第2章 PID调节器

课程设计题目：专家PID控制系统仿真专家PID控制系统仿真摘要简单介绍了常规PID控制的优缺点和专家控制的基本原理，介绍了专家PID控制的系统结构，针对传递函数数学模型设计控制器。

基于MATLAB的simulink仿真软件进行应用实现，仿真和应用实现结果均表明，专家PID控制具有比常规PID更好的控制效果，且具有实现简单和专家规则容易获取的优点。

论文主要研究专家PID控制器的设计及应用，完成了以下工作：（1）介绍了专家PID控制和一般PID控制的原理。

（2）针对任务书给出的受控对象传递函数G(s)=523500/(s3+87.35s2+10470s) ，并且运用MATLAB实现了对两种PID控制器的设计及simulink仿真，且对两种PID控制器进行了比较。

（3）结果分析，总结。

仿真结果表明，专家PID控制采用多分段控制，其控制精度更好，且具有优越的抗扰性能。

关键词：专家PID，专家系统，MATLAB，simulink仿真Expert PID control system simulationAbstractThe advantages and disadvantages of conventional PID control and the basic principle of expert control are briefly introduced, and the structure of expert PID control system is introduced. Simulink simulation software based on MATLAB is implemented. The simulation and application results show that the expert PID control has better control effect than the conventional PID, and has the advantages of simple and easy to get.This paper mainly studies the design and application of the expert PID controller:(1) the principle of PID control and PID control is introduced in this paper.(2) the controlled object transfer function G (s) =523500/ (s3+87.35s2+10470s), and the use of MATLAB to achieve the design and Simulink simulation of two kinds of PID controller, and the comparison of two kinds of PID controller.(3) result analysis, summary.The simulation results show that the control accuracy of the expert PID control is better than that of the control.Key words:Expert PID , MA TLAB, expert system, Simulink, simulation目录摘要 (I)Abstract ..................................................................................................................................... I II 第一章引言 . (2)1.1 研究目的和意义 (2)1.2国内外研究现状和发展趋势 (3)第二章PID控制器综述 (3)2.1常规PID控制器概述 (3)2.2专家PID控制器 (4)第三章专家PID控制在MATLAB上的实现 (5)3.1简介 (5)3.2设计专家PID 控制器的实现方法 (5)3.3.专家PID控制器的S函数的M文件实现 (7)3.4专家PID控制器的simulink设计 (8)3.5专家PID控制和传统PID比较 (13)第四章结论 (14)4.1专家PID控制系统的优缺点及解决方案 (14)4.2最终陈述 (14)第一章引言近十几年，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。

PID参数设置及调节方法方法一:PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从而调整P\I\D的大小。

PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：温度T: P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s压力P: P=30~70%,T=24~180s,液位L: P=20~80%,T=60~300s,流量L: P=40~100%,T=6~60s。

我在手册上查到的，并已实际的测试过，方便且比较准确应用于传统的PID1。

首先将I，D设置为0，即只用纯比例控制，最好是有曲线图，调整P值在控制范围内成临界振荡状态。

记录下临界振荡的同期Ts2。

将Kp值=纯比例时的P值3。

如果控制精度=1.05%，则设置Ti=0.49Ts ； Td=0.14Ts ；T=0.014 控制精度=1.2%，则设置Ti=0.47Ts ； Td=0.16Ts ；T=0.043控制精度=1.5%，则设置Ti=0.43Ts ； Td=0.20Ts ；T=0.09朋友，你试一下，应该不错，而且调试时间大大缩短我认为问题是，再加长积分时间，再减小放大倍数。

获得的是1000rpm以上的稳定，牺牲的是系统突加给定以后系统调节的快速性，根据兼顾原则，自己掌握调节指标吧。

方法二:1．PID调试一般原则a.在输出不振荡时，增大比例增益P。

b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。

c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。

2．一般步骤a.确定比例增益P确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。

输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。

比例增益P调试完成。

pid调节器工作原理
PID调节器（Proportional-Integral-Derivative Controller）是一
种常用的控制器，其原理是通过对被控对象的测量值与目标值之间的差异进行比较，并根据比较结果进行相应的控制调整。

PID调节器通过计算出一个综合的控制信号，使得被控对象的
输出能够迅速、准确地接近目标值。

PID调节器的工作原理基于三个核心控制算法：比例控制、积
分控制和微分控制。

1. 比例控制（Proportional Control）：根据被控对象的测量值
与目标值之间的差异，计算出一个与偏差成正比的控制信号。

比例控制能够实现快速的响应，但同时可能会引起超调和振荡。

2. 积分控制（Integral Control）：通过对偏差的累积进行积分
运算，计算出一个与偏差累积值成正比的控制信号。

积分控制能够消除静差（steady-state error），提高系统的稳定性和精确度。

然而，过强的积分作用可能导致超调和不稳定。

3. 微分控制（Derivative Control）：根据偏差的变化率，计算
出一个与变化率成正比的控制信号。

微分控制可以提供控制系统对偏差的预测能力，从而改善系统的响应速度和稳定性。

然而，微分控制对高频噪声敏感，可能引入噪声放大和振荡。

PID调节器通过将上述三个控制算法按照不同的比例进行组合，得到一个综合的控制信号，用于控制被控对象。

在实际应用中，
可以通过调节比例、积分和微分的参数来优化PID调节器的性能，以满足具体的控制需求。

温控器PID调节方法比例(proportion)调节：是按比例反应系统的偏差,比例（P值）越小引发同样调节的所需的偏差越小，（即同样偏差引起的调节越大，即P值与调节作用成反比）可以加快调节,减少误差,但可使系统的稳定性下降,甚至不稳定。

比例越大，所需偏差越大，系统反应越迟钝。

积分(integral)调节：是使系统消除稳态误差,提高无差度。

只要有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止。

积分作用的强弱与积分时间常数（完成一次积分所需的时间）I值成反比。

积分时间短，调节作用强。

积分时间长,动态响应慢。

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。

微分(differential)调节：微分反映系统偏差信号的变化率。

能预见偏差变化的趋势,产生超前的控制作用，,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D值太大,对系统抗干扰不利。

微分调节作用的大小与微分时间成正比。

微分作用需要与另外两种调节相结合,组成PD或PID控制器。

PID参数整定顺口溜参数整定斩乱麻，P I D 值顺序查调节作用反反正，小步试验找最佳曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动摆得快，积分时间再加长,曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。

微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低。

比例：，加热电流与偏差（即实际值和设定值之差）成比例。

P的大小，在数量上是调节器闭环放大倍数的倒数。

P = 偏差电压∕调节器输出电压比例带越小（P越小），开始时调节电压上升越快，但易过冲。

当温差变小，实际比例越接近P，电压越小。

例如：设定温控于60度，在实际温度为20和40度时，加热的功率就不一样。

积分：如果长时间达不到设定值，积分器起作用，进行修正。

加热电流与偏差的累积（积分）成比例。

因此，只要有偏差存在，尽管偏差极微小，但经过长时间的累积，就会有足够的输出去控制炉丝加热电流，去消除偏差，减少小静态误差。

pid温控器说明书PID调节器使用经验：1、以被控对象特性选择控制器要获得良好控制效果，首先要正确选用PID调节器，PID调节器选型相对复杂，对于有经验的用户大多是按照自己的实践经验来确定PID调节器。

（1）常规工艺参数控制通常选用单回路PID调节器。

单回路调节器有一路信号输入，控制设定及参数修改通过仪表参数设定完成。

（2）正反转控制的电动执行机构选用的带伺服放大器阀位控制调节器。

带伺服放大器阀位控制调节器输入信号为两路（测量值和阀位反馈值），仪表将单回路PID调节器和伺服放大器功能融合在一起。

（3）如果被控对象需要不同时段以不同控制指标进行过程控制，应选用程序控制调节器。

程序控制调节器可以按时间分段设置不同的控制目标值和PID参数，轻松实现工艺控制要求。

（4）串级控制通常由一台单回路PID调节器和一台外给定调节器构成，也可以选用一台可编程序调节器。

可编程序调节器功能强大，便于实现温度、压力、流量、液位PH、酸度、浑浊度等控制项目的串级、选择、批量、交叉、比值、数学运算等复杂的连续过程控制，价格也略高。

（5）温控仪也是一种PID调节器，特别是生产过程中要求对温度按照工艺曲线变化、超调小或无超调、控温稳定性好的场合，对温控仪的控制效果就有些苛刻！在PID参数整定合理、控制方案不存在问题情况下，不同厂家固化在PID调节器芯片内的控制算法程序不同，不同品牌温控仪的温度控制效果也就存在很大差别，所以再此特别提醒：不是所有名称为“温控仪”的仪表都能将温度控制到你所期望到达的水平，选择需谨慎。

（6）所有数字调节器均P、I、D功能，但并不是所有工况都同时用到这三个功能。

2、正确选择PID调节器正反作用数字调节器的正反作用是用软件通过参数设定来选择。

调节器控制输出随被控量增加而增加，我们称调节器处于正作用状态；调节器控制输出随被控量增加而减小，我们称调节器处于反作用状态。

任何一个闭环控制系统均由变送器、调节器、执行器、被控对象四个环节组成的，应从这四个环节放大系数的乘积为负来判断PID调节器正/反作用。

关于PID调节器的正反作用的确定
调节器的正反作用的确定，需要根据实际控制回路和工艺运行要求确定。

一下步骤可供参考：
1、根据生产安全和操作运行要求，确定执行单元的正反作用（电开、气开型计为＋，气开、气关型计为－）；
2、根据对象特性，确定调节对象的正反作用。

如果阀门开大（此处的“开大”的含义是：阀门的流通面积增加，并非控制信号增大）测量值升高则为＋，反之为－；
3、测量单元的信号特性一般都为＋；
4、根据“闭环回路必须形成负反馈，整个系统才可以处于稳定状态”的原则，我们可以确定调节器的正反作用（调节器的偏差取PV-SV），正作用为＋，反作用计－。

举例：
有一反应釜的液位调节回路，调节阀安装与反应釜的出口。

根据工艺生产安全，要求当调节阀气源压力丧失或控制信号丢失，调节阀必须处于全开状态，尽快放空反应釜中的物料，以防止物料凝固。

根据以上要求，我们可以确定：
1、调节阀采用气关阀（或电关型），计为“－”；
2、由于阀门安装于反应釜的出口，阀门通径增大，液位下降，反作用，计为“－”；
3、差压变送的租用形式计为“＋”；
4、将以上三个环节的符号相乘，的符号为“＋”；为使为整个闭环回路形成负反馈即“－”，调节器的作用形式计为“－”，调节器采用反作用。

5、验证：当液位升高（PV-SV值增大），调节器是反作用输出下降，调节阀为气关式信号下降阀门开大，物料流出速度增高，液位下降，液位恢复稳定。

以上举例是单回路，对视实际的复杂回路通过简化同样可以采用此步骤来确定。

需要了解详细的说明，可以参考自动控制工程等相关书籍。

PID 调节器在机电控制系统中，为了改进反馈控制系统的性能，人们经常选择各种各样的校正装置，其中最简单最通用的是比例—积分—微分校正装置，简称为PID 校正装置或PID 控制器。

这里P 代表比例，I 代表积分，D 代表微分。

（一） 比例控制器（P 调节）在比例控制器中，调节规律是：控制器的输出信号u 与偏差e 成比例。

其方程如下： e K u P = (7.7)式中P K 称为比例增益。

其传递函数表示为P j K s G =)( (7.8)从减小偏差的角度出发，我们应该增加P K ，但是另一方面，P K 还影响系统的稳定性，P K 增加通常导致系统的稳定性下降，过大的P K 往往使系统产生激烈的振荡和不稳定。

因此在设计时必须合理的优化P K ，在满足精度要求下选择适当的P K 值。

增益调整是系统校正与综合时最基本、最简单的方法。

这里，我们主要讨论在单位反馈系统中，应用M 圆的概念来确定开环增益，使系统闭环谐振峰值满足某一期望值。

在乃奎斯特图上，M 圆的轨迹如图7-14所示。

如果r M ＞1，那么从原点画一条到所7-14 M 圆期望的r M 圆的切线，该切线与负轴的夹角为ψ, 如图7-14所示。

根据三角关系，有rr rr r M M M M M 111s i n 222=--=ψ (7.9)图7-15 控制系统由切点P 作负实轴的垂线，该垂线与负实轴的交点为A ，容易证明A 点坐标为（-1，j0）。

考虑图7-15所示的单位反馈系统，确定增益K ，使得闭环系统具有所期望的谐振峰值r M (r M ＞1）。

根据上述M 圆特点，确定增益K 的步骤如下： ① 画出标准化开环传递函数()K j G /ω的乃奎斯特图；② 由原点作直线，使其与负实轴夹角ψ满足r M 1a r c s i n =ψ③ 试作一个圆心在负实轴的圆，使得它既相切于()K j G /ω的轨迹，又相切于直线PO ；④ 由切点P 作负实轴的垂线，交负实轴于A 点；⑤ 为使试作的圆相应于所期望的r M 圆，则A 点坐标应为（-1，j0）；⑥ 所希望的增益K 应使点A 坐标调整到（-1，j0），因此K ＝1/OA 。

PID调节参数及方法PID（比例-积分-微分）调节是一种常用的自动控制器设计方法，广泛应用于各种控制系统中。

其基本原理是根据控制对象的反馈信号来计算出输出信号，从而使控制对象的输出尽可能接近设定值。

PID控制器的参数包括比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td。

下面将分别介绍这些参数的调节方法以及应用案例。

1.比例系数Kp的调节方法：比例系数Kp用于调节控制器对误差的响应速度。

Kp越大，控制器对误差的响应越快，但也容易导致系统的超调和震荡。

调节Kp时可以采用试控制法，逐渐增大Kp并观察系统的响应情况，直到系统出现超调或不稳定为止，然后适当减小Kp的值。

2.积分时间Ti的调节方法：积分时间Ti用于调节控制器对系统稳态误差的补偿能力。

增大Ti可以减小系统的稳态误差，但也容易导致系统的超调和震荡。

调节Ti时可以采用试控制法，逐渐增大Ti并观察系统的响应情况，直到系统出现超调或不稳定为止，然后适当减小Ti的值。

3.微分时间Td的调节方法：微分时间Td用于调节控制器对系统的动态响应速度。

增大Td可以提高系统的快速响应能力，但也容易导致系统的超调和震荡。

调节Td时可以采用试控制法，逐渐增大Td并观察系统的响应情况，直到系统出现超调或不稳定为止，然后适当减小Td的值。

同时，还有一些常用的PID调节方法：- Ziegler-Nichols 法：通过实验步骤进行参数调节，包括确定比例放大倍数Ku、临界周期Tu和临界增益Kc，然后根据不同的控制对象类型选择合适的参数调整方法。

- Chien-Hrones-Reswick（CHR）法：通过建立传递函数模型，根据系统的特性分析参数调节方法，适用于非线性和时变系统。

-直接数值调整法：根据经验公式直接对参数进行调整，例如根据系统的响应时间、超调量等指标进行调整。

下面是一个PID调节的应用案例：假设有一个温度控制系统，通过调节加热器的功率来控制目标温度。

系统的传递函数为：G(s)=K/(Ts+1)根据实验数据，目标温度为100°C，实际温度为87°C，采样时间为0.1秒。

PID调节和温度控制原理一、引言二、PID调节的基本原理PID调节是通过对比控制对象的实际输出和期望输出，计算出一个误差值，然后根据这个误差值和历史误差值的变化趋势来调整控制参数，以使系统输出更接近期望值。

PID调节是根据比例、积分和微分三个因素的综合作用来实现控制。

1.比例(P)控制：根据误差的大小来调整控制量的变化速度。

当误差越大时，控制量的调整速度也越快。

2.积分(I)控制：累积误差的大小来调整控制量的偏置。

当误差持续存在时，积分控制可以逐渐减小误差。

3.微分(D)控制：根据误差的变化率来调整控制量的变化速度。

当误差变化趋势发生变化时，微分控制可以快速反应并调整控制量。

PID控制器的输出可以表示为：u(t) = Kp*e(t) + Ki*∫e(t)dt +Kd*de(t)/dt其中，u(t)为控制器的输出，Kp、Ki和Kd为控制参数，e(t)为误差，∫e(t)dt为误差的积分，de(t)/dt为误差的微分。

三、温度控制的方式温度控制是实际应用中常见的控制问题。

根据控制对象和控制要求的不同，温度控制可以采用不同的方式。

1.开关控制：温度传感器监测到系统温度超过设定值时，控制系统输出信号使加热器工作，当温度降低到设定值以下时，控制系统停止输出信号。

这种方式适用于控制对象的温度变化不大且温度控制精度要求不高的情况。

2.P控制：根据温度误差调整控制量的大小，使温度逐渐接近设定值。

这种方式适用于对温度控制要求较高的情况，但可能存在温度超调和振荡的问题。

3.PI控制：在P控制的基础上增加了积分控制，用来消除温度误差的持续存在。

这种方式能够较好地控制温度误差，但可能导致响应速度较慢。

4.PID控制：在PI控制的基础上增加了微分控制，用来根据温度误差的变化率来调整控制量的变化速度。

PID控制可以在保证较小温度误差的同时，提高控制系统的响应速度和稳定性。

四、PID调节在温度控制中的应用1.温度控制反馈回路：PID调节器通过与温度传感器连接，根据实际温度和设定温度计算误差，并根据误差的大小和变化趋势调整控制参数，从而控制加热器的工作状态，以实现温度的稳定控制。

数字PID 调节是连续系统控制中广泛应用的一种控制方法。

由于它结构的改变灵活，根据系统的要求，在常规PID 调节的基础上进行多种PID 的变型控制。

PID 调节器主要由比例调节器（P ）、积分调节器（I ）和微分调节器（D ）构成，它通过对偏差值得比例、积分和微分运算后，用计算所得的控制量来控制被控对象。

R ——设定期望的值 y ——控制变量 S ——实际输出值e ——控制偏差（R-S ）1、比例调节（P ）一种最为简单的调节方式，控制器的输出与控制偏差呈线性比例关系。

e K y p *=Kp 是比例系数。

通过公式可知，当输出值S 与期望值R 之间有偏差时，例如：R>S ，R-S>0，所以输出加大，S 值增大，e 值减小，所以y 输出值减小。

但是e 永远不能等于0，只能无限的接近于0。

当输出基本稳定时，与期望值得差距叫做静态误差，该误差通过比例积分是无法消除的。

如果想要消除静差就得需要引入积分调节。

2、积分调节（I ）通过在比例调节器中加上一个积分调节器，可以有效的消除静差。

⎰+=t i p p dt t e T K e K y 0)( Ti 是积分常数。

其中，i pi T K K =就可以将原公式写成⎰+=ti p dt t e K e K y 0)( 由以上分析可知，影响Ki 大小的值主要是Ti ，积分系数Ti 的大小决定了积分作用的强弱。

当积分作用过强时，使系统震荡的衰减速度越来越慢，甚至会造成系统持续震荡；当积分作用过弱时，消除静差的时间会延长。

3、比例积分微分调节 通过积分调节可以有效的消除比例调节中的静态误差，但是调节静态误差的过程相对比较慢，这会使系统的动态性变差。

利用微分调节可以有效的加强偏差变化率。

dt t e d T K dt t e T K e K y d p ti pp ))(()(0++=⎰ Kp*Td 也可以写成Kd t t e d K dt t e K e K y d ti p ))(()(0++=⎰当偏差变化越快时，积分调节的作用越大。

放大器组成pid调节器原理
PID调节器是一种常用的控制器，用于调节系统的输出使其接近期望值。

它由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。

比例部分根据当前误差的大小来调节输出，其作用类似于一个放大器。

当误差较大时，放大器会放大输出信号，从而加快系统的响应速度。

相反，当误差较小时，放大器会减小输出信号，以避免过度调节。

积分部分则是根据误差的累积量来调节输出。

如果误差持续存在，积分器会积累误差，并通过放大器放大输出信号，以逐渐减小误差。

这有助于系统达到稳定状态，并消除持续的偏差。

微分部分根据误差的变化率来调节输出。

它可以预测系统的未来变化趋势，并通过放大器放大输出信号，以减小误差的变化率。

这有助于系统快速响应变化，并提供更稳定的控制。

总的来说，PID调节器利用放大器的作用来调节系统输出，使其接近期望值。

比例、积分和微分三个部分分别负责根据误差的大小、累积量和变化率来调节输出。

它们的组合可以提供精确且稳定的控制，适用于多种控制系统。

希望通过这篇文章，读者能够了解PID调节器的基本原理和作用，以及其在控制系统中的重要性。

同时，也希望读者能够体会到人类对于控制的需求以及PID调节器在满足这种需求方面的作用。

气动PID调节器的工作原理基于比例、积分和微分三个控制部分的结合使用：
1. 比例控制：这是PID调节器的基础部分。

它根据被控对象的误差信号与设定值之间的差异，按照一定比例关系生成控制信号。

比例控制使得被控对象的输出与设定值成正比关系。

当误差较大时，比例控制会提供更大的控制修正量，从而增强控制的快速性和灵敏度。

2. 积分控制：用于消除系统的稳态误差。

它根据被控对象的误差信号与设定值之间的累积误差，按照一定比例关系生成控制信号。

积分控制使得被控对象的输出与设定值的长期平均值成正比关系，能够消除系统的漂移和偏差，提供更精确的稳态控制。

3. 微分控制：用于抑制系统的过冲和震荡。

它根据被控对象的误差变化率，按照一定比例关系生成控制信号。

微分控制使得被控对象的输出与设定值的变化速率成正比关系，能够对系统动态响应进行补偿和调节，提供更稳定的控制结果。

通过比例、积分和微分三个控制部分的协调作用，PID调节器能够实现对被控对象的准确控制。

不同的应用场景和控制要求，需要适当调整PID参数，以获得最佳的控制效果。