关于PID控制 PPT课件

PID控制广泛应用于各种工业过程控制系统中，如温度、压力、流量等。
PID控制的基本概念
03
微分控制
通过微分项预测误差的变化趋势，提前调整输入信号，以减小超调和缩短调节时间。
01
比例控制
通过调整输入信号的比例系数，对误差进行直接控制，以快速减小误差。
02
积分控制
通过积分项对误差进行累积，并调整输入信号，以消除长期误差。
频率响应法
通过分析系统的频率特性，如幅频特性和相频特性，来评估PID控制器的性能，主要关注系统的稳定性和抗干扰能力。
误差积分法
通过对系统误差进行积分，得到一个反映系统误差累积的指标，以此评估PID控制器的性能，关注系统误差的控制能力。
阶跃响应法
通过调整比例系数，改变系统的放大倍数，影响系统的响应速度和稳态精度。适当增大比例系数可以提高系统的响应速度，但过大会导致系统不稳定；适当减小比例系数可以减小超调量，但过小会导致系统响应迟缓。
PID控制器在机器人控制系统中具有重要的作用，是实现机器人精确控制的关键之一。
04
PID控制的改进与发展
模糊PID控制
总结词：模糊PID控制是一种将模糊逻辑与PID控制相结合的方法，通过模糊化处理将不确定性和非线性因素引入PID控制器中，提高系统的鲁棒性和适应性。
神经网络PID控制
总结词：神经网络PID控制是一种基于神经网络的PID控制器，通过神经网络的自学习和自适应能力，实现对PID参数的在线调整和优化。
pid控制经典
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目录
PID控制理论概述 PID控制器的设计 PID控制的应用 PID控制的改进与发展 PID控制性能的评估与优化
01
PID控制理论概述

也就是说，若以距离y作为输入，以力f作为输出，则缓冲器可以称 为微分环节。
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28
微分控制器的输出只与偏差的变化速度有 关，而与偏差存在与否无关。 因此，纯粹的微分控制作用是无意义的， 一般都将微分控制作用与比例控制结合起 来使用。
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微分控制的作用：
1、微分控制的作用是有偏差信号e（t）的当
1、对当前时刻的偏差信号e（t） 进行放大或衰减后作为控制信 号输出。
2、比例系数Kp越大，控制作用
越强，系统的动态特性也越好，
动态特性主要表现为起动快，
对阶跃设定跟随的快。
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18
比例控制的作用: 3、对于有惯性的系统， Kp过大时会出现较 大的超调，甚至引起系统振荡，影响系统的 稳定性。
设流入的流量为 x，活塞的移动距离 为y，S为活塞的截面 积，t为时间。
当流入的流量为一定值x0时，可以得出： y=x0t/S
如果x是变化的，即为t的函数，则
也就是说，若以流入的流量x作为输入，以移动距离y作为输出，
则油缸是个积分环节。
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4、 积分（I）控制规律（过去）：
具有积分控制规律的控制器称为积分(I)控制器, 其传递函数为:
输出信号和输入信号的关系：
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带Ｉ控制器的系统输入输出示意图
控制器输出信号的大小，不仅与偏差大小有关，还取决于偏 差存在的时间长短。
只要有偏差存在，控制器的输出就不断变化。偏差存在时间 越长，输出信号的变化量越大，直到达到输出极限。
只有余差为0，控制器的输出才稳定。
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k
Kpe(k)Ki e(j)Kde(k)e(k1) j0
式中，u(k)为第k次采样时刻的控制器的输出值； e (k-1)和e (k)分别为第(k-1)次和第k次采样时刻的偏差值。
只要采样周期T足够小，数字PID控制与模拟PID控制就会十分
精确的接近。
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1.2.2 增量式PID控制算法
e(k )
0 e(k )
e(k) e0 e(k) e0
式中，e(k)为位置跟踪偏差，e0是一个可调参数，其 具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值 太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象
的目的；若e0太大，则系统将产生较大的滞后。
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1.2.9 带死区的PID控制算法
1.1 PID控制原理
闭环控制系统原理框图
图中所示为控制系统的一般形式。被控量y(t)的检测值c(t)与给定值r(t) 进行比较，形成偏差值e(t)，控制器以e(t)为输入，按一定的控制规律 形成控制量u(t)，通过u(t)对被控对象进行控制，最终使得被控量y(t)运 行在与给定值r(t) 对应的某个非电量值上。
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1
1.1 PID控制原理
模拟PID控制系统原理框图
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3
1.1 PID控制原理
PID控制器各环节的作用如下：
（1）比例环节的数学式表示是:
Kp e(t)
在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差量e(t)瞬间 作出反应, 产生相应的控制量u(t)，使减少偏差e(t)向减小的 方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp， Kp越大， 控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差ess 也就越小,但是Kp越大，也越容易产生振荡，增加系统的超 调量，系统的稳定性会变差。

智能PID控制器
随着人工智能技术的发展，将人工智能算法与PID控制器相结合，形成智能PID控制器，可以自动调整PID控制器的参数，提高控制效果。
自适应PID控制器
自适应PID控制器可以根据系统参数的变化自动调整PID控制器的参数，提高系统的适应性和鲁棒性。
多变量PID控制器
多变量PID控制器可以同时控制多个变量，提高系统的控制精度和效率。
02
CHAPTER
PID控制器的参数整定
PID控制器参数对系统性能的影响
PID控制器的参数直接决定了系统的响应速度、超调量、调节时间和稳定性等性能指标，因此合理整定PID控制器参数对控制系统至关重要。
PID控制器参数与系统动态特性的关系
PID控制器参数的选择与系统的动态特性密切相关，不同的系统需要不同的PID参数配置，以实现最佳的控制效果。
根据系统特性选择合适的PID控制器参数
不同类型的系统具有不同的动态特性，需要根据系统的具体情况选择合适的PID参数。例如，对于快速响应系统，应选择较大的比例增益和较小的积分时间常数；对于慢速响应系统，应选择较小的比例增益和较大的积分时间常数。
逐步调整PID控制器参数
在调整PID控制器参数时，应遵循逐步调整的原则，先调整比例增益，再调整积分时间常数和微分时间常数。每次调整后都需要观察系统的响应特性，根据实际情况进行调整。
微分环节
比例环节
根据误差信号的大小，成比例地调整输出信号。当误差较大时，输出信号也相应增大，以迅速减小误差；当误差较小时，输出信号逐渐减小，以避免超调。
积分环节
对误差信号进行积分运算。积分环节的作用是消除静差，提高系统的控制精度。通过积分运算，可以逐渐减小误差，直到误差为零。
微分环节

PID调节器
PID调节器的设计方法多种多样。本节将介绍手动调节法和自动调节法，以及它们在不同情况下的应用。
PID控制器的设计与应用
了解PID控制器的稳定性和性能分析，以及参数选取方法对于在实际工程中应用PID控制器至关重要。
结论
PID控制器有其优点和缺点。本节将总结这些，并展望PID控制器的未来发展 方向。
参考文献
掌握PID控制原理所需要的理论基础、应用知识以及T课件
简介
PID控制器是自动控制领域中常用的控制算法之一。本节将介绍PID控制器的 概述、应用场景以及与传统控制器的区别。
PID控制器原理
在PID控制器中，P（比例）、I（积分）、D（微分）控制器起着重要的作用。了解这些基本原理是理 解PID控制器工作方式的关键。

KdTd 1 Td
s s
7
PID 控制器
(t)
K p e0
te0 Ti
K e e
t Td
d0
(t)
Kpe0 Kpe0 Ti
KdKpe0 Kpe0
(t) Td Ti
2Kpe0
8
t Td
d0
KdKpe0 Kpe0
e0 Kpe0 Td
e(t) (t)
(t)
6
PID 控制器
(t
)
K
p
e(t)
1 Ti
e(t)dt
Td
de(t)
dt
Gc
(s)
K
p
1
1 Ti s
Td
s
(t )
K p e0
te0 Ti
Td e0
(t )
实际PID控制器
Gc
(s)
K
p
1
1 Ti s
I
y(t)
P
PD
PI PID
5
PD控制器的动态特性
(t )
K p e(t) Td
de(t) dt
(理想)
Td: 微分时间
Gc (s)
(s)
E(s)
K p 1 Td s
(t) K p e0 Td e0 (t)
实际PD控制器
Gc
(s)
K
p
1
K d Td 1 Td
s s
(t)
Kp
e0
K e e
e0
e(t)
(t) K pe0
PI
控制器
(t
)
K
p
e(t
)

• 解决的办法是使抑制误差的作用变化“超前”， 即在误差接近于零时，抑制误差仅是放大误差的 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。
3.变频器内置PID功能
• PID闭环运行，必须首先选择PID闭环功能有 效的情况下，变频器按照给定值和反馈值进行 PID调节。PID调节是过程控制中应用得十分普遍 的一种控制方式。它是使控制系统的被控物理量 能够迅速而准确地接近于控制目标的基本手段。
• (3)多段速只有在在外部操作模式或PU/外部组合 操作模式（Pr.79 = 3，4）中有效。
• (4)当用Pr.180～Pr.186改变端子功能分配时，有 可能对其他的功能产生影响。请确定各端子的功能 后再进行设定。
图3.14 多段速运行示意图
• 对于变频器来说，比例控制实际上就是 将偏差信号（XT－XF）放大了KP倍后再作 为频率给定信号。
•
• （2）积分控制 • 在积分控制中，控制器的输出与输入偏差信号
的积分成正比关系。即使给定频率信号XG的变化 与KP（XT－XF）对时间的积分成正比。
• 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在 稳态误差，则称这个系统为有稳态误差的系统， 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。积分项对偏差取决于时间的积
• 在PID调节中，必须有两种控制信号： • （1）给定值（又称为设定值）。它是与被控物理
量的控制目标对应的信号。 • 在PID方式中，它指的是对测量值全范围中确定
一个符合现场控制要求的一个数值，并以该数值 为目标值，使系统最终稳定在此值的水平上或范 围内，并且越接近越好。
• 一方面，给定值是和所选传感器的量程有 关的。给定信号的大小由传感器量程的百 分数表示。例如，当目标压力为0.7MPa时， 如所选压力传感器的量程为0-1.0MPa（420mA电流输出），则对应于0.7MPa的给 定量为70％； 如所选压力传感器的量程为 0-5.0MPa（4-20mA电流输出），则对应 于0.6MPa的给定量为14％。

个小电机带一台水泵进行压力闭环控制，一般只用PI控制。P=1-10，
I=0.1-1，D=0，这些要在现场调试时进行修正的。
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图1 过程过渡质量指示图
上图是过程过渡质量指示图，也是干扰作用影响下的过渡过程， 用过渡过程衡量系统质量时，常用的指标有：
衰减比：前后两个峰值的比，如图1中的B：B’
余差： 就是过渡过程终了时的残余偏差，如图1中的C
微分（D）调节作用：微分作用反映系统偏差信号的 变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产 生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调 节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时 间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。此外， 微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输 出为零。微分作用不能单独使用。
I是解决动作响应的速度快慢的，可消除系统稳态误差，I变大时 响应速度变慢，反之则快；
D是消除静态误差的，提高系统动态特性，（减少超调量和反应
时பைடு நூலகம்），一般D设置都比较小，而且对系统影响比较小。
3
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TIC：P=20~60%，I=180~600s，D=3-180s； 压力PIC： P=30~70%，I=24~180s； 液位LIC： P=20~80%，I=60~300s； 流量FIC： P=40~100%，I=6~60s。
经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整 定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，有多个整 定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。
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下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：
A. 让调节器参数积分系数I=0，实际微分系数D=0，控制系统投入

调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。
超出这个“比例带”以外
调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保 持比例关系。
.
17
4.2 比例调节(P调节)
4.2.1 比例控制的调节规律和比例带 4.2.2 比例控制的特点 4.2.3 比例带对控制过程的影响
.
18
4.2.2 比例调节的特点
•如果Kc=1，则控制器输出u(t)变化在0～100%范围（对应阀 门的全关到全开），并与输入e(t)之间保持线性关系。 •Kc>1时，制器输出u(t)与输入e(t)之间的线性关系只在 -50%/Kc～50%/Kc满足。
.
11
4.2.1 比例控制的调节规律和比例带
• 当|e(t)|超出该范围时，控制器输出具有饱和特性
.
16
4.2.1 比例控制的调节规律和比例带
②δ具有重要的物理意义
u代表调节阀开度的变化量，δ就代表使调节阀开度改变
100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。
例如，若测量仪表的量程为100℃，则δ＝50% 就表示
被调量需要改变50℃才能使调节阀从全关到全开。
当被调量处在“比例带”以内
du Se
dt 0
图4-5 自力式气压控制阀结构原理图
.
33
4.3.1 积分控制的调节规律
2 积分调节的特点，无差调节
积分调节的特点是无差调节
t
u S edt 00
e
u
t
t
只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就 要动作到把被调量的静差完全消除为止
而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输
出就会保持不变。
信号的积分成正比，即：

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游泳池注水
如果进水管的进水量是均匀的， 游泳池中的水位高度与进水的 时间是一一对应的。我们可以 在注水口处装一个定时器，通 过定时器来控制注水的水位。
设定注 入时间
（输入）
定时器
流水量
进水阀
游泳池
游泳池 的水位
（输出）
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闭环控制系统
水箱注水控制系统方框图：
设定 时间
作为一个完整的自动控制系统，至少需要包括三个元素；
1、控制部分：大脑；这个可理解成PID控制器。 2、执行部分：双脚；这个可理解成机器人系统的电机。 3、反馈部分：眼睛。 这个可理解成机器人系统编码器。
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案例阐述PID控制原理
采样周期 小刘接到老板这样一个
任务：右边水缸有点漏水 (而且漏水的速度还是变化 的)，老板要求水面高度维 持在目标位置，一旦发现水 面高度低于要求位置，就要 往水缸里加水。
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老板对任务的要求突然严了，水位控制的及时性要 求大大提高，一旦水位低于目标位，必须立即将水加到 要求位置，而且不能高出太多，否则不给工钱。小刘又 为难了！于是他又开动脑筋。
第41页/共45页
终于让他想到一个办法，常放一盆备用水在旁边，一 发现水位低了，不经过漏斗就是一盆水下去，这样及时性 是保证了，但水位有时会高出目标位。他又在目标水位上 面一点将水缸开一个孔，再接一根管子到下面的备用桶里， 这样多出的水会从上面的孔里漏出来。这个漏水的时间就 称为微分时间。
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积分（I）时间 它的作用：控制过去误差（可以理解成过去时）。
• 积分系数：积分状态“记忆”了前面所有的误差，让 控制器消除静态误差。

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水温调节的微分控制作用
调 节 热水 阀
冷水
控制装置 期望 水温
水温检测
温热水
若扰动使水温开始升高，则应降低热/冷水比值，且升温速度越快，降低越多；反 之若水温要降低，则应增大热/冷水比值，且降低速度越快，增大越多。即控制作 用与水温的变化率制的特点
• 微分控制是基于偏差的变化率，水温还没有变，刚有变化的趋势，调节作用就开 始了，所以微分控制具有“超前”或“预测”的性质，可以及时地抑制水温的变 化。
• 微分控制只在系统的动态过程中起作用，系统达到稳态后微分作用对控制量没有 影响，所以不能单独使用，一般是和比例、积分作用一起构成PD 或PID调节器。
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小到一定程度才投入积分作用的“积分分离” 控制、能自动计算控制参数的参数 自整定PID控制、能随时根据系统状态调整控制参数的自适应或智能型PID控制等。 • PID控制是以简单的控制结构来获得相对满意的控制性能，控制效果有限，且对时 变、大时滞、多变量系统等常常无能为力。
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谢谢大家观赏！
调 节 热水 阀
冷水
控制装置 期望 水温
水温检测
温热水
若水温低于期望值，则将输入增大一些，如果还没有达到，就再增大一些，这样一 点一点地调节，直到水温合适为止；控制输入包含对偏差的积分，即偏差在时间 上的累积，可以最终消除偏差。
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积分控制的特点
• 只要偏差不为零，偏差就不断累积，从而使控制量不断增大或减小，直到偏差为 零为止。
• 积分作用一般和比例作用配合组成PI调节器，并不单独使用，原因是积分控制作 用比较缓慢。
例如，水温很低，也就是偏差很大，本应该大幅度增 大输入量，使水温尽快上升，但若只有积分控制，则输 入量只能逐渐增大，水温上升缓慢；而比例作用则是误 差越大，控制作用越强。

K p 300, Ki 0 K p 30, Ki 70
K p 30, Ki 70 K p 300, Ki 70
左图显示了未加入和加入积分作用时的单位阶跃响应曲线。 加入积分作用时，需减小比例作用。右图显示了不减小比例作用 时的结果。加入积分作用的缺点：增加调整时间，降低快速性。 优点：消除稳态误差。如果希望系统各方面的性能指标都达到满 意的程度，一般要采取PID控制。
把原始的系统看作开环系统，加入比例积分控制器，并构 成闭环系统。闭环系统的结构图和传递函数分别为：
F (s)

Kp

Ki s
1
X (s)
s2 10s 20
X (s) F (s)

s3
10s 2
K ps Ki (20 K p )s

Ki
7.5 PID控制
考虑到加入积分作用会影响稳定性，因此，加入积分作用时， 要减小比例作用。加入比例积分控制器后的阶跃响应曲线图如下：
在低频区，主要是PI控制器起作用，用以提高系统型别，消 除或减小稳态误差；
在中、高频区，主要是PD控制器起作用，用以增大幅值穿 越频率和相位裕度，提高系统的响应速度。
因此，PID控制器可以全面地提高系统的性能。
7.5 PID控制
例：比例作用Kp对控制系统的影响。
D(s)
R(s) E(s) K p U (s)
PD控制器是超前校 正装置的一种简化形式。
利用PD控制器提供的相位超前，使系统的相位裕 度增大。而且，由于校正后系统的幅c 值穿越频率 增大，系统的响应速度变快了。
7.5 PID控制
6. 比例积分微分(PID)控制器
Gc
(s)