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经典P I D与模糊P I D 控制29695)4)(3)(1(2)(+++=s s s ss G 经典PID 与模糊PID 控制一、PID 控制规律控制输出由三部分组成：比例环节——根据偏差量成比例的调节系统控制量,以此产生控制作用,减少偏差。
比例系数的作用是加快系统的响应速度,比例系数越大,系统响应速度越快,系统的调节精度越高,但容易产生超调,甚至会导致系统的不稳定;比例系数过小,会降低系统调节精度,系统响应速度变慢,调节时间变长,系统动态、静态特性变坏。
比例控制是最简单的控制结构，然而，它也能使系统满足某一方面的特性要求，如GM 、PM 、稳态误差等。
积分环节——用于消除静差,提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数TI 的大小, TI 越小,积分作用越强。
需要注意的是积分作用过强,可能引起系统的不稳定。
微分环节——根据偏差量的变化趋势调节系统控制量,在偏差信号发生较大的变化以前,提前引入一个早期的校正注意的是微分作用过强,可能引起系统的振荡。
已知被控对象的数学模型：二、经典PID 设计由于在设计PID 控制器中要调整3个参数，根轨迹与波特图设计方法通常不被直接采用。
Ziegler 与Nichols 发展了PID 调节器设计方法。
该方法基于简单的稳定性分析方法。
首先，置0==I D K K ，然后增加比例系数直至系统开始振荡（即闭环系统极点在jw 轴上）。
再将该比例系数乘0.6，其他参数按下式计算：m P K K 6.0= m P D w Pi K K 4= Pi w K K m P I =式中，m K 为系统开始振荡时的K 值；m w 为振荡频率。
然而，该设计方法在设计过程中没有考虑任何特性要求。
但是Ziegler 与Nichols 发现这种设计方法给予过程控制器提供了好的工作性能。
工程师们的多年实践经验证明，这种设计方法的确是一种好的方法。
根据给定传递函数用SIMULINK 搭建结构图如下：起振时m K =391，如图：根据公式计算Kp 、I K 、D K 分别为234.6、276、49.8525 此时对于常数3的响应曲线如图：可见，此时系统振荡，不稳定，继续等比例调节参数得新参数65、77、14，得响应曲线：可见此时系统响应时间过长，而且存在比较大的静态误差，为了减小响应K，同时调节过程中会因参数变动时间应增大Kp，为了减小静态误差应增大I产生超调量，综合以上几点性能决定确定参数为120、300、14。
PID控制经典培训教程一、引言PID控制是自动控制领域最经典、应用最广泛的一种控制策略。
PID控制器因其结构简单、稳定性好、可靠性高、易于调整等优点，在工业控制、航空航天、技术等领域有着广泛的应用。
本教程旨在帮助读者深入理解PID控制原理，掌握PID控制器的设计、参数调整和应用技巧。
二、PID控制原理PID控制器由比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）三个环节组成，其基本原理是根据控制对象的实际输出与期望输出之间的误差，对控制对象进行相应的调节。
1.比例控制（P）比例控制是根据误差的大小进行调节，其控制作用与误差成正比。
比例控制可以减小误差，提高系统的响应速度。
但比例控制无法消除稳态误差，可能导致系统在期望值附近波动。
2.积分控制（I）积分控制是对误差的累积进行调节，其控制作用与误差的累积成正比。
积分控制可以消除稳态误差，提高系统的稳态性能。
但积分控制可能导致系统的超调量和响应速度降低。
3.微分控制（D）微分控制是对误差的变化率进行调节，其控制作用与误差的变化率成正比。
微分控制可以提高系统的稳定性和响应速度，减小超调量。
但微分控制对噪声敏感，可能导致系统在期望值附近波动。
三、PID控制器的设计与参数调整1.确定控制对象和控制目标在设计PID控制器之前，要明确控制对象和控制目标。
控制对象是指需要进行控制的物理量，如温度、压力、位置等。
控制目标是指期望的控制对象达到的值或状态。
2.选择PID控制器类型根据控制对象的特点和控制目标的要求，选择合适的PID控制器类型。
常见的PID控制器类型有：（1）P控制器：适用于控制对象无稳态误差或稳态误差较小的情况。
（2）PI控制器：适用于控制对象有稳态误差，且对响应速度要求较高的情况。
（3）PD控制器：适用于控制对象有稳态误差，且对超调量要求较低的情况。
（4）PID控制器：适用于控制对象有稳态误差，且对超调量和响应速度都有一定要求的情况。
工业控制中PID控制方法的使用教程PID（比例-积分-微分）控制是一种广泛应用于工业控制中的经典控制方法。
它通过根据当前偏差的大小来调整控制器的输出，实现对系统的稳定性和精度的控制。
在本文中，我们将介绍PID控制的基本原理、参数调整方法和应用实例，帮助读者理解和应用PID控制方法。
一、PID控制的基本原理PID控制的基本原理是根据当前偏差的大小，将比例项、积分项和微分项的加权和作为控制器的输出。
具体而言，PID控制器的输出可以表示为：\[u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}\]其中，u(t)为控制器的输出，e(t)为设定值与实际值之间的偏差，Kp、Ki和Kd分别为比例项、积分项和微分项的增益。
1. 比例项（Proportional）：比例项根据当前偏差的大小来调整控制器的输出。
它的作用是使控制器能够迅速响应偏差变化，并带来一定的调节力，但常常会导致系统的震荡和超调。
2. 积分项（Integral）：积分项根据偏差的累积值来调整控制器的输出。
它的作用是使控制器能够消除静差，并实现系统的精确控制。
然而，过大的积分时间常数可能导致系统的不稳定性和超调。
3. 微分项（Derivative）：微分项根据偏差的变化率来调整控制器的输出。
它的作用是使控制器能够预测系统的未来偏差趋势，并提前调整控制器的输出。
过大的微分时间常数可能会引入噪声响应和系统不稳定。
通过调整比例项、积分项和微分项的增益，可以在控制过程中平衡系统的响应速度、精度和稳定性。
二、PID控制参数的调整方法PID控制器的性能取决于控制参数的选择。
通常情况下，PID控制参数的调整是一个经验性的过程，需要根据实际系统的特性和控制要求进行实验和优化。
1. 手动调整方法：手动调整方法是一种简单直接的方法，适用于对系统特性有一定了解的情况。
手动调整需要根据系统的响应曲线，通过逐渐调整比例增益、积分时间常数和微分时间常数，以达到满足控制要求的效果。
PID控制§ 1 PID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。
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。
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。
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。
PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最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控制技术最为方便。
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，最适合用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最简单的控制方式。
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。
§ 2 PID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。
§ PID控制器基本结构PID：P roportional I ntegral D erivativePID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”y r y oe uPID G（S）PID 控制器的输入输出关系为：de (t ) t∫ u (t ) = K P e (t )+ K I e (t )dt + K D dt 0 相应的传递函数为：G (s ) = U (s ) = K + K I s + K D s P E (s )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。
P （比例）控制R 2R 1 - + u i (t ) u o (t ) G c (s ) = U o (s ) R 2 = ∆ K PU i (s ) R2P控制对系统性能的影响：K p>1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。
K p<1时：与K p>1时，对系统性能的影响正好相反。
I （积分）控制CR-+u i (t )u o (t )G c (s ) = U o (s ) 1 1 = ∆ U i (s ) RCSTS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。
-90 0 -180D（微分）控制RC-+u i(t)uo(t)G c(s) = U o(s) = RCS ∆TSU i(s)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。
90 0-90 0 -180§ PD（比例-微分）控制器PD 控制器的输入输出关系为：u (t ) = K P e (t )+ K D de (t )dt相应的传递函数为：G (s ) = U (s ) E (s ) = K P + K D s = K P (1+s )w d K PK Dw d =L(w)(dB)+20dB/dec 0控制器的w d20lg K Pϕ(w)图90o45ooPD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§ PI（比例-积分）控制器PI控制器的输入输出关系为：t∫u(t) = K P e(t)+ K Ie(t)dt0相应的传递函数为：K I (1+ s )U(s)K Is wIG(s) = = K P +E(s)=sw I = K IK PL(w)(dB)PI控制器的Bode图-20wI 20lg K Pϕ(w)o-45o-90oPI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§ PID（比例-积分-微分）控制器 PID 控制器的输入输出关系为：de (t ) t∫ u (t ) = K P e (t )+ K I e (t )dt + K D dt 0 PID 控制器的传递函数为：G (s ) = = K P + K I + = + U (s ) K s (1 K D S )(K P 2+ K I 2 ) D E (s ) s s 1PID 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。
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§ 3-1-1 DDC 系统的组成原理给定值 被控变量 输出通道D/A输入通道 A/D 计算机 广义对象 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§3-1-2 DDC 系统的PID 控制算式⎛ ⎛ 1 de d dt ∫ ⎛ ⎛ ⎛ P = k e + edt +T ⎛ c T i⎛ ⎛ K c ——比例增益T d ——微分时间 T i ——积分时间 P ——PID 调节器的输出信号 e ——给定值与测量值之差⎛ ⎛ 1 de d dt ∫ ⎛ ⎛ ⎛ P = k e + edt +T ⎛ c T i⎛ ⎛ ⎛ n离散化方法：∑ ∫ edt =&Ts e ⎛ i ⎛i =0 ⎛de =&e n − e n −1 ⎛ ⎛ dt T s ⎛T s ——采样周期 ●位置型PID 控制算式⎛ ⎛ T n e i + T d (e n − e ) ∑ P n = k e + s ⎛ ⎛ ⎛c nn −1 T i T ⎛ i =0 s P n ——第n 次采样时计算机输出值 e n ——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：⎛ ⎛n −1T e i + T d (e n −1 − e ) ∑ P n −1 = K e +s ⎛ ⎛ ⎛ c n −1 n −2 T T ⎛ i i −1 s 两次采样计算机输出的增量为：⎛ ⎛ ∆P n = P n − P n −1 = K (e n − e n −1)+ T s e n + T d (e n − 2e n −1 +e ) ⎛ ⎛ ⎛c n −2 T T s⎛ i = K c (e n − e n −1)+ K I e n + K D (e n − 2e n −1 +e n −2) T sc T i K I = K K I ——积分系数K D ——微分系数T dcT s K D = K●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：⎛ ⎛ ⎛ ⎛ ⎛ c ⎛⎛ T T 2T K T ⎛ ⎛ ⎛ ⎛ ∆P n = K 1+ + e − K 1+ e + n −1 e n −2 s d d c d ⎛ ⎛ ⎛ s c n T T iT s T s ⎛ ⎛ 令三个动态参数为中间变量：⎛ ⎛ T T T dcT s ⎛ ⎛ ⎛ ⎛ ⎛A = K 1+ + 2T s d C = K ⎛ ⎛ ⎛ ⎛B = K 1+ d c T T i⎛ ⎛ ⎛ c T s s ⎛ ⎛则有：∆P n = Ae n − Be n −1 + Ce n −2●特殊形式的PID 算式 ●●积分分离PID 算式 设逻辑系数：⎛ 1 e n ≤ AK l =⎛⎛ ⎛0e n > A ⎛ 对增量型PID 算式改进为：∆P n = K c (e n − e n −1)+ K l K I e n + K D (e n − 2e n −1 +e n −2)●●带有死区的PID 算式 控制算式为：⎛ ≥ e B ∆ = ∆ P P n ⎛ n n ⎛ ⎛e < B∆P n = 0⎛ n●●不完全微分的PID 算式 不完全微分的PID 传递函数为：⎛ ⎛ ⎛ ⎛ ⎛ ⎛ P (s ) = K ⎛1+ 1+ T d s c1+ T s E (s ) ⎛T s d i ⎛ ⎛ ⎛K ⎛ d P (s ) = P pi (s )+ P d (s )T d s⎛ ⎛⎛ 1 P d (s ) = K c E (s )P pi (s ) = K 1+ E (s ) ⎛ 1+ T d s c T s i⎛ ⎛ K dP pi (n ) = K c ⎛⎛e (n )+ T e (i )⎛⎛ n ∑ sT ⎛ ⎛i i =0将微分部分化成微分方程：T d dp d (t ) + p d (t ) = K c T d de (t ) K dt ddt 将微分项化成差分项：T d P d (n )− P d (n −1) + P d (n ) = K c T d e (n )−e (n −1) K d T s T sT dK d d T K c[e (n )− e (n −1) ] P d (n ) = T +T s P d (n −1)+ T +T s ddK d K dT dK d 令：A = T +T ,B = T dd sK +T s d K dP d (n ) = BP d (n −1)+ T d K c [e (n )− e (n −1)]A不完全微分的PID 位置算式为：⎛ ⎛ T nT d K A ∑ c [e (n )− e (n −1) + BP d (n −1)] P d (n ) = K e (n )+ e (i ) + s⎛ ⎛ c T i ⎛ ⎛ i =0 ⎛ ⎛ n −1 T T d K A∑ c [e (n −1)− e (n − 2) + BP d (n − 2)]Θ P d (n −1) =K e (n −1)+e (i ) + s ⎛ ⎛ c T ⎛ ⎛i i =0 不完全微分的PID 增量算式为：∆P d (n ) = K c e (n )− e (n −1) + K c se (n )+ T d K A c [e (n )− 2e (n −1)+e (n − 2)][ ] T i[ ] + B P d (n −1)− P d (n − 2)●消除随机干扰的措施对于不同的随机干扰，可采取如下措施：●●平均值法在 nT 时刻附近连续采样8次，计算机求取平均值为：e(n) = e1(n)+ e2(n)+Λ +e8(n)8●●几个采样时刻的采样值求平均代替当次的采样值e(n) = e(n)+ e(n−1)+ e(n−2)+e(n−3)4e●● 四点中心差分法微分项：e(n-3) e e(n-1)e(n-2) e(n) T d [ T se (nT )− e (n −1)T ]t (nT)∆e (n ) =Te (n )− e + e (n −1)− e + e − e (n − 2) + e − e (n − 3)4削e 61T [e (n )− e (n − 3)+ 3e (n −1)− 3e (n − 2)]●●将矩形积分改为梯形积分n ne (i )+ e (i−1) ∑ ∑e (i ) → 2i =0i =0§3-2 DDC系统PID控制参数的选择及整定§3-2-1采样周期的选择● 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取较短的采样周期；反之，则长一些。
