自动控制学习笔记ID控制原理

pid控制的基本原理PID控制的基本原理。

PID控制是一种常见的控制算法，它可以用来控制各种各样的系统，从家用电器到工业自动化系统都有广泛的应用。

PID控制器是由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成的，它通过对系统的测量值和设定值进行比较，然后计算出一个控制量来调节系统的输出，使系统的实际输出值尽可能地接近设定值。

在本文中，我们将介绍PID控制的基本原理，包括每个部分的作用和如何调节PID参数，以及PID控制在实际系统中的应用。

比例部分（P）是根据系统的测量值和设定值之间的差异来产生一个控制量，它的作用是使系统的输出值与设定值之间的差异尽可能地减小。

比例部分的输出量正比于系统的误差，当误差较大时，比例部分的输出也会相应增加，从而加快系统的响应速度。

然而，比例控制器也存在一个问题，就是会产生静差，即系统的输出值无法完全等于设定值，这时需要积分部分来进行补偿。

积分部分（I）是根据系统的误差累积值来产生一个控制量，它的作用是消除系统的静差，使系统的输出值尽可能地接近设定值。

积分部分的输出量与系统的误差累积值成正比，当系统的误差较大且持续时间较长时，积分部分的输出也会相应增加，从而逐渐减小系统的静差。

然而，积分控制器也存在一个问题，就是会产生超调，即系统的输出值会超过设定值，这时需要微分部分来进行调节。

微分部分（D）是根据系统的误差变化率来产生一个控制量，它的作用是抑制系统的超调，使系统的输出值尽可能地稳定。

微分部分的输出量与系统的误差变化率成正比，当系统的误差变化率较大时，微分部分的输出也会相应增加，从而减小系统的超调。

然而，微分控制器也存在一个问题，就是会放大系统的噪声，这时需要合理设置微分时间常数来平衡系统的响应速度和稳定性。

PID控制器的参数调节是一个重要的问题，它直接影响到系统的性能和稳定性。

通常情况下，可以采用试错法来进行参数调节，即先将积分和微分部分的参数设为零，然后逐步增加它们的值，直到系统的性能和稳定性达到最佳状态。

自动控制原理知识点总结自动控制原理是一门研究自动控制系统的基本理论和方法的学科，它对于理解和设计各种控制系统具有重要意义。

下面将对自动控制原理的一些关键知识点进行总结。

一、控制系统的基本概念控制系统是由控制对象、控制器和反馈环节组成的。

控制对象是需要被控制的物理过程或设备，例如电机的转速、温度的变化等。

控制器则是根据输入的控制信号和反馈信号来产生控制作用，以实现对控制对象的期望控制。

反馈环节则将控制对象的输出信号反馈给控制器，形成闭环控制，从而提高系统的控制精度和稳定性。

在控制系统中，常用的术语包括输入量、输出量、偏差量等。

输入量是指施加到系统上的外部激励，输出量是系统的响应，而偏差量则是输入量与反馈量的差值。

二、控制系统的数学模型建立控制系统的数学模型是分析和设计控制系统的基础。

常见的数学模型有微分方程、传递函数和状态空间表达式。

微分方程描述了系统输入与输出之间的动态关系，通过对系统的物理规律进行分析和推导，可以得到微分方程形式的数学模型。

传递函数则是在零初始条件下，输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。

它将复杂的微分方程转化为简单的代数形式，便于系统的分析和设计。

状态空间表达式则是用一组状态变量来描述系统的内部动态特性，能够更全面地反映系统的性能。

三、控制系统的性能指标为了评估控制系统的性能，需要定义一些性能指标。

常见的性能指标包括稳定性、准确性和快速性。

稳定性是控制系统能够正常工作的前提，如果系统不稳定，输出将无限制地增长或振荡，无法实现控制目标。

准确性通常用稳态误差来衡量，它表示系统在稳态时输出与期望输出之间的偏差。

快速性则反映了系统从初始状态到达稳态的速度，常用上升时间、调节时间等指标来描述。

四、控制系统的稳定性分析判断控制系统的稳定性是自动控制原理中的重要内容。

常用的稳定性判据有劳斯判据和赫尔维茨判据。

劳斯判据通过计算系统特征方程的系数来判断系统的稳定性，具有计算简单、直观的优点。

第一章自动控制一般概念1.1自动控制基本原理及方式自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加设备和装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。

自动控制理论体系，以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计问题。

自动控制系统，为了实现各种复杂的控制任务，要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。

在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值。

反馈控制原理，在反馈控制系统中，控制装置对被控对象加以控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。

反馈控制系统的基本组成，一个系统必然包括被控对象和控制装置两大部分，控制装置是由具有一定职能的基本元件组成的。

测量元件，其职能是检测被动的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要再转换为电量。

给定元件，其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。

比较元件，其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出他们之间的偏差。

放大元件，其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。

执行元件，其职能是直接推动被控对象，是其被控量发生变化。

校正元件，也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。

反馈控制系统基本组成自动控制系统的基本控制方式，反馈控制方式、开环控制方式、复合控制方式。

反馈控制方式，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，是被控量与期望值趋于一致。

开环控制方式，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用产生影响。

自控原理知识点总结同济1. 系统建模系统建模是自控原理中的重要内容，它是指将具体的控制对象抽象成数学模型的过程。

系统建模的目的是为了方便后续的分析和设计工作。

通常可以采用状态空间法或传递函数法对系统进行建模。

状态空间法适用于描述动态系统的动态响应，而传递函数法则适用于描述系统的输入输出关系。

系统建模的关键是确定系统的结构和参数，建立准确的系统模型是进行自控原理分析和设计的前提。

2. 传递函数传递函数是描述线性时不变系统的重要工具，它用来描述输入与输出之间的关系。

传递函数可以通过系统的微分方程求解得到，通常表示为H(s)，其中s为复频域变量。

传递函数包括零点和极点两个重要概念，零点是使传递函数为0的频率点，极点是使传递函数为无穷大的频率点。

传递函数的性质可以通过其零点和极点来分析，从而确定系统的稳定性和动态特性。

3. 稳定性分析系统的稳定性是自控原理中非常重要的概念，它是指系统在受到一定扰动后，是否能够回到平衡状态或者永远保持在某个状态下。

常见的稳定性分析方法包括极点位置判据、Nyquist稳定性判据、Routh-Hurwitz稳定性判据等。

极点位置判据通过判断传递函数的极点位置来确定系统的稳定性，Nyquist稳定性判据通过绘制系统的 Nyquist 图来判断系统的稳定性，Routh-Hurwitz稳定性判据通过构造判别式矩阵来判断系统的稳定性。

稳定性分析是自控原理中的基础，它为后续的控制器设计和系统优化提供了重要的依据。

4. 根轨迹法根轨迹法是自控原理中常用的一种分析和设计方法，它通过画出系统传递函数的极点轨迹图来分析系统的稳定性和动态特性。

根轨迹图中，极点的位置随着控制器参数的变化而变化，通过调节控制器参数可以使系统的极点达到期望的位置，从而实现对系统的控制。

根轨迹法是一种直观的分析方法，它可以有效地帮助工程师快速理解系统的动态特性，为控制系统的设计提供了重要的参考。

5. 频域分析频域分析是自控原理中用来分析系统动态特性的重要方法，它通过分析系统在频域下的响应特性来确定系统的稳定性和性能。

PID控制原理PID算法是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性（系统抵御各种扰动因素——包括系统内部结构、参数的不确定性，系统外部的各种干扰等的能力）好及可靠性高而被广泛地应用于过程控制和运动控制中。

尤其是随着计算机技术的发展，数字PID控制被广泛地加以应用，不同的PID控制算法其控制效果也各有不同。

将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。

模拟PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。

常规的模拟PID控制系统原理框图如图所示。

-+模拟PID控制系统原理图该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

图中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)(te) = r(t) − y(t) （式1－1）e (t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。

所以模拟PID控制器的控制规律为u(t) =Kp [e(t) +dt+Td]（式1－2）其中：Kp――控制器的比例系数Ti－－控制器的积分时间，也称积分系数Td――控制器的微分时间，也称微分系数1、比例部分比例部分的数学式表示是：Kp*e(t)在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。

偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。

控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数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也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。

故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。

2、积分部分积分部分的数学式表示是：从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差e(t)=0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。

pid控制的基本原理
PID控制是一种经典的控制方法，其基本原理是通过对被控制对象的误差、误差变化率和误差积分值进行加权求和，生成一个控制量，使被控制对象的输出接近期望值。

具体来说，PID控制器包括三个部分：比例部分（P）、积分部分（I）和微分部分（D）。

其中，比例部分是根据当前误差大小与期望值之间的差异，按比例关系生成控制量；积分部分是累加历史误差，以消除静态误差；微分部分是根据误差变化率的大小，来预测输出的趋势，以降低系统的超调和振荡。

三个部分的输出信号通过加权合成，得到控制器的总输出，用于控制被控制对象。

这种控制方法的优点在于，简单易用，适用范围广，可以灵活地调整参数以满足不同的系统需求。

但是，这种方法也存在着一些缺点，如对系统动态响应较慢、参数的调整比较困难、易产生抖动等。

@~@自动控制原理知识点总结第一章1.什么是自动控制？（填空）自动控制：是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，是被控量等于给定值或按给定信号的变化规律去变化的过程。

2.自动控制系统的两种常用控制方式是什么？（填空）开环控制和闭环控制3.开环控制和闭环控制的概念？开环控制：控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系特点：开环控制实施起来简单，但抗扰动能力较差，控制精度也不高。

闭环控制：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，既有被控量对被控过程的影响。

主要特点：抗扰动能力强，控制精度高，但存在能否正常工作，即稳定与否的问题。

掌握典型闭环控制系统的结构。

开环控制和闭环控制各自的优缺点？（分析题：对一个实际的控制系统，能够参照下图画出其闭环控制方框图。

）4.控制系统的性能指标主要表现在哪三个方面？各自的定义？（填空或判断）（1）、稳定性：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力（2）、快速性：通过动态过程时间长短来表征的e来表征的（3）、准确性：有输入给定值与输入响应的终值之间的差值ss第二章1.控制系统的数学模型有什么？（填空）微分方程、传递函数、动态结构图、频率特性2.了解微分方程的建立？（1）、确定系统的输入变量和输入变量（2）、建立初始微分方程组。

即根据各环节所遵循的基本物理规律，分别列写出相应的微分方程，并建立微分方程组（3）、消除中间变量，将式子标准化。

将与输入量有关的项写在方程式等号的右边，与输出量有关的项写在等号的左边3.传递函数定义和性质？认真理解。

（填空或选择）传递函数：在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉普拉斯变换域系统输入量的拉普拉斯变换之比5.动态结构图的等效变换与化简。

三种基本形式，尤其是式2-61。

主要掌握结构图的化简用法，参考P38习题2-9（a）、（e）、（f）。

（化简）等效变换，是指被变换部分的输入量和输出量之间的数学关系，在变换前后保持不变。

自动化控制系统中的PID调节技术自动化控制系统中的PID调节技术是一种常用的控制方法。

PID是比例-积分-微分的缩写，是一种经典的控制算法。

PID控制器可以根据被控制对象的输入信号和输出信号的差异，自动调节控制器的输出信号，使被控制对象按照期望的方式运行。

一、PID控制器的原理及组成PID控制器由三个部分组成：比例控制器（P），积分控制器（I）和微分控制器（D）。

这三个组成部分的输出信号分别与被控制对象的输入信号相加，形成PID控制器的输出信号。

比例控制器：比例控制器的输出信号与被控制对象的输入信号成比例。

比例控制器的作用是根据被控制对象当前的状态，产生一个与其偏差成比例的输出信号。

比例控制器的参数称为比例增益。

积分控制器：积分控制器的输出信号与被控制对象的输入信号积分。

积分控制器的作用是根据被控制对象的历史状态，产生一个与历史偏差的累积值成比例的输出信号。

积分控制器的参数称为积分时间。

微分控制器：微分控制器的输出信号与被控制对象的输入信号微分。

微分控制器的作用是根据被控制对象的变化速率，产生一个与变化率成比例的输出信号。

微分控制器的参数称为微分时间。

二、PID调节技术的应用场景PID调节技术广泛应用于各个领域的自动化控制系统中。

下面以工业控制系统为例，介绍PID调节技术的应用场景。

1. 温度控制：在加热加工过程中，温度的自动控制是十分重要的。

PID控制器可以根据温度传感器的反馈信号，自动调节加热设备的输出，使得温度始终稳定在设定值附近。

这在生产过程中可以提高产品质量和效率。

2. 速度控制：在机械传动系统中，控制转速的平稳性对于保证设备正常运行十分重要。

PID控制器可以根据速度传感器的反馈信号，自动调节电机的输出，使设备运行的速度能够适应不同的工况需求。

3. 液位控制：在储液设备或者管道系统中，液位的自动控制对于避免溢流或者干涸具有重要意义。

PID控制器可以根据液位传感器的反馈信号，自动调节液位控制阀的开度，使液位维持在设定范围内。

PID控制原理与控制算法5.1 PID控制原理与程序流程5.1.1过程控制的基本概念过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。

一、模拟控制系统图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。

控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。

二、微机过程控制系统图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。

控制规律的实现，是通过软件来完成的。

改变控制规律，只要改变相应的程序即可。

三、数字控制系统DDC图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。

微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。

由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。

DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。

5.1.2 模拟PID 调节器一、模拟PID 控制系统组成图5－1－4 模拟PID 控制系统原理框图 二、模拟PID 调节器的微分方程和传输函数 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

1、PID 调节器的微分方程 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDIP dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()(三、PID 调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

PID控制原理PID算法就是最早发展起来得控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性(系统抵御各种扰动因素——包括系统内部结构、参数得不确定性,系统外部得各种干扰等得能力)好及可靠性高而被广泛地应用于过程控制与运动控制中。

尤其就是随着计算机技术得发展,数字PID控制被广泛地加以应用,不同得PID控制算法其控制效果也各有不同。

将偏差得比例(Proportion)、积分(Integral)与微分(Differential)通过线性组合构成控制量,用这一控制量对被控对象进行控制,这样得控制器称PID控制器。

模拟PID控制原理在模拟控制系统中,控制器最常用得控制规律就是PID控制。

常规得模拟PID控制系统原理框图如图所示。

(te) = r(t) − y(t) (式1－1)e (t)作为PID控制得输入,u(t)作为PID控制器得输出与被控对象得输入。

所以模拟PID控制器得控制规律为u(t) =Kp [e(t) +dt+Td](式1－2)其中:Kp――控制器得比例系数Ti－－控制器得积分时间,也称积分系数Td――控制器得微分时间,也称微分系数1、比例部分比例部分得数学式表示就是:Kp*e(t)在模拟PID控制器中,比例环节得作用就是对偏差瞬间作出反应。

偏差一旦产生控制器立即产生控制作用,使控制量向减少偏差得方向变化。

控制作用得强弱取决于比例系数Kp,比例系数Kp越大,控制作用越强,则过渡过程越快,控制过程得静态偏差也就越小;但就是Kp越大,也越容易产生振荡,破坏系统得稳定性。

故而,比例系数Kp选择必须恰当,才能过渡时间少,静差小而又稳定得效果。

2、积分部分积分部分得数学式表示就是:从积分部分得数学表达式可以知道,只要存在偏差,则它得控制作用就不断得增加;只有在偏差e(t)=0时,它得积分才能就是一个常数,控制作用才就是一个不会增加得常数。

可见,积分部分可以消除系统得偏差。

积分环节得调节作用虽然会消除静态误差,但也会降低系统得响应速度,增加系统得超调量。