被控对象，这个组合体叫做“控制系 统”。分析与综合控制系统的理论称之为 “控制理论”。
? 自动控制系统的种类较多，被控制的物理量
有各种各样，如温度、压力、流量、电压、 转速、位移和力等。组成这些控制系统的元、 部件虽然有较大的差异，但是系统的基本结 构却相类同，且一般都是通过机械、电气、 液压等方法代替人工控制。
常用的有电动机、阀、液压马达等。
? (5) 测量元件：检测被控的物理量并转换为所需要的信号。
在控制系统中常用的有用于速度检测的测速发电机、光电 编码盘等，用于位置与角度检测的旋转变压器、自整机等， 用于电流检测的互感器及用于温度检测的热电偶等。这些 检测装置一般都将被检测的物理量转换为相应的连续或离 散的电压信号。
? 1.1、开环控制系统 ? 开环控制系统(open-loop control system)是
指被控对象的输出(被控制量)对控制器 (controller)的输出没有影响。在这种控制系 统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何 闭环回路。
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? 1.2、闭环控制系统
? 闭环控制系统 (closed-loop control system) 的特点