PID控制原理.pptx

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第第44章章PIDPID控制原理控制原理1目目录录4.lPID4.lPID控制的特点控制的特点4.24.2比例控制比例控制（P（P控制控制）4.34.3比例积分控制比例积分控制（PI（PI控制控制）4.44.4比例积分微分控制比例积分微分控制（PID（PID控制控制）4.54.5数字数字PIDPID控制控制4.64.6利用利用MATLABMATLAB实现实现PIDPID控制规律控制规律本章小结本章小结4.l4.lPIDPID控制的特点控制的特点PIDPID控制是比例积分微分控制控制是比例积分微分控制（Proportional-Integral-DifferentialProportional-Integral-Differential）历史最久、应用最广，适应性最强的控制方式历史最久、应用最广，适应性最强的控制方式在工业生产过程中，在工业生产过程中，PIDPID控制算法占控制算法占85%85%90%90%2反馈控制反馈控制根据误差进行的控制根据误差进行的控制3给定（目标）给定（目标）输出（控制结果）输出（控制结果）4.lPID4.lPID控制的特点控制的特点PID反馈控制反馈控制4控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量测量/变送器变送器-+目标目标误差误差输出输出广义对象广义对象4.lPID4.lPID控制的特点控制的特点常规常规PIDPID控制系统的原理控制系统的原理输入：

控制偏差输入：

控制偏差ee（tt）=）=rr（tt）-）-yy（tt）输出：

偏差的比例输出：

偏差的比例（P）（P）、积分、积分（I）（I）和微分和微分（D）（D）的线性组合的线性组合5式中式中Kc比例系数比例系数TI积分时间常数积分时间常数TD微分时间常数微分时间常数4.lPID4.lPID控制的特点控制的特点PIDPID控制具有以下优点控制具有以下优点：

原理简单，使用方便原理简单，使用方便。

适应性强适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油，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。

以及造纸、建材等各种生产部门。

鲁棒性强鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

敏感。

对模型依赖少对模型依赖少。

按按PIDPID控制进行工作的自动调节器早已商品化。

控制进行工作的自动调节器早已商品化。

64.lPID4.lPID控制的特点控制的特点在过程控制中，绝大部分都采用在过程控制中，绝大部分都采用PIDPID控制。

例控制。

例外的情况有两种。

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。

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，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，这时如果这时如果PIDPID控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控制方法。

制方法。

74.lPID4.lPID控制的特点控制的特点4.24.2比例调节比例调节（P（P调节调节）4.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带4.2.24.2.2比例控制的特点比例控制的特点4.2.34.2.3比例带对控制过程的影响比例带对控制过程的影响84.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带在在PP调节中，调节器的输出信号调节中，调节器的输出信号uu与偏差信号与偏差信号ee成比例，即成比例，即uuKKccee式中，式中，KKcc称为比例增益称为比例增益（视情况可设置为正或负视情况可设置为正或负）。

910在实际应用中，由于执行器的运动（如阀在实际应用中，由于执行器的运动（如阀门门开度）有限，控制器的输出开度）有限，控制器的输出uu（tt）也就也就被限制在一定的范围之内，被限制在一定的范围之内，换句话说，在换句话说，在KKcc较大时，偏差较大时，偏差ee（tt）仅在一定仅在一定的范围内与控制器的输出保持线性关系。

的范围内与控制器的输出保持线性关系。

4.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带11图图4-14-1说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围图中偏差在图中偏差在-50%-50%-50%-50%范围变化时，范围变化时，如果如果KKc=1c=1，则控制器输出，则控制器输出uu（tt）变化在变化在00100%100%范围（对应阀门范围（对应阀门的全关到全开），并与输入的全关到全开），并与输入ee（tt）之间保持线性关系。

之间保持线性关系。

KKc1c1时，制器输出时，制器输出uu（tt）与输入与输入ee（tt）之间的线性关系只在之间的线性关系只在-50%/-50%/KKcc50%/50%/KKcc满足满足。

4.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带4.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带12当当|ee（tt）|）|超出该范围时，控制器输出具有饱和特超出该范围时，控制器输出具有饱和特性，保持在最小或最大值。

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。

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。

之间是非线性关系。

PP调节的阶跃响应调节的阶跃响应13PP调节对偏差信号能做出及时调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。

反应，没有丝毫的滞后。

输出输出uu实际上是对其起始值的实际上是对其起始值的增量。

因此，当偏差增量。

因此，当偏差ee为零，为零，因而因而uu00时，并不意味着调节时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有器没有输出，它只说明此时有u=u0。

u0的大小是可以通过调整调节的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。

器的工作点加以改变的。

0u0+Kceu0u=Kce4.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带4.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带1422比例带及其物理意义比例带及其物理意义比例带的定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，其定义为围。

因此，比例度又称为比例带，其定义为式中式中，为偏差信号范围，即仪表的量程为偏差信号范围，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。

为控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范围。

4.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带习题4.2（p98）某电动比例调节器的测量范围为某电动比例调节器的测量范围为100-200100-200ooCC，其输出为，其输出为0-10mA0-10mA。

当温度从。

当温度从140140ooCC变化到变化到160160ooCC时，测得调节器的输出从时，测得调节器的输出从3mA3mA变化到变化到7mA7mA。

试求出。

试求出该调节器比例带。

该调节器比例带。

154.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带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，即统一的标准信号，即，则有，则有此时比例带（比例度）此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比例与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%100%的开的开度变化，相应的比例增益就大。

度变化，相应的比例增益就大。

164.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带具有重要的物理意义具有重要的物理意义具有重要的物理意义具有重要的物理意义uu代代表表调调节节阀阀开开度度的的变变化化量量，就就代代表表使使调调节节阀阀开开度度改改变变100%100%即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。

即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。

例例如如，若若测测量量仪仪表表的的量量程程为为100100，则则50%50%就就表表示示被被调量需要改变调量需要改变5050才能使调节阀从全关到全开。

才能使调节阀从全关到全开。

当被调量处在当被调量处在“比例带比例带”以内以内调节阀的开度调节阀的开度（变化变化）才与偏差成比例。

才与偏差成比例。

超出这个超出这个“比例带比例带”以外以外调调节节阀阀已已处处于于全全关关或或全全开开的的状状态态，调调节节器器的的输输入入与与输输出出已已不不再再保保持持比比例关系。

例关系。

174.24.2比例调节比例调节（P（P调节调节）4.2.14.2.1比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带4.2.24.2.2比例控制的特点比例控制的特点4.2.34.2.3比例带对控制过程的影响比例带对控制过程的影响184.2.24.2.2比例调节的特点比例调节的特点比例调节的显著特点就是比例调节的显著特点就是有差调节有差调节。

194.2.24.2.2比例调节的特点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，它们之间一定有后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差残差。

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

化。

2021这里的杠杆充当了这里的杠杆充当了比比例调节器例调节器：

液位变化液位变化ee是其输入；是其输入；阀杆位移阀杆位移uu是其输出；是其输出；调节器的调节器的比例增益为：

比例增益为：

该比例调节器是有余差的！

该比例调节器是有余差的！

余差的大小与比例增益有关，余差的大小与比例增益有关，Kc大，余差小。

大，余差小。

液位比例控制系统示意图液位比例控制系统示意图4.2.24.2.2比例调节的特点比例调节的特点余差（或静差）是指：

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。

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余差的大小与调节器的放大系数KK或比例带或比例带有关有关放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；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。

就越小。

224.2.24.2.2比例调节的特点比例调节的特点比例控制是比例控制是有差控制有差控制可以根据控制理论加以验。

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因如果广义被控对象的传递函数GpGp（ss）具有一阶惯具有一阶惯性加纯迟延的形式性加纯迟延的形式则当控制器则当控制器GcGc（ss）采用比例控制时采用比例控制时系统的开环传递函数可表示为系统的开环传递函数可表示为234.2.24.2.2比例调节的特点比例调节的特点当系统的输入在幅值为当系统的输入在幅值为AA的阶跃信号激励时，其响应的阶跃信号激励时，其响应的稳态误差为的稳