PID控制原理和形式

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1、2021年9月20日1PID控制原理和形式2021年9月20日23.1概述概念：系统偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)的综合控制，简称PID控制特点：算法简单、鲁棒性强和可靠性高发展：气动->电动->电子->数字2021年9月20日33.2PID控制原理在连续和离散系统中，其关系式分别为：比例积分微分被控对象r(t)e(t)u(t)y(t)2021年9月20日43.3PID控制算法1．位置式控制算法：首先要对连续系统进行离散化t≈kTPID位置式算法被控对象r(k)

2、e(k)y(k)u(k)y(k)执行器2021年9月20日51．位置式控制算法：控制器的输出为：可简写为：缺点：这种算法每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，容易造成积分饱和，计算机运算工作量很大。2021年9月20日83．控制算法的改进由于实际被控对象的复杂性，普通的PID控制算法通常很难满足控制要求，需要对PID控制算法进行改进，主要的改进算法有以下五种：1）积分分离PID控制算法2）遇限消弱积分PID控制算法3）不完全微分PID控制算法4）微分先行PID控制算法5）带死区的PID控制算法2021年9月

3、20日91）积分分离PID控制算法在常规PID控制器中，积分环节的作用是为了消除静差，提高精度。但是在过程的启动、结束或大幅度增减变化设定值时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PID运算的积分积累，引起很大的超调，甚至引起震荡，这是生产过程不允许的。在常规控制算法中引入积分分离，既可以保持积分作用，又可以减小超调量，改善控制性能。在常规PID控制算法中，积分项乘一个系数，则位置式PID控制算法可写成如下积分分离形式：优点：当偏差较小时，采用PID控制，当偏差较大时，采用PD控制，可大幅度降低超调量2021年9月20日102

4、）遇限消弱积分PID控制算法积分分离该PID控制算法中开始时不积分，而遇限消弱积分PID控制算法与之相反。控制算法的基本思路是：开始积分，而进入限制范围后停止积分。当控制进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只执行消弱积分的运算计算。在计算u(k)时，先判断u(k-1)是否超出限制值，若超出，则只累加负偏差；若未超出，则累加正偏差。该算法可避免长时间停留在饱和区。2021年9月20日113）不完全微分PID控制算法在常规PID控制器中，微分环节的作用是改善系统的动态性能，但对于干扰特别敏感。当误差扰动突变时，微分项的输出

5、仅在第一个周期起作用，对于时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能起到超前控制误差的目的。另外，微分项的输出幅值一般比较大，过快的变化，对执行机构会造成不利的影响。解决办法之一是在算法中加一个一阶惯性环节（低通滤波器），构成不完全微分PID控制算法，其传递函数如下：该算法的优点是：不但能抑制高频干扰，而且克服了普通数字PID控制的缺点，数字调节器输出的微分作用能在各个周期里按照偏差变化的趋势，均匀地输出，真正起到了微分作用，改善了控制系统的性能。2021年9月20日124）微分先行PID控制算法该算法先对输出量微分作用，其优

6、点在于避免因提降给定值时所引起的超调量过大或阀值动作过分剧烈而产生振荡等，适用于给定值频繁提降的场合。1+TdsR(s)E(s)U(s)2021年9月20日135）带死区的PID控制算法为了避免控制动作的过于频繁，消除由于动作频繁引起的振荡，可以采用带死区的PID控制算法。在算法中增加一个可调的死区参数，当偏差大于死区参数设定值时，控制器按照PID控制输出；而偏差小于等于死区参数设定值时，控制器不输出新的控制量，按原控制量输出。死区参数的具体数值可根据控制对象实际情况设定。2021年9月20日144．PID控制算法的特点1）

7、原理简单、结构简明、实现方便，能够满足大多数实际需要2）控制器适合于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性2021年9月20日15(一）调节器的调节规律比例调节(P调节)比例积分调节(PI调节)比例微分调节(PD调节)比例积分微分调节(PID调节)3.4控制器参数对系统性能的影响2021年9月20日16（二)比例调节(P调节)⑴比例调节器的调节规律⑵比例调节器的静态偏差⑶比例调节器的特点2021年9月20日17⑴比例调节器的调节规律输出信号与输入信号成比例的调节器称为比例调节器，简称P调节器。其调节规律为：式中，—

8、—比例调节器的输出信号；——比例调节器的输入信号；——比例调节器的比例系数。2021年9月20日18⑴比例调节器的调节规律2021年9月20日19⑴比例调节器的调节规律比例度δ:δ与Kp成反比比例带的物理意义是：调节器输出值变化100％时，所需输人变化的百分数。2021年9月20日20⑴比