Transcript PID控制算法

控制系统仿真与辅助设计
自动化工程系 刘继伟
授课教师联系方式
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刘继伟 讲师

电话：15902200817

办公室：2214
PID控制器
控制系统的典型结构
PID控制算法
PID控制器的表示形式
PID控制器类型
控制系统的典型结构
PID控制算法—比例(Proportion)
◦ 比例控制算法
 时域表达式：U(t)=Kce(t)
 传递函数：Wp(s)=U(s)/E(s)=Kc
3
SP
3
100s+1
Subtract
Kc
Transfer Fcn
Scope
对象响应(Kc=850)
对象响应(Kc=3)
对象响应(Kc=6)
对象响应(Kc=3)

比例控制的特点
78
2.4x 10
2.2
2.52
1.8
1.6
2
1.4
1.2
1.51
0.8
0.6
0.4
1
0.2
0
0.5 0
)
0
2.4
2.2
-0.5
2
1.8
1.6
-1
1.4
1.2
-1.51
0.8
0.6
-2
0.4
0.2
-2.500
0
2.4
2.2
◦ 有差调节
SP
SP
PV
PV
◦ 调节及时、迅速
◦ 比例系数过大引起系统振荡甚至发散
50
100
150
时间/s
200
250
300
SP
PV
50
100
50
100
150
时间/s
150
时间/s
200
200
250
250
300
300
PID控制算法—积分(Integral)
◦ 积分控制算法
 时域表达式：𝑈 𝑡 =
 传递函数：𝑊𝑖 𝑠 =
-KSP
Subtract1
1/Ti
1
𝑻𝒊
𝑒 𝑡 𝑑𝑡
1
𝑻𝒊 𝑆
3
1
s
100s+1
Integrator
Transfer Fcn1
Scope1

积分控制的特点
◦ 消除稳态偏差，实现无差调节
◦ 调节过程缓慢
◦ 积分作用过强引起系统不稳定
220
对象响应(Ki=0.14)
对象响应(Ki=11000)
3.5 x 10
3
1
2.5
2
1.5
0
1
0.5
-1
0
0
SP
PV
200
200
400
400
600
600
时间/s
时间/s
800
800
1000
1000
SP
PV
1200
1200
PID控制算法—微分(Derivative)

微分控制
◦ 时域表达式：𝑢 𝑡 =
𝑑𝑒 𝑡
𝑇𝑑
𝑑𝑡
◦ 传递函数：Wd(s)=Tds
-KSP
du/dt
3
100s+1
Subtract2
Td
Derivative
Scope2
Transfer Fcn2
DCon
To Workspace3
微分控制的特点
◦ 有差调节
◦ 控制作用与偏差变化速度成正比
2.5
SP
PV
2
对象输出

1.5
1
0.5
0
0
50
100
150
200
250
时间 /s
300
350
400
450
500
PID控制器的表示形式
PID控制器类型

PID控制器类型
◦ 通常，比例控制、微分控制、积分控制不会单
独使用
◦ PI控制器
◦ PD控制器
◦ PID控制器
控制器的正作用与反作用

控制器的正作用与反作用
控制器的正作用与反作用

实例--液位的控制
◦ 进水阀
 阀门开大液位升高
◦ 出水阀
 阀门开大液位降低
◦ 执行器（阀门）输出相
同，对象响应截然相反。
控制器的正作用与反作用

正作用
◦ 当被控过程的输入量增加（或减少）时，其输出
亦增加（或减小）

反作用
◦ 当被控过程的输入量增加（或减小）时，其输出
减小（或增加）
控制系统应该如何设计？
控制器的正作用与反作用
正作用
反作用
SP-PV
PV-SP
PID控制算法的改进
积分分离
微分先行
积分分离

PID控制系统中，若积分作用太强，会使系统
产生过大的超调量，振荡剧烈，且调节时间
过长。

积分分离：在系统误差较大时，取消积分作
用，在误差减小到一定值后，再加上积分作
用，以减小超调，改善动态特性。
微分先行

微分算法
◦ 对偏差进行微分
◦ 对输出量进行微分


对于给定值频繁升降的系统，输出量与设定值之间
的偏差会频繁跳变，如果对偏差进行微分会使微分
结果产生剧烈的脉冲变化，不利于系统的稳定；
输出值作为工业过程的输出，一般不会产生突变。
若采用对输出值进行微分的先行微分算法，在预测
过程输出的变化趋势的同时，避免了控制量的脉冲
式突变，有利于系统稳定。
PID参数的整定

Ziegler-Nichols整定法
◦ 传统的PID经验整定法
 关闭控制器的I和D，加大P使对象产生振荡；
 减小P，找到系统的临界振荡点；
 加大I，使系统达到设定值；
 重新上电，观察超调等指标是否符合系统要求；
 控制器微调