PID各作用比较2PID调节器分类PID控制课件

暑期竞赛培训

内容：PID控制方法

授课人：王冰时间：2016年7月暑期竞赛培训

内容：PID控制方法授课人：王冰授课内容PID控制介绍

P、I、D的作用

PID参数整定方法

新型PID介绍授课内容PID控制介绍1、PID控制介绍PID的中英文含义（Proportion-Integration-Differentiation)至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%。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。

PID在闭环系统中的位置为什么选用PID1、PID控制介绍PID的中英文含义（Proportion-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。仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业PID调节器有所不同，各个参数之间相互隔离，互不影响，因而用其观察调节规律十分方便。根据经验进行在线整定。由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正而更加完善。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PID三作用调节器PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。偏差e(t)=测量值（PV）-设定值（SV）可调参数：比例度δ（P）、积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）

PID三作用调节器PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、PID的最新发展数字PID控制自适应PID控制专家PID控制模糊PID控制神经网络PID控制预测PID控制基于遗传算法的PID控制PID的最新发展数字PID控制2.1示意图2P、I、D的作用2.1示意图2P、I、D的作用2.1.1比例（P）控制比例(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。比例度减小稳态误差减少2P、I、D的作用2.1.1比例（P）控制比例(P)控制比例度减小2P、I2.1.2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。2.1.2积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误2.1.3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。2.1.3微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。而增加“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。

在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大

在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可灵活的改变其结构，取其中一部分环构成控制规律。例如，P调节器、PI调节器、PD调节器、PID调节器等。在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可2.1.4PI调节器及其控制规律PI调节器的传递函数令则2.1.4PI调节器及其控制规律PI调节器的传递函数令则可见：引入PI调节器后，闭环系统由原来的Ⅰ型系统变成了Ⅱ型系统，对改善系统的稳态特性是有好处的。另一方面由于系统的阶次提高，系统的稳定性下降了。如果Kp、KI选择不当，很可能会造成不稳定。可见：引入PI调节器后，闭环系统由原来的Ⅰ型

2.1.5PD调节器及其控制规律调节器的运动方程：式中：KD=KpTD——微分调节器比例系数；TD——微分时间常数。传递函数：2.1.5PD调节器及其控制规律调节器的运动方程：为了说明调节器的物理意义，以二阶系统为例：系统的开环传递函数：以上分析可知：PD调节器的引入，相当于给原系统的开环传递函数增加了一个s=－Kp/KD的零点，为了说明调节器的物理意义，以二阶系统为例：由以上分析可知：微分控制是一种“预见”型的控制。它测出e(t)的瞬时变化率，作为一个有效早期修正信号，在超调量出现前会产生一种校正作用。如果系统的偏差信号变化缓慢或是常数，偏差的导数就很小或者为零，这时微分控制也就失去了意义。

注意：模拟PD调节器的微分环节是一个高通滤波器，会使系统的噪声放大，抗干扰能力下降，在实际使用中须加以注意解决。由以上分析可知：PID各作用比较PID各作用比较2.2PID调节器分类PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。偏差e(t)=测量值（PV）-设定值（SV）可调参数：比例度δ（P）、积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）

2.2PID调节器分类PID控制：对偏差信号e(t)进2.2.1模拟的PID调节器

PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成控制偏差

e=w–y并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，所以简称为PID调节器。

2.2.1模拟的PID调节器示意图示意图1）比例调节器比例调节器是最简单的一种调节器，其控制规律为

u=Ke+u0式中，K为比例系数，u0为控制量的基准，也就是e=0时的控制作用（阀门起始开度基准电平信号等）。下图显示了比例调节器对于偏差阶跃变化的时间响应。比例调节器对于偏差e是即时反应的，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决与比例系数K。比例调节器虽然简单快速，但控制对象存在静差。加大比例系数K可以减小静差，但当K过大时，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。1）比例调节器比例调节器对于偏差e是即时反应的，偏差一旦产生2）比例积分调节器为了消除在比例调节中残存的静差，可在比例调节的基础上加积分调节，形成比例积分调节器，其控制规律为

u=K(e+1/Ti∫edi)+u0从图可看出PI调节器对于偏差的阶跃响应除按比例变化的成分外，还带有累积的成分。只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。因此，积分环节的加入将有助于消除系统的静差。2）比例积分调节器从图可看出PI调节器对于偏差的阶跃响应除按3）比例积分微分调节器积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但花出的代价是降低了响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差量做出即时反应（即比例调节作用），而且对偏差量的变化作出反应，或者说按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭与萌芽状态之中。微分作用对偏差的任何变化都产生一控制作用，以调整系统输出，阻止偏差的变化越快，反馈校正量则越大。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。为了达到之一目的,可以在上述PI调节器的基础上再加入微分调节以得到PID调节器的如下控制规律3）比例积分微分调节器在工业过程控制中，模拟PID调节器有电动、气动、液压等多种类型。这类模拟调节仪表是用硬件来实现PID调节规律的。自从计算机进入控制领域以来，用计算机软件（包括PLC的指令）来实现PID调节算法不但成为可能，而且具有更大的灵活性。在工业过程控制中，模拟PID调节器有电动、气动、液压等多种类2.2.2数字PID控制算法

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此积分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻t=iT(T为采样周期)，所表示的PID调节规律可通过数值公式ui=K(ei+T/Ti∑ej+Td/T（ei-ei-1）)+u0近似计算。如果采样周期T取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续控制过程身份接近，把这种情况称为“准连续控制”。2.2.2数字PID控制算法由于计算机控PID各作用比较2PID调节器分类PID控制课件谢谢谢谢暑期竞赛培训

内容：PID控制方法

授课人：王冰时间：2016年7月暑期竞赛培训

内容：PID控制方法授课人：王冰授课内容PID控制介绍

P、I、D的作用

PID参数整定方法

新型PID介绍授课内容PID控制介绍1、PID控制介绍PID的中英文含义（Proportion-Integration-Differentiation)至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%。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。

PID在闭环系统中的位置为什么选用PID1、PID控制介绍PID的中英文含义（Proportion-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。仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业PID调节器有所不同，各个参数之间相互隔离，互不影响，因而用其观察调节规律十分方便。根据经验进行在线整定。由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正而更加完善。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PID三作用调节器PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。偏差e(t)=测量值（PV）-设定值（SV）可调参数：比例度δ（P）、积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）

PID三作用调节器PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、PID的最新发展数字PID控制自适应PID控制专家PID控制模糊PID控制神经网络PID控制预测PID控制基于遗传算法的PID控制PID的最新发展数字PID控制2.1示意图2P、I、D的作用2.1示意图2P、I、D的作用2.1.1比例（P）控制比例(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。比例度减小稳态误差减少2P、I、D的作用2.1.1比例（P）控制比例(P)控制比例度减小2P、I2.1.2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。2.1.2积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误2.1.3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。2.1.3微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。而增加“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。

在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大

在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可灵活的改变其结构，取其中一部分环构成控制规律。例如，P调节器、PI调节器、PD调节器、PID调节器等。在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可2.1.4PI调节器及其控制规律PI调节器的传递函数令则2.1.4PI调节器及其控制规律PI调节器的传递函数令则可见：引入PI调节器后，闭环系统由原来的Ⅰ型系统变成了Ⅱ型系统，对改善系统的稳态特性是有好处的。另一方面由于系统的阶次提高，系统的稳定性下降了。如果Kp、KI选择不当，很可能会造成不稳定。可见：引入PI调节器后，闭环系统由原来的Ⅰ型

2.1.5PD调节器及其控制规律调节器的运动方程：式中：KD=KpTD——微分调节器比例系数；TD——微分时间常数。传递函数：2.1.5PD调节器及其控制规律调节器的运动方程：为了说明调节器的物理意义，以二阶系统为例：系统的开环传递函数：以上分析可知：PD调节器的引入，相当于给原系统的开环传递函数增加了一个s=－Kp/KD的零点，为了说明调节器的物理意义，以二阶系统为例：由以上分析可知：微分控制是一种“预见”型的控制。它测出e(t)的瞬时变化率，作为一个有效早期修正信号，在超调量出现前会产生一种校正作用。如果系统的偏差信号变化缓慢或是常数，偏差的导数就很小或者为零，这时微分控制也就失去了意义。

注意：模拟PD调节器的微分环节是一个高通滤波器，会使系统的噪声放大，抗干扰能力下降，在实际使用中须加以注意解决。由以上分析可知：PID各作用比较PID各作用比较2.2PID调节器分类PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。偏差e(t)=测量值（PV）-设定值（SV）可调参数：比例度δ（P）、积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）

2.2PID调节器分类PID控制：对偏差信号e(t)进2.2.1模拟的PID调节器

PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成控制偏差

e=w–y并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，所以简称为PID调节器。

2.2.1模拟的PID调节器示意图示意图1）比例调节器比例调节器是最简单的一种调节器，其控制规律为

u=Ke+u0式中，K为比例系数，u0为控制量的基准，也就是e=0时的控制作用（阀门起始开度基准电平信号等）。下图显示了比例调节器对于偏差阶跃变化的时间响应。比例调节器对于偏差e是即时反应的，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决与比例系数K。比例调节器虽然简单快速，但控制对象存在静差。加大比例系数K可以减小静差，但当K过大时，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。1）比例调节器比例调节器对于偏差e是即时反应的，偏差一旦产生2）比例积分调节器为了消除在比例调节中残存的静差，可在比例调节的基础上加积分调节，形成比例积分调节器，其控制规律为

u=K(e+1/Ti∫edi)+u0从图可看出PI调节器对于偏差的阶跃响应除按比例变化的成分外，还带有累积的成分。只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。因此，积分环