PID控制原理與參數(shù)整定方法.doc

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1、PID控制原理與參數(shù)整定方法一、概述PID是比例-積分-微分控制的簡稱，也是一種控制算法，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)改變靈活、技術(shù)成熟、適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)而言，由于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用控制理論綜合分析要耗費(fèi)很大的代價(jià)，卻不能得到預(yù)期的效果，所以人們往往采用PID調(diào)節(jié)器，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在線整定參數(shù)，以便得到滿意的控制效果。隨著計(jì)算機(jī)特別是微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PID控制算法已能用微機(jī)簡單實(shí)現(xiàn)，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正而更加完善。我們陽江基地有數(shù)以千計(jì)的采用PID

2、控制的調(diào)節(jié)器，用于溫度控制、壓力控制、流量控制，在塑杯及灌裝生產(chǎn)過程中，發(fā)揮著重要的作用。因此，學(xué)習(xí)PID控制的基本原理，合理的設(shè)計(jì)PID控制系統(tǒng)，用好、維護(hù)好這些調(diào)節(jié)器，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，節(jié)約能源具有十分重要的意義。本課程從系統(tǒng)的角度，采用多種分析方法，詳細(xì)講解經(jīng)典PID控制的基本原理和PID參數(shù)的整定方法，簡介現(xiàn)代數(shù)字PID控制思想，希望對(duì)大家使用PID調(diào)節(jié)器有所幫助。二、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)和特性一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)可以用靜態(tài)品質(zhì)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)來衡量。所謂靜態(tài)品質(zhì)就是系統(tǒng)穩(wěn)定后，被控參數(shù)與給定值

3、間的差值的大小。偏差愈大則靜差愈大，靜差愈小靜態(tài)品質(zhì)愈好。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后或整定在一個(gè)新值時(shí)需要在較短時(shí)間內(nèi)過渡到穩(wěn)定，不發(fā)生振蕩和發(fā)散，這便是衡量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)。一個(gè)好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該二個(gè)品質(zhì)都好。但動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)往往是相互矛盾的，要靜差小，系統(tǒng)的放大倍數(shù)就要大，系統(tǒng)放大倍數(shù)愈大則系統(tǒng)愈不穩(wěn)定，即動(dòng)態(tài)品質(zhì)不好。圖1-1收斂型1圖1-2收斂型2圖1-3發(fā)散型落圖1-4振蕩型圖1-1至1-4是幾種典型的控制曲線，只有圖1-1表示動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)都好。一般的調(diào)節(jié)系統(tǒng)都具有慣性和滯后兩種特性，只是大小不同而已。這

4、兩個(gè)特性應(yīng)從控制對(duì)象，控制作用這兩個(gè)方面去理解。弄懂以上關(guān)于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的幾個(gè)基本概念，對(duì)于理解PID控制的原理有很大的幫助。三、PID控制的基本原理PID控制是按偏差信號(hào)的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制，數(shù)字PID控制是計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)連續(xù)PID控制功能的一種算法。模擬或數(shù)字控制，按控制作用的形式分為以下幾種。1、比例控制作用（簡記P），它是指控制器的輸出與輸入偏差（也即誤差）信號(hào)成比例，比例控制的算法為：u(t)=Kpe(t)式中e(t)-偏差信號(hào)；u(t)-控制器輸出信號(hào)；Kp-比例增益。

5、比例控制器實(shí)際上是一個(gè)可調(diào)增益的放大器，比例控制能迅速反映誤差，從而減小誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，比例系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。例如會(huì)出現(xiàn)圖1-4所示振動(dòng)等。這就是說，比例控制不能處理好動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)這一矛盾。在比例控制的基礎(chǔ)上，引入積分控制作用，可以解決這一矛盾。2、積分控制作用（簡記I）積分控制作用的算法如下：u(t)=K1∫e(t)dt式中K1為積分增益。當(dāng)有偏差信號(hào)e(t)時(shí)，則控制的輸出將不斷增加，直到偏差信號(hào)為零，積分控制作用可以消除靜差，但它有滯后現(xiàn)象，會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量加大，甚至使系統(tǒng)

6、出現(xiàn)振蕩，必須與比例環(huán)節(jié)同時(shí)使用。圖2-1所示，是一個(gè)滯后時(shí)間短，慣性小的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用PI控制獲得理想控制效果的圖形，為了分析簡單，將圖2-1畫成以偏差信號(hào)表示的圖形，如圖2-2，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，能很快恢復(fù)正常。圖2-1圖2-2圖2-3如圖2-3所示，在圖2-3中，t=t0時(shí)e(t)=0，=0，隨著時(shí)間的增加，的值也不斷增加，直到t1。e(t)=0時(shí)，的值達(dá)到最大。也就是說，在t1時(shí)刻偏差為零，積分控制作用確達(dá)到了最好值。這一點(diǎn)反映了積分控制作用滯后現(xiàn)象，是引起系統(tǒng)超調(diào)量加大的主要原因，對(duì)于那些

7、慣性大，滯后時(shí)間長的控制對(duì)象，PI控制無法獲得理想的控制效果，必須再引入微分控制作用。3、微分控制作用（簡稱D）微分控制算法如下：式中KD為微分增益，微分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號(hào)e(t)的變化率成比例，它只在動(dòng)態(tài)過程中有效，微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。必須與其他控制作用相結(jié)合。用圖解法可以方便地解讀微分控制的作用。仍以一個(gè)理想的控制曲線作為分析對(duì)象，如圖3-1所示。我們知道，定積分在幾何意義上代表曲

8、線e(t)與橫軸之間的面積，如圖中的陰影部分，而代表曲線e(t)的斜率，由此可以畫出積分控制輸出UI和微分控制輸出UD的曲線，在0點(diǎn)時(shí)P、I控制作用為零（在這里為了分析簡單，不考慮穩(wěn)態(tài)時(shí)的PID控制作用）。微分控制作用為最大值，這個(gè)值是由e(t)上升趨勢(shì)決定的。對(duì)于采用反作用控制的溫控系統(tǒng)來說，在0點(diǎn)就大幅減小調(diào)節(jié)器的輸出，即減少加熱時(shí)間，抑制溫度上升的趨勢(shì)。所以微分調(diào)節(jié)有預(yù)調(diào)之稱。隨圖3-1著時(shí)間的變化，PI控制作用逐漸增強(qiáng)，在t1時(shí)刻，P控制作用達(dá)到最大值，微分控