(2.1)--6.1.1 PID控制机电一体化与过程控制.ppt

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1、汇报人：XXXX CONTENT目 录6.1.1 PID控制6.2.2 前馈控制6.2.1 串级控制6.1.2 PID参数的整定6.2.3 纯滞后补偿控制6.2.4 多变量解耦控制6.1.1 PID控制PID控制算法,最早在1922年被提出;它以结构简单、调整方便、适应性强而著称，并被广泛采用;在当今世界所用的控制算法中，PID算法仍占百分之七十以上的份额;很多高级控制算法也都是与PID相结合的复合型算法。PID控制系统组成主要包括PID控制器、执行器、被控对象、传感器/变送器、输入输出接口。PID控制系统组成6.1.1 PID控制PID控制器工作原理PID控制器的输出e(t)通过执行器施加到

2、被控对象上，改变被控对象的被控量（即控制系统的输出），被控量经传感器/变送器检测后，通过输入接口与给定期望值进行比较后，得到两者的偏差e(t)，e(t)传入PID控制器，从而形成闭环控制系统。6.1.1 PID控制PID控制器的作用PID控制器的作用就是通过选择控制器的结构和参数，改善系统的动态和静态性能指标，实现最佳的控制效果6.1.1 PID控制什么是PID控制器？在一个控制系统中，采用对偏差e(t)进行比例（P）、积分（I）、微分（D）作用的线性组合实现的控制称为PID控制。6.1.1 PID控制什么是PID控制器？它分模拟PID和数字PID控制。目前广泛使用的是数字PID控制。它是采用

3、数字形式的差分方程替代连续系统的微分方程进行处理和控制的一种常用方法。6.1.1 PID控制模拟PID控制的表示方法式中，e(t)为输入PID控制器的偏差，u(t)为PID控制器输出的控制量，u0为控制器输出量的基准，即e(t)为0时输出的控制量，KP、Ti、TD(或KP、Ki、KD)分别为比例、积分、微分常数。6.1.1 PID控制模拟PID控制的表示方法其中Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分常数，是控制算法中需要确定的参数。用复数域的形式表示:6.1.1 PID控制比例控制、积分控制和微分控制这三项在控制器中所起的控制作用相互独立。因此，在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可以

4、选择其结构，形成不同形式的控制器，如比例（P）控制器，比例积分（PI）控制器，比例积分微分（PID）控制器等。任何闭环控制系统的首要任务是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）的响应输入命令，PID控制也以此为目标。6.1.1 PID控制模拟PID控制器的作用(1)比例控制器（P）比例控制器的微分方程：式中，e(t)为输入控制器的偏差，u(t)为控制器输出的控制量，u0为控制器输出量的基准，即e(t)为0时输出的控制量，Kp比例系数。6.1.1 PID控制模拟PID控制器的作用理想比例控制器的阶跃响应图：输入偏差e(t)是阶跃信号，其输出u(t)是成比例地反映e(t)的大小，这个控制器的作用是对

5、偏差快速作出反应，使系统朝着减小偏差的方向变化。6.1.1 PID控制模拟PID控制器的作用控制作用的强弱取决于比例系数KP的大小；增大比例系数KP将加快系统的响应速度(动态特性好）；但过大的比例系数会使系统有比较大的超调，振荡加剧，甚至使系统不稳定。因此比例系数选择须恰当，才能达到响应速度快，静差小且稳定的效果。同时，比例控制是一种有差控制，因为只有偏差不为0时，控制器才有输出，调节阀才工作，如果偏差为0，控制器无输出，控制作用也就消失了。6.1.1 PID控制模拟PID控制器的作用（2）比例积分控制器(PI)为了消除在比例控制中残存的静差，可在比例控制器的基础上加入积分控制，构成比例积分控

6、制器，其控制规律为:其中积分控制器的微分方程：Ti为积分常数，表示积分作用的强弱，显然，其越大积分作用越弱。6.1.1 PID控制模拟PID控制器的作用（2）比例积分控制器(PI)当偏差存在时，引入的积分环节会将偏差进行积累作为输出。即在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。直到偏差e(t)=0，输出的u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值r(t)不变的条件下趋于稳态。（PI）控制器响应曲线6.1.1 PID控制积分常数Ti越小，积分作用越强，消除静差的时间越短，但过小的积分时间常数会引起系统振荡，甚至不稳定。所以我们可以将积分控制和比例控制结合起来，既利用比例控制的快

7、速性，又发挥积分控制消除稳态误差的作用，形成PI控制。6.1.1 PID控制积分调节的特点:只要系统存在偏差，积分环节就会产生控制作用减小偏差，直到最终消除偏差；但积分作用需要一个累积的过程，所以它的动态响应相对比较慢。模拟PID控制器的作用（3）比例积分微分控制器(PID)为了减小比例积分引起的超调，克服振荡，进一步加快响应速度可通过检测误差的变化率来预报误差,根据误差变化趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除在萌芽状态。即形成比例积分微分(PID)控制器。6.1.1 PID控制6.1.1 PID控制模拟PID控制器的作用（3）比例积分微分控制器(PID)比例积分微分(PID)控制器，其

8、控制规律为:其中微分控制器的微分方程：式中，Td为微分常数，代表微分作用的强弱，其越大微分作用越强。模拟PID控制器的作用当偏差有一个阶跃变化时，输出控制信号会变成一个无穷大的冲激信号，由于持续时间太短，不能驱动执行器，所以微分控制一般不单独使用,是把它和比例环节或和比例积分环节结合使用。PID阶跃响应曲线6.1.1 PID控制（3）比例积分微分控制器(PID)PID控制器响应曲线当偏差是阶跃输入时，首先起作用的是微分环节，因为微分有超前调节作用，它主要作用是加快响应速度；然后就是积分动作，用来消除系统静态误差，那么其中的比例环节是一个基础控制作用。6.1.1 PID控制模拟PID控制器的作用

9、（3）比例积分微分控制器(PID)合理选择PID控制的参数，即比例系数KP、积分时间常数Ti 和微分时间常数Td，就可以快速、准确、平稳的消除偏差，达到良好的控制效果的。6.1.1 PID控制模拟PID控制器的作用（3）比例积分微分控制器(PID)数字PID控制数字式PID:把连续系统的模拟PID控制规律进行离散化。6.1.1 PID控制数字PID控制在采样周期远小于信号变化周期时，按数值逼近可作如下近似：首先离散化用求和代替积分用后向差分代替微分6.1.1 PID控制数字PID控制通过近似将连续PID控制算法离散化为数字PID控制器的表达方式：整理得：6.1.1 PID控制数字PID控制式中

10、，e(k)是数字PID控制器的输入，即第k个采样时刻的偏差值；u(k)是第k个采样时刻数字PID控制器的输出；其中Kp,Ki,Kd分别为比例、积分、微分系数。由于这个表达式中输出的控制量u(k)与执行机构的位置(如控制阀门的开度)一一对应，所以称之为位置式PID控制算法。6.1.1 PID控制当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置功能的装置时，需要的就不是控制量的绝对值，而是其增量值。因此，需要由位置式PID算法推导出增量式PID控制算法。6.1.1 PID控制步进电机多圈电位器电动调节阀机 电一 体 化增量式PID控制算法数字PID控制器输出的是相邻两次采样

11、时刻所计算的位置值之差，对位置式PID算法求取增量：它只需要保持三个采样时刻的偏差值:6.1.1 PID控制量式数字PID算法与位置式数字PID算法相比的优点：（1）优点对比1：位置式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，易产生较大的累积计算误差。增量式中由于消去了积分项，从而可消除控制器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，易取得较好的控制效果。6.1.1 PID控制（2）优点对比2：为实现手动自动无扰切换，在切换瞬时，位置式数字PID必须首先将计算机的输出值设置为阀门原始开度。增量式计算只与本次的偏差值有关，与阀门原始位置无关，其输出对应于阀门位置的变

12、化部分，因此，易于实现从手动到自动的无扰动切换。6.1.1 PID控制量式数字PID算法与位置式数字PID算法相比的优点：（3）优点对比3：采用增量式算法时所用的执行器本身都具有保持功能，即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。一般在以晶闸管和伺服电机作为执行器件，或者对控制精度要求较高的系统中，应当采用位置式算法；而在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，应该用增量式算法。6.1.1 PID控制量式数字PID算法与位置式数字PID算法相比的优点：（1）PID控制概念（2）PID控制作用（3）模拟式PID表达形式（4）数字式PID表达形式小结:6.1.1 PID控制