基本PID算法和数字PID控制器.doc

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1、超级实用的PID控制原理和算法（ProportionalIntegralDerivative）PID控制原理和特点工程实际中，应用最为广泛调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。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主要技术之一。其结构框图：当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器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﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制

2、技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是将系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。1、比例控制（P）：PID控制与人工控制的控制策略有很多相似的地方。例如：操作人员用比例控制的思想来手动控制电加热炉的炉温。假设用热电偶检测炉温，用数字仪表显示温度值。在控制过程中，操作人员用眼睛读取炉温，并与炉温给定值比较，得到温度的误差值。然后用手操作电位器，调节加热的电流，使炉温保持在给定值附近。操作人员知道炉温稳定在给定值时电位器的大致位置，并根据当时的温度误差值调整控制加热电流的电位器的转角。炉温小于给定值时，误差为正，增大电位器的转角，以

3、增大加热的电流。炉温大于给定值时，误差为负，减小电位器的转角，并令转角的大小与误差成正比。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器输出中的比例部分与误差成正比。闭环中存在着各种各样的延迟作用。例如调节电位器转角后，到温度上升到新的转角对应的稳态值时有较大的时间延迟。由于延迟因素的存在，调节电位器转角后不能马上看到调节的效果，因此闭环控制系统调节困难的主要原因是系统中的延迟作用。  比例控制的比例系数如果太小，调节的力度不够，使系统输出量变化缓慢，调节所需的总时间过长。比例系数如果过大，调节力度太强，将造成调节过头，甚至使温度忽高忽低，来回震荡。增大比例系数使系统反

4、应灵敏，调节速度加快，并且可以减小稳态误差。但是比例系数过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，比例系数太大甚至会使闭环系统不稳定。（结合下图，阶跃响应曲线说明上述过程）图1 阶跃响应曲线比例控制是最常用的控制手段之一，比方说我们控制一个加热器的恒温100度，当开始加热时，离目标温度相差比较远，这时我们通常会加大加热功率，使温度快速上升，当温度超过100度时，我们则关闭输出，通常我们会使用这样一个函数：e(t)=R-y(t)R——设定值；e(t)——误差值；y(t)——反馈值，也是系统的输出量u(t)——控制器的输出值；P——比例系数滞后性不

5、是很大的控制对象使用比例控制方式就可以满足控制要求，但很多被控对象中因为有滞后性。也就是说，如果设定温度是200℃，当采用比例方式控制时，如果P选择比较大，则会出现当温度达到200℃时，控制器输出为0后，温度仍然会止不住的向上爬升，比如升至230℃（这种现象称为“超调”），然后才开始下降，当温度低于200℃继续回落，尽管这时输出开始出力加热，但温度仍然会向下跌落一定的温度才会止跌回升，比如降至170℃，最后整个系统会稳定在一定的围进行振荡。如果这个振荡的幅度是允许的，比方说家用电器的控制，那则可以选用比例控制。2、比例积分控制（PI）：积分的存在是针对比例控制中“

6、有差值”和“振荡”的特点提出的改进，它常与比例一块进行控制，也就是PI控制。其公式有很多种，但大多差别不大，标准公式如下：；；u(t)——控制器的输出；Kp——比例放大系数；Ki——积分放大系数e(t)——误差，∑e(t)就是误差的累加（累积），积分！u0——控制量基准值（基础偏差）积分项是一个历史误差的累积值，如果只用比例控制时，要不就是达不到设定值要不就是振荡，在使用了积分项后就可以解决达不到设定值的静态误差问题，比方说一个控制中使用了PI控制后，如果存在静态误差，输出始终达不到设定值，这时积分项的误差累加值会越来越大，这个累加值乘上Ki后会在输出的比重中越占

7、越多，使输出u(t)越来越大，最终达到消除静态误差的目的。如果积分项的系数设置得不好，其负面作用很难通过积分作用本身迅速地修正。而比例控制没有延迟，只要误差一出现，比例部分就会立即起作用。因此积分作用很少单独使用，它一般与比例和微分联合使用，组成PI或PID控制器。  PI控制的参数整定方法：1、先将I值设为0，将P值放至比较大，当出现稳定振荡时，我们再减小P值直到P值不振荡或者振荡很小为止（术语叫临界振荡状态），在有些情况下，我们还可以在些P值的基础上再加大一点。2、加大I值，直到输出达到设定值为止。3、等系统冷却后，再重上电，看看系统的超调是否过大，加热速度是

8、否太慢。通