PID控制经典培训教程

PID控制§1PID控制简介目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构,加到被控系统上;控制系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。不同的控制系统,其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。1.1开环控制系统开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。1.2闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。1.3阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后,系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的;准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差;快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。1.4PID控制的原理和特点在工程实际中，应用昀为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。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。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控制技术昀为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，昀适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种昀简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。但单纯的比例控制存在稳态误差不能消除的缺点。这里就需要积分控制。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，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。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。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。实质就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起来，一起算总帐。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。这就是说，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，而目前需要增加的是“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。它能敏感出误差的变化趋势,可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用,有利于提高输出响应的快速性,减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声,降低系统的信噪比,从而使系统抑制干扰的能力下降。思考题：如图所示，指出系统如何实现PID控制。§2PID控制器频率分析PID控制器是实际工业控制过程中应用最广泛、最成功的一种控制方法。§2.1PID控制器基本结构PIDG（S）yryoeuPID：ProportionalIntegralDerivativePID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。“利用偏差、消除偏差”∫++=tDIPdttdeKdtteKteKtu0)()()()(sKsKKsEsUsGDIP++==)()()(PID控制器的输入输出关系为：相应的传递函数为：在很多情形下，PID控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD或PID控制。2.1.1P（比例）控制PiocKRRsUsUsG∆==22)()()(R2R1ui(t)uo(t)-+P控制对系统性能的影响：Kp1时：a.开环增益加大，稳态误差减小；b.幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短；c.系统稳定程度变差。Kp1时：与Kp1时，对系统性能的影响正好相反。2.1.2I（积分）控制TSRCSsUsUsGioc11)()()(∆==CRui(t)uo(t)-+-900-1800积分控制可以增强系统抗高频干扰能力。故可相应增加开环增益，从而减少稳态误差。但纯积分环节会带来相角滞后，减少了系统相角裕度，通常不单独使用。2.1.3D（微分）控制TSRCSsUsUsGioc∆==)()()(RCui(t)uo(t)-+-900-1800900微分控制可以增大截止频率和相角裕度，减小超调量和调节时间，提高系统的快速性和平稳性。但单纯微分控制会放大高频扰动，通常不单独使用。§2.2PD（比例-微分）控制器dttdeKteKtuDP)()()(+=DPddPDPKKwwsKsKKsEsUsG=+=+==)1()()()(PD控制器的输入输出关系为：相应的传递函数为：90o45o0odw0))((dBwL)(wϕ+20dB/decPKlg20PD控制器的Bode图PD对系统性能的改善PD控制的特点（类似于超前校正）：1、增加系统的频宽，降低调节时间；2、改善系统的相位裕度，降低系统的超调量；3、增大系统阻尼，改善系统的稳定性；4、增加了系统的高频干扰；PD控制的应用：依据性能指标要求和一定的设计原则求解或试凑参数。例：PD控制系统如图§2.3PI（比例-积分）控制器∫+=tIPdtteKteKtu0)()()(PIIIIIPKKwswsKsKKsEsUsG=+=+==)1()()()(PI控制器的输入输出关系为：相应的传递函数为：PI控制器的Bode图0o-45o-90oIw0))((dBwL)(wϕ-20PKlg20PI控制的特点（类似于滞后校正）：1、提高系统的型别，改善系统的稳态误差；2、增加了系统的抗高频干扰的能力；3、增加了相位滞后；4、降低了系统的频宽，调节时间增大；PI控制的应用：依据性能指标要求和一定的设计原则求解或试凑参数。例：PI控制系统如图§2.4PID（比例-积分-微分）控制器PID控制器的传递函数为：))(1()()()(221sKKSKsKsKKsEsUsGIPDDIP++=++==PID控制的应用：依据性能指标要求和一定的设计原则求解或试凑参数。PID控制器的输入输出关系为：∫++=tDIPdttdeKdtteKteKtu0)()()()(思考题：完全用硬件能够实现PID控制吗？§3数字控制器的模拟化设计§3-1数字PID控制算法§3-1-1DDC系统的组成原理给定值计算机输出通道D/A输入通道A/D广义对象被控变量y输入通道A/DDDC系统的特点：●计算机运算速度快。●可分时处理多个控制回路●计算机运算能力强§3-1-2DDC系统的PID控制算式⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=∫dtdeTedtTekPdic1Kc——比例增益Ti——积分时间Td——微分时间P——PID调节器的输出信号e——给定值与测量值之差⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=∫dtdeTedtTekPdic1⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫−==−=∫∑snnniisTeedtdeeTedt10&&离散化方法：Ts——采样周期●位置型PID控制算式⎥⎦⎤⎢⎣⎡−++=−=∑)(10nnsdniiisncneeTTeTTekPPn——第n次采样时计算机输出值en——第n次采样时的偏差值●增量型PID控制算式第(n-1)次采样有：⎥⎦⎤⎢⎣⎡−++=∑−−−−−−112111)(ninnsdiisncneeTTeTTeKP两次采样计算机输出的增量为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−++−=−=∆−−−−)2()(2111nnnsdnisnncnnneeeTTeTTeeKPPP)2()(211−−−+−++−=nnnDnInnceeeKeKeeKKI——积分系数iscITTKK=KD——微分系数sdcDTTKK=●实用递推算式(偏差系数控制算式)将增量型PID控制算式改写为：21211−−+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=∆nsdcnsdcnsdiscneTTKeTTKeTTTTKP令三个动态参数为中间变量：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=sdiscTTTTKA1⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=sdcTTKB21sdcTTKC=则有：21−−+−=∆nnnnCeBeAeP●特殊形式的PID算式●●积分分离PID算式设逻辑系数：⎪⎩⎪⎨⎧≤=AeAeKnnl01对增量型PID算式改进为：)2()(211−−−+−++−=∆nnnDnIlnncneeeKeKKeeKP●●带有死区的PID算式控制算式为：⎪⎩⎪⎨⎧=∆∆=∆≥0nnnnnPBePPBe●●不完全微分的PID算式不完全微分的PID传递函数为：⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+++=sKTsTsTKsEsPdddic111)()()()()(sPsPsPdpi+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=∑=niiscpiieTTneKnP0)()()()(11)(sEsTKsPicpi⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=)(1)(sEsKTsTKsPdddcd+=将微分部分化成微分方程：dttdeTKtpdttdpKTdcdddd)()()(=+将微分项化成差分项：sdcdsddddTneneTKnPTnPnPKT)1()()()1()(−−=+−−[])1()()1()(−−++−+=neneTKTKTnPTKTKTnPsddcddsddddd令：sddddsddTKTKTBTKTA+=+=,[])1()()1()(−−+−=neneAKTnBPnPcddd不完全微分的PID位置算式为：[])1()1()()()()(0−+−−+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=∑=nBPneneAKTieTTneKnPdcdniiscd不完全微分的PID增量算式为：[])2()2()1()()1()1(10−+−−−+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−=−∑−=nBPneneAKTieTTneKnPdcdniiscdΘ[][][])2()1()2()1(2)()(