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单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,5.1 PID控制概述,5.2 PID控制算法,5.3 PID控制器参数整定,5.4 本章小结,习题与思考,第5章 PID控制,1,内容提要,本章描述,PID,控制的基本概念，介绍,PID,控制算法以及,PID,参数整定等基础知识，并通过大量的仿真实例讲述,PID,参数整定。,通过本章，读者对,PID,控制的原理、算法能有较为全面的认识，并熟练通过仿真进行,PID,参数整定。,2,5.1 PID控制概述,在线性连续系统中，控制规律通常由以下三种情况组成：,（,1,）比例控制：控制作用,u,与偏差,e,成比例关系；,（,2,）积分控制：控制作用,u,为偏差,e,对时间的积分（ ）成比例关系；,（,3,）微分控制：控制作用,u,为偏差,e,对时间的导数（ ）成比例关系；,因此，控制作用,u,常用的表示形式为：,式中的,K,c,是控制器的比例增益，,T,i,和,T,d,都具有时间量纲，分别称为积分时间和微分时间。,PID,控制器具有以下优点：,（,1,）原理简单，使用方便。,（,2,）适应性强。,（,3,）鲁棒性强，即其控制品质对被控制对象特性的变化不太敏感。,3,5.2 PID控制算法,5.2.1,比例（,P,）控制,纯比例控制的作用和比例调节对系统性能的影响,4,5.2.2 比例积分（PI）控制,PI,控制的主要特点为：,（,1,）,PI,控制器在与被控对象串联连接时，相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于,s,左半平面的开环零点。,（,2,）位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能。,（,3,）增加的负实部零点则可减小系统的阻尼程度，缓和,PI,控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不利影响。,（,4,）在实际工程中，,PI,控制器通常用来改善系统的稳态性能。,5,PI控制举例,6,5.2.3,比例微分（,PD,）控制,PD,控制作用举例,7,5.2.4,比例积分微分（,PID,）控制,PID,控制的主要特点为：,（,1,）当阶跃输入作用时，,P,作用是始终起作用的基本分量；,I,作用一开始不显著，随着时间逐渐增强；,D,作用与,I,作用相反，在前期作用强些，随着时间逐渐减弱。,（,2,）,PI,控制器与被控对象串联连接时，可以使系统的型别提高一级，而且还提供了两个负实部的零点。,（,3,）与,PI,控制器相比，,PID,控制器除了同样具有提高系统稳态性能的优点外，还多提供了一个负实部零点，因此在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。,（,4,）,PID,控制通过积分作用消除误差，而微分控制可缩小超越量，加快反应，是综合了,PI,控制与,PD,控制长处并去除其短处的控制。,（,5,）从频域角度来看，,PID,控制是通过积分作用于系统的低频段，以提高系统的稳态性能，而微分作用于系统的中频段，以改善系统的动态性能。,8,5.3 PID,控制器参数整定,PID,控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：,（,1,）理论计算整定法,主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。,（,2,）工程整定方法,主要有,Ziegler-Nichols,整定法、临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。,工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计算简便，易于掌握。,9,5.3.1 Ziegler-Nichols,整定法,Ziegler-Nichols,法根据给定对象的瞬态响应特性来确定,PID,控制器的参数。,Ziegler-Nichols,法首先通过实验，获取控制对象单位阶跃响应 ：,10,Ziegler-Nichols,整定举例,11,5.3.2,临界比例度法,12,临界比例度法整定举例,13,5.3.3,衰减曲线法,按“先,P,后,I,最后,D”,的操作程序，将求得的整定参数设置在调节器上，再观察运行曲线，若不太理想，还可作适当调整。,衰减曲线法的注意事项：,（,1,）对于反应较快的控制系统，要认定,41,衰减曲线和读出,T,s,比较困难，此时，可认为记录指针来回摆动两次就达到稳定是,41,衰减过程。,（,2,）在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数值。,（,3,）若认为,41,衰减太慢，可采用,101,衰减过程。对于,101,衰减曲线法整定调节器参数的步骤与上述完全相同，仅仅所用计算公式有些不同。,14,衰减曲线法整定举例,15,PID,参数整定规律,总结出几条基本的,PID,参数整定规律：,（,1,）增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。,（,2,）增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。,（,3,）增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。,16,5.4 本章小结,PID控制是最经典、应用最广的控制方法，是单回路控制系统的主要控制方法，可以说PID控制是其他控制思想的基础。,深入理解PID控制规律，熟练掌握PID控制器参数的整定，是每个学习控制的人所必备的基础。,17,
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