PID的工作原理及应用

1、PID工作原理及应用课题名称:PID工作原理及应用学院:电气信息工程学院专业:自动化班级:11-1 班学号0 9姓名:李 洁摘要: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。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

2、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。比例(P)控制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 erro)积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这 个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Erro)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 积分项”积分项对误

3、差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着 时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减 小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入 稳态后无稳态误差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差 的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节) 或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差 的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前”即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器

4、中仅引 入 比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而 目前需要增加的是 微分项”它能预测误差变化的趋势，这样，具 有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零， 甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞 后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动 态特性。模拟PID调节器一、模拟PID控制系统组成图5 1 4模拟PID控制系统原理框图、模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、 积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控

5、制。1、PID调节器的微分方程u(t)二心 e(t) ；e(t)dt Td 竽式中 e(t) = r(t) _c(t)2、PID调节器的传输函数D(S)=U(S)E(S)*卩亠TdS】1 TiS一三、PID调节器各校正环节的作用1、 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，调节 器立即产生控制作用以减小偏差。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：能反应偏差信号的变化趋势 (变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的

6、动作速度，减小调节时间。数字PID控制器、模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式e(t) =r(t) -c(t)e(n) = r( n) c( n)de(t) dTe(n) - e(n 1)tt(e(t)dtnn迟 e(i)T =T迟 e(i)i=0i=0、数字PID控制器的差分方程e(n) - e(n -1) 1 Uou(n) =KPe(n) +送 e(i)Ti y= Up( n) U|( n) Ud( n) Uo式中 uP(n)二KPe(n)称为比例项Ui(n)二心尸 e(i)T| i =0称为积分项u d (n) =KpTdle(n) e(n _1)称为微分项三、常用的控制方式、P

7、控制u(n)十(n) Uo2、PI控制u(n)二Up(n) Ui (n) Uo3、PD控制u(n)= UP(n) Ud( n) Uo4、PID控制u(n)二 Up (n) Ui (n) Ud(n) u四、1PID算法的两种类型、位置型控制一一例如图5- 1-5调节阀控制u(n) = Kpe(n) +丄迟 e +半 (n) e(n -1)T| i _oUo、增量型控制例如图5- 1-6步进电机控制u(n)二u(n) -u(n -1)=Kp n) e(n -1)丨 Kp e(n) Kp Td b(n) 2e(n 一1) e(n 一 2) 1T|T图5-1-5数字PID位苴型控制示意图圏5-1-6数

8、字PID増量型控制示意圏【例1】设有一温度控制系统，温度测量范围是0600C,温度采用PID控制，控制指标为450 2C。已知比例系数 KP =4,积分时间TI = 60s，微分时间TD =5S，采样周期T =5s。当测量值 c(n) =448 , c(n -1) =449 , c(n - 2 442 时，计算增量输出 ：u(n)。若u(n -1) =1860，计算第n次阀位输出u(n)。解：将题中给出的参数代入有关公式计算得Ki =Kp T =45,Kd 二 Kp1= 415 =12,Ti603T5由题知，给定值r =450，将题中给出的测量值代入公式(5 1-4)计算得e(n) = r -

9、c(n) =450 - 448 =2e(n -1) = r -c(n -1) = 450 -449 二 1 e(n -2) =r -c(n -2) =450 -452 一2代入公式(5 1 - 16)计算得：u( n) =4 (2-1) 1 2 12 2-2 1 (-2)匚 一19代入公式(5 1 19)计算得u(n) =u(n -1)：u(n) =1860(-19) ： 1841PID算法的程序流程、增量型PID算法的程序流程1、增量型PID算法的算式二 u(n)二 a0e(n) a1e(n _1) a2e(n _ 2)式中 a 二心(1 TTD),Ti T2Tt2、增量型PID算法的程序流

10、程一一图5 1 7 (程序清单见教材)印=-Kp(1 卡),a? =-Kp 扌返冋位置型PID算法的程序流程増重型PID算法的程序流程二、位置型PID算法的程序流程1 、位置型的递推形式u(n) = u(n-1) u(n) =u(n T) a0e(n)a1e(1) a2e(n-2)2 、位置型PID算法的程序流程一一图5 1 9只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算 u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。三、对控制量的限制1 、控制算法总是受到一定运算字长的限制2、执行机构的实际位置不允许超过上(或下)极限UminU(n )Zminu(n) = 7( n)U m

11、in U u(n)V UmaxiUmaxu(n) A Umax标准PID算法的改进微分项的改进一、不完全微分型 PID控制算法1、不完全微分型PID算法传递函数Gc(S) =Kp 1 +ti S *TdS+1Td S+1 PH上限值）时，则上限报警状态（PHA）为“ 1”；当PVPL下限值）时，则下限报警状态（PLA）为“ 1”。为了不使PHA/PLA的状态频率改变，可以设置一定的报警死区（HY）。2 、被控量变化率限制变化率的选取要适中偏差处理图5-4-4偏差处理、计算偏差根据正/反作用方式（D/R）计算偏差DV、偏差报警一一偏差过大时报警DLA为“1”、输入补偿一一根据输入补偿方式ICM的

12、四种状态，决定偏差输出 CDV、非线性特性45*-A+A当K=0时.贝！I为帶死区的FID控制 当（KK1时,则为非线性PID控制;当K=1时，则为正常的FIE控制。图5 -4 5非线性特性控制算法的实现图5-4-6 PID 计算当软开关DV/PV切向DV位置时，则选用偏差微分方式；当软开关DV/PV切向PV位置时，则选用测量（即被控量）微分方式。控制量处理图5-4-7控制量处理、输出补偿一一根据输出补偿方式OCM的四种状态，决定控制量输出 UC二、 变化率限制一一控制量的变化率MR的选取要适中三、 输出保持通过选择软开关FH/N H选择当软开关FH/NH切向NH位置时，输出控制量保持不变；当

13、软开关FH/NH切向FH位置时，又恢复正常输出方式。四、安全输出当软开关FS/NS切向NS位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量MS当软开关FS/NS切向FS位置时，又恢复正常输出方式。自动/手动切换在正常运行时，系统处于自动状态；而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态。图5-4-8为自动/手动切换处理框图。一、软自动/软手动当软开关SA/SM切向SA位置时，系统处于正常的自动状态，称为软自动(SA);当软开关SA/SM切向SM位置时，控制量来自操作键盘或上位计算机，称为软手动(SM)。一般在调试阶段，采用软手动(SM)方式。二、 控制量限幅对控制量MV进行上、下限限处理，使得M岸MVC ML.三、自动/手动当开关处于HA位置时，控制量 MV通过D/A输出，称为自动状态(HA)状态)；当开关处于HM位置时，手动操作器对执行机构进行操作，称为手动状态(HM状态)。四、无平衡无扰动切换1、无平衡无扰切换的要求在进行