PID控制经典PPT.ppt

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1,第4章PID控制原理,目录4.lPID控制的特点4.2比例控制（P控制）4.3比例积分控制（PI控制）4.4比例积分微分控制（PID控制）4.5数字PID控制4.6利用MATLAB实现PID控制规律本章小结,2,4.lPID控制的特点,PID控制是比例积分微分控制（Proportional-Integral-Differential）历史最久、应用最广，适应性最强的控制方式在工业生产过程中，PID控制算法占85%90%,3,反馈控制根据误差进行的控制,给定（目标）,输出（控制结果）,4.lPID控制的特点,4,反馈控制,PID,4.lPID控制的特点,5,常规PID控制系统的原理输入：

控制偏差e（t）=r（t）-y（t）输出：

偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）的线性组合,式中Kc比例系数TI积分时间常数TD微分时间常数,4.lPID控制的特点,6,PID控制具有以下优点：

原理简单，使用方便。

适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。

鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

对模型依赖少。

按PID控制进行工作的自动调节器早已商品化。

4.lPID控制的特点,7,在过程控制中，绝大部分都采用PID控制。

例外的情况有两种。

一种是被控对象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更简单的开关控制方式。

另一种是被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况，这时如果PID控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控制方法。

4.lPID控制的特点,8,4.2比例调节（P调节）,4.2.1比例控制的调节规律和比例带4.2.2比例控制的特点4.2.3比例带对控制过程的影响,9,4.2.1比例控制的调节规律和比例带,在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即uKce式中，Kc称为比例增益（视情况可设置为正或负）。

10,在实际应用中，由于执行器的运动（如阀门开度）有限，控制器的输出u（t）也就被限制在一定的范围之内，换句话说，在Kc较大时，偏差e（t）仅在一定的范围内与控制器的输出保持线性关系。

4.2.1比例控制的调节规律和比例带,11,图4-1说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围图中偏差在-50%-50%范围变化时，如果Kc=1，则控制器输出u（t）变化在0100%范围（对应阀门的全关到全开），并与输入e（t）之间保持线性关系。

Kc1时，制器输出u（t）与输入e（t）之间的线性关系只在-50%/Kc50%/Kc满足。

4.2.1比例控制的调节规律和比例带,12,当|e（t）|超出该范围时，控制器输出具有饱和特性，保持在最小或最大值。

因此，比例控制有一定的应用范围，超过该范围时，控制器输出与输入之间不成比例关系。

这表明，从局部范围看，比例控制作用表示控制输出与输入之间是线性关系，但从整体范围看，两者之间是非线性关系。

4.2.1比例控制的调节规律和比例带,13,P调节的阶跃响应,P调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。

输出u实际上是对其起始值的增量。

因此，当偏差e为零，因而u0时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有u=u0。

u0的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。

0,u0+Kce,u0,u=Kce,4.2.1比例控制的调节规律和比例带,14,2比例带及其物理意义比例带的定义在过程控制中，通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入（偏差）的范围。

因此，比例度又称为比例带，其定义为,式中，,为偏差信号范围，即仪表的量程；,为控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范围。

4.2.1比例控制的调节规律和比例带,15,习题4.2（p98）某电动比例调节器的测量范围为100-200oC，其输出为0-10mA。

当温度从140oC变化到160oC时，测得调节器的输出从3mA变化到7mA。

试求出该调节器比例带。

4.2.1比例控制的调节规律和比例带,16,4.2.1比例控制的调节规律和比例带,如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是统一的标准信号，即，则有此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%的开度变化，相应的比例增益就大。

17,具有重要的物理意义u代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变100%即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。

例如，若测量仪表的量程为100，则50%就表示被调量需要改变50才能使调节阀从全关到全开。

当被调量处在“比例带”以内调节阀的开度（变化）才与偏差成比例。

超出这个“比例带”以外调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保持比例关系。

4.2.1比例控制的调节规律和比例带,18,4.2比例调节（P调节）,4.2.1比例控制的调节规律和比例带4.2.2比例控制的特点4.2.3比例带对控制过程的影响,19,4.2.2比例调节的特点,比例调节的显著特点就是有差调节。

20,4.2.2比例调节的特点,如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差。

因为根据比例调节的特点，只有调节器的输入有变化,即被调量和设定值之间有偏差,调节器的输出才会发生变化。

21,这里的杠杆充当了比例调节器：

液位变化e是其输入；阀杆位移u是其输出；调节器的比例增益为：

该比例调节器是有余差的！

余差的大小与比例增益有关，Kc大，余差小。

液位比例控制系统示意图,4.2.2比例调节的特点,22,余差（或静差）是指：

被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。

余差的大小与调节器的放大系数K或比例带有关放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。

4.2.2比例调节的特点,23,比例控制是有差控制可以根据控制理论加以验。

因如果广义被控对象的传递函数Gp（s）具有一阶惯性加纯迟延的形式则当控制器Gc（s）采用比例控制时系统的开环传递函数可表示为,4.2.2比例调节的特点,24,当系统的输入在幅值为A的阶跃信号激励时，其响应的稳态误差为由上式可知，该系统的稳态误差与输入的幅值成正比，与系统的开环增益成反比，它为一有限值。

也就是说，只要广义被控对象的增益K与控制器的比例增益Kc乘积不为无穷大，系统的稳态误差就不会为零。

4.2.2比例调节的特点,25,4.2比例调节（P调节）,4.2.1比例控制的调节规律和比例带4.2.2比例控制的特点4.2.3比例带对控制过程的影响,26,4.2.3比例带对于调节过程的影响,a）大调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长b）减小调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差减小c）进一步减小被调量振荡加剧d）为临界值系统处于临界稳定状态e）小于临界值系统不稳定，振荡发散,图4.4对比例调节过程的影响,27,比例调节的特点：

（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：

u=Ke

（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。

（3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。

28,若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快一些；相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。

比例带的一般选择原则：

29,比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下：

压力调节：

3070%流量调节：

40100%液位调节：

2080%温度调节：

2060%,30,4.3比例积分控制（PI控制）,4.3.1积分控制的调节规律4.3.2比例积分控制的调节规律4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,31,1.积分调节动作规律调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的积分成正比，即：

式中S。

称为积分速度，可视情况取正值或负值。

4.3.1积分控制的调节规律,32,积分调节的阶跃响应,I调节器的输出不仅与偏差信号的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。

只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化，直到偏差为零调节器的输出才稳定下来不再变化。

所以积分调节作用能自动消除余差。

注意I调节的输出不像P调节那样随偏差为零而变到零。

4.3.1积分控制的调节规律,33,图示的自力式气压调节阀就是一个简单的积分调节器：

管道压力P是被调量，它通过针形阀R与调节阀膜头的上部空腔相通，而膜头的下部空腔则与大气相通。

改变针形阀的开度可改变积分速度S0,图4-5自力式气压控制阀结构原理图,4.3.1积分控制的调节规律,34,2积分调节的特点，无差调节,积分调节的特点是无差调节只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就要动作到把被调量的静差完全消除为止而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输出就会保持不变。

调节器的输出可以停在任何数值上,即:

被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。

4.3.1积分控制的调节规律,35,积分调节的稳定性它的稳定作用比P调节差，采用积分调节不可能得到稳定的系统。

K=2K=0.2,4.3.1积分控制的调节规律,36,Z=P-N,K=2,K=0.2,4.3.1积分控制的调节规律,37,Z=P-N,K=2,K=0.2,4.3.1积分控制的调节规律,38,稳定作用比P调节差。

根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用P调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；如果采用I调节则不可能得到稳定的系统。

4.3.1积分控制的调节规律,39,积分调节的滞后性对于同一个被控对象，采用I调节时其调节过程的进行总比采用P调节时缓慢，除非积分速度无穷大，否则I调节就不可能像P调节那样及时对偏差加以响应，而是滞后于偏差的变化，它的滞后特性使其难以对干扰进行及时控制。

所以一般在工业中，很少单独使用I调节，而基本采用PI调节代替纯I调节。

4.3.1积分控制的调节规律,40,采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分速度S0成正比。

增大积分速度降低系统的稳定程度。

当系统的输入在幅值为A的阶跃信号激励时，其响应的稳态误差为该系统在阶跃信号作用下的稳态误差始终为零。

3积分速度对于调节过程的影响,4.3.1积分控制的调节规律,41,积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响：

增大积分速度调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低当积分速度大到超过某一临界值时，整个系统变为不稳定，出现发散的振荡过程。

S0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来愈小。

减小积分速度调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程。

无论增大还是减小积分速度，被调量最后都没有残差,图4.6积分速度S0对调节过程的影响,4.3.1积分控制的调节规律,42,比例调节和积分调节的比较：

比例调节是有差调节，积分调节是无差调节比例调节能立即响应偏差变化积分调节调节过程缓慢当被调参数突然出现较大的偏差时比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力单独的积分调节系统较罕见，它作为一种辅助调节规律与比例调节一起组成比例积分调节规律。

4.3.1积分控制的调节规律,43,对于同一被控对象若分别采用P调节和I调节，并调整到相同的衰减率075，则它们在负荷扰动下的调节过程如图4-7中曲线P和I所示。

它们清楚地显示出两种调节规律的不同特点。

4.3.1积分控制的调节规律,44,图4.7P与I调节过程的比较,结论：

P调节有余差I调节没有余差，但超调大，不如P稳定,4.3.1积分控制的调节规律,45,4.3比例积分控制（PI控制）,4.3.1积分控制的调节规律4.3.2比例积分控制的调节规律4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,46,1比例积分（PI）调节积分调节可以消除静差,但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。

PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。

4.3.2比例积分的调节规律,47,PI调节规律为：

式中比例带（可视情况取正值或负值）TI积分时间和TI是PI调节器的两个重要参数。

PI调节器的传递函数为,4.3.2比例积分的调节规律,48,图4.8PI调节器的阶跃响应,TI,4.3.2比例积分的调节规律,49,在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为e的阶跃，然后以固定速度eTI变化。

当t=TI时，调节器的总输出为2e。

输出的积分部分正好等于比例部分。

TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：

TI愈小，积分部分所占的比重愈大。

4.3.2比例积分的调节规律,50,残差的消除是PI调节器积分动作的结果。

积分部分的阀位输出使调节阀开度最终得以到达抵消扰动所需的位置。

比例部分的阀位输出Up在调节过程的初始阶段起较大作用，但调节过程结束后又返回到扰动发生前的数值。

2.比例积分调节过程,4.3.2比例积分的调节规律,51,负荷变化前（tt0）被控系统稳定，控制偏差为零，调节器输出保持某恒定值。

图4.9PI调节器对过程负荷变化的响应,0,u0,4.3.2比例积分的调节规律,52,图4.9PI调节器对过程负荷变化的响应,t=t0时刻，系统负荷发生阶跃变化,P调节立即响应偏差变化，产生正的跃变，I调节则从零开始累计偏差。

此后，在PI的共同作用下，调节的总输出持续增加。

4.3.2比例积分的调节规律,53,图4.9PI调节器对过程负荷变化的响应,在t=t1时刻，系统开始响应，控制偏差开始减小，P调节紧跟着减小，I调节因偏差仍存在且方向不变，所以继续增加PI调节的综合结果u也仍持续增大使控制偏差进一步减小,4.3.2比例积分的调节规律,54,图4.9PI调节器对过程负荷变化的响应,t=t2时刻，偏差减小至零,P调节作用彻底消失，I调节也停止增长如果积分时间足够小，此时调节器的输出将大于所要求的值，致使系统产生反向偏差，也即超调。

4.3.2比例积分的调节规律,55,图4.9PI调节器对过程负荷变化的响应,t2t3阶段，偏差反向，P调节作用反向，I调节作用也由增加变为减小，PI调节的整体作用表现为减小，直至从超调位置下降到系统要求的作用点，即图中的t=t3点处，此时偏差从超调处回落到零，系统达到新的平衡。

4.3.2比例积分的调节规律,56,由上分析PI调节引入积分动作消除了系统余差，却降低了原有系统的稳定性。

调节过程中的超调趋势随比例增益的增大和积分时间的减小而增大，因此PI调节的比例增益要设置得比纯P调节小，对积分时间的设置也应有一定的限制。

4.3.2比例积分的调节规律,57,PI调节在比例带不变的情况下，减小积分时间TI，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。

图4.10PI控制系统不同积分时间的响应过程,4.3.2比例积分的调节规律,58,比例积分调节的特点：

具有比例调节作用反应快、无滞后的优点，可以加快调整作用，缩短调节时间，又具有积分调节的优点，可以消除静差。

对于一般调节对象，均可用比例积分调节，比例带和积分时间选择合适，基本可以满足生产工艺要求。

4.3.2比例积分的调节规律,59,4.3比例积分控制（PI控制）,4.3.1积分控制的调节规律4.3.2比例积分控制的调节规律4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,60,1积分饱和现象具有积分作用的控制器，只要被控变量与设定值之间有偏差，其输出就会不停地变化。

如果由于某种原因（如阀门关闭、泵故障等），被控变量偏差一时无法消除，然而控制器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，控制器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。

进入深度积分饱和的控制器，要等被控变量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。

4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,61,积分饱和现象,4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,62,积分饱和现象,图4.2加热器出口水温控制系统,4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,63,图4-2所示加热器水温控制系统为消除残差采用了PI调节调节阀选用气开式，调节器为反作用方式。

设t。

时刻加热器投入使用，此时水温尚低，离设定值c较远，正偏差较大，调节器输出逐渐增大。

图4.11温度比例积分控制系统积分饱和现象,4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,64,如果采用气动调节器，其输出可达0.1MPa（气源压力），称为进入饱和状态，见图4-11中的t1t2部分。

在t2t3阶段，水温上升但仍低于设定值，调节器输出不会下降。

其输出最后可达0.14MPa（气源压力），称为进入深度饱和状态，,4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,图4.11温度比例积分控制系统积分饱和现象,65,从t3时刻以后，偏差反向，调节器输出减小，但因为输出气压大于0.10MPa，调节阀仍处于全开状态。

直到t4时刻过后，调节阀才开始关小。

这就是积分饱和现象。

其结果可使水温大大超出设定值，控制品质变坏，甚至引起危险。

4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,图4.11温度比例积分控制系统积分饱和现象,66,积分饱和现象常出现在自动启动间歇过程的控制系统、串级系统中的主控制器以及像选择性控制这样的复杂控制系统中，后者积分饱和的危害性也许更为严重。

造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分作用，外因是控制器长期存在偏差，因此，在偏差长期存在的条件下，控制器输出会不断增加或减小，直到极限值。

4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,67,限制PI调节器的输出uPI设定限值时，uPI=umax结果：

这样有可能在正常操作中不能消除系统的余差积分分离法e设定限值时，改用纯P调节结果：

既不会积分饱和又能在小偏差时利用积分作用消除偏差遇限削弱积分法（抗积分饱和法）uPI设定限值时，只累加负偏差，反之亦然结果：

可避免控制量长时间停留在饱和区,2.抗积分饱和的措施,4.3.3积分饱和现象与抗积分饱和的措施,68,4.4比例积分微分控制（PID控制）,4.4.1微分控制的调节规律4.4.2比例微分控制的调节规律4.4.3比例微分控制的特点4.4.4比例积分微分控制的调节规律,69,调节器的输出u与被调量或其偏差e对于时间的导数成正比，即,式中，S2微分时间。

4.4.1微分控制的调节规律,70,D调节的阶跃响应,微分调节的思想：

微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。

4.4.1微分控制的调节规律,理想D调节器的阶跃响应曲线,71,调节器在t=t0时刻，输入阶跃偏差e，偏差的变化速度为：

之后，调节器的输出立即又回到零，理想的微分调节特性曲线为一垂直直线。

4.4.1微分控制的调节规律,理想D调节器的阶跃响应曲线,72,如加热炉温度自动调节,当温度低于给定值时,则煤气阀门应开大,这是比例调节作用,但同时发现,温度降低的速度很快,说明出现了较大的扰动,则下一时刻的偏差将会更大,因此应预先采取措施,即提前动作,把煤气阀门的开度开得更大一些,这叫超前作用。

4.4.1微分控制的调节规律,73,微分调节的特点P和I是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作（即偏差的方向和大小进行调节）。

微分调节是根据偏差信号的微分,即偏差变化的速度而动作的。

只要偏差一露头,调节器就立即动作，以求更好的调节效果偏差没有变化,微分调节不起作用。

微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后。

4.4.1微分控制的调节规律,74,注意：

微分调节不能消除余差。

微分调节只对偏差的变化做出反应，而与偏差的大小无关。

单纯的微分调节器也是不能工作的。

实际的调节器都有一定的失灵区，若调节误差的变化速度缓慢，以至于调节器不能察觉，纯微分调节器将不会动作，此时调节误差会不断累积却得不到校正。

4.4.1微分控制的调节规律,75,PID是比例、积分、微分的缩写Proportional-Integral-Differential比例作用的输出与偏差大小成正比；积分作用的输出变化速度与偏差成正比；微分作用的输出与偏差变化速度成正比。

4.4.1微分控制的调节规律,76,比例调节作用：

是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大，可以加快调节，减少误差但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

4.4.1微分控制的调节规律,77,比例调节Kp的变化对控制效果的影响,4.4.1微分控制的调节规律,Kp=0.2,Kp=1,Kp=10,Kp=100,78,积分调节作用：

是使系统消除稳态误差，提高无差度。

因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱。

加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

4.4.1微分控制的调节规律,79,积分调节，Ti的变化对控制效果的影响,4.4.1微分控制的调节规律,80,微分调节作用：

微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

因此，可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。

此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

4.4.1微分控制的调节规律,81,微分调节，Td的变化对控制效果的影响,4.4.1微分控制的调节规律,82,4.4比例积分微分控制（PID控制）,4.4.1微分控制的调节规律4.4.2比例微分控制的调节规律4.4.3比例微分控制的特点4.4.4比例积分微分控制的调节规律,83,4.4.2比例微分控制的调节规律,PD调节器的动作规律是（4-12）或式中，为比例带，可视情况取正值或负值；TD为微分时间。

84,PD调节器的传递函数应为但严格按（4-13）式动作的调节器在物理上是不能实现的。

工业上实际采用的PD调节器的传递函数是式中KD称为微分增益。

工业调节器的微分增益一般在5-10范围内。

（4-14）,（4-13）,4.4.2比例微分控制的调节规律,85,工业上实际采用的PD调节器的传递函数是：

式中KD微分增益,相应的单位阶跃响应为：

4.4.2比例微分控制的调节规律,86,微分作用,纯比例作用,TD大，微分作用强,相应的单位阶跃响应为：

4.4.2比例微分控制的调节规律,87,说明：

微分作用的强弱用微分时间TD来衡量微分时间TD越大，微分作用越强，超前时间越大。

理想的微分调节是不能单独使用的，它总是依附于比例调节或比例积分调节的。

4.4.2比例微分控制的调节规律,88,根据PD调节器的斜坡响应也可以单独测定它的微分时间TD,如果TD=0即没有微分动作，那么输出u将按虚线变化。

微分动作的引入使输出的变化提前一段时间发生，而这段时间就等于TD。

PD调节器有导前作用，其导前时间即是微分时间TD。

4.4.2比例微分控制的调节规律,89,4.4比例积分微分控制（PID控制）,4.4.1微分控制的调节规律4.4.2比例微分控制的调节规律4.4.3比例微分控制的特点4.4.4比例