控制工程基础第七章PPT讲稿.ppt

控制工程基础第七章2022/10/9北京科技大学自动化学院自动化系北京科技大学自动化学院自动化系1第1页，共65页，编辑于2022年，星期日 系统校正的几种常见古典方法系统校正的几种常见古典方法 PID PID模型形式模型形式 PID PID控制规律分析控制规律分析 PID PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法 本章要点本章要点第2页，共65页，编辑于2022年，星期日系统分析：系统分析：在系统的结构、参数已知的情况下，计算出它的性在系统的结构、参数已知的情况下，计算出它的性能。能。系系统统校校正正：在在系系统统分分析析的的基基础础上上，引引入入某某些些参参数数可可以以根根据据需需要要而而改改变变的的辅辅助助装装置置，来来改改善善系系统统的的性性能能，这这里里所所用用的的辅辅助助装置又叫装置又叫校正装置校正装置。一一般般说说来来，被被控控对对象象（G G2 2(S)(S)的的模模型型结结构构和和参参数数不不能能任任意意改改变变，可可以以称称之之为为控控制制系系统统的的“不不可可变变部部分分”。如如果果将将这这个个被被控控对对象象简简单单地地组组成成一一个个反反馈馈系系统统，常常常常不不能能满满足足控控制制要要求求。为为此此，人人们们常常常常在在系系统统中中引引入入某某种种环环节节校校正正装装置置（G G1 1(S)(S)，以以改改善善其其性性能能指标。指标。7.1 问题的提出第3页，共65页，编辑于2022年，星期日当当 时，可以求得当时，可以求得当 时，时，有有 恒定成立。说明系统输出恒定成立。说明系统输出Y(s)Y(s)不受干扰不受干扰N(s)N(s)的影响。的影响。（1）对干扰补偿的前馈补偿）对干扰补偿的前馈补偿被控对象被控对象我们已经初步学过的几种校正方法：我们已经初步学过的几种校正方法：7.1 问题的提出第4页，共65页，编辑于2022年，星期日（2）对给定输入进行补偿）对给定输入进行补偿7.1 问题的提出则则第5页，共65页，编辑于2022年，星期日下图表示引入了一个比例微分控制的二阶系统,系统输出量同时受偏差信号 和偏差信号微分 的双重控制。试分析比例微分校正对系统性能的影响。1-+（3）比例微分控制）比例微分控制7.1 问题的提出第6页，共65页，编辑于2022年，星期日系统开环传递函数闭环传递函数闭环传递函数:等效阻尼比：等效阻尼比：7.1 问题的提出第7页，共65页，编辑于2022年，星期日分析分析系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为右图是采用了速右图是采用了速度反馈控制的二度反馈控制的二阶系统。试分析阶系统。试分析速度反馈校正对速度反馈校正对系统性能的影响。系统性能的影响。U(s)Y(s)-kts（4）速度反馈控制）速度反馈控制7.1 7.1 问题的提出问题的提出第8页，共65页，编辑于2022年，星期日式中式中k kt t为速度反馈系数为速度反馈系数其中：其中：为系统的开环增益为系统的开环增益(不引入速度反馈开环增益不引入速度反馈开环增益 )闭环传递函数：闭环传递函数：7.1 问题的提出第9页，共65页，编辑于2022年，星期日等效阻尼比：等效阻尼比：显然显然 ，所以速度反馈可以增大系统的阻尼比，所以速度反馈可以增大系统的阻尼比,而而不改变无阻尼振荡频率不改变无阻尼振荡频率n n,因此因此,速度反馈可以改善系速度反馈可以改善系统的动态性能。统的动态性能。在应用速度反馈校正时在应用速度反馈校正时,应适当增大原系统的开环增益应适当增大原系统的开环增益,以补偿速度反馈引起的开环增益减小以补偿速度反馈引起的开环增益减小,同时适当选择速度同时适当选择速度反馈系数反馈系数K Kt t,使阻尼比使阻尼比t t增至适当数值增至适当数值,以减小系统的超调以减小系统的超调量量,提高系统的响应速度。提高系统的响应速度。以上的校正方法均具有重要的实际意义，本章重以上的校正方法均具有重要的实际意义，本章重点讲解一种工程上最为常用的点讲解一种工程上最为常用的PIDPID控制器的设计与实现。控制器的设计与实现。7.1 问题的提出第10页，共65页，编辑于2022年，星期日7.2 系统校正的几种常见古典方法1 1、串联校正、串联校正2 2、反馈校正、反馈校正3 3、前馈校正、前馈校正4 4、顺馈校正、顺馈校正5 5、校正类型比较、校正类型比较第11页，共65页，编辑于2022年，星期日7.2 系统校正的几种常见古典方法+-R(s)C(s)H(s)串联校正系统方框图串联校正系统方框图1 1、串联校正、串联校正如果校正元件与系统的不可变部分串联起来，如图所如果校正元件与系统的不可变部分串联起来，如图所示，则称这种形式的校正为串联校正。示，则称这种形式的校正为串联校正。图中的图中的G G0 0（s s）与）与G Gc c（s s）分别表示不可变部分及校正元）分别表示不可变部分及校正元件的传递函数。件的传递函数。第12页，共65页，编辑于2022年，星期日H(s)R(s)C(s)+-+-反馈校正系统方框图反馈校正系统方框图2 2、反馈校正、反馈校正7.2 系统校正的几种常见古典方法如如果果从从系系统统的的某某个个元元件件的的输输出出取取得得反反馈馈信信号号，构构成成反反馈馈回回路路，并并在在反反馈馈回回路路内内设设置置传传递递函函数数为为Gc(s)的的校校正正元元件件，则则称这种校正形式为反馈校正，如下图所示。称这种校正形式为反馈校正，如下图所示。第13页，共65页，编辑于2022年，星期日3 3、前馈控制、前馈控制 如果干扰可测，从干扰向输入方向引入的以消除或减小如果干扰可测，从干扰向输入方向引入的以消除或减小干扰对系统影响的补偿通道。干扰对系统影响的补偿通道。7.2 系统校正的几种常见古典方法第14页，共65页，编辑于2022年，星期日4 4、顺馈控制、顺馈控制 以消除或减小系统误差为目的，从输入方向引入以消除或减小系统误差为目的，从输入方向引入的补偿通道。的补偿通道。7.2 系统校正的几种常见古典方法第15页，共65页，编辑于2022年，星期日5、校正类型比较：串联校正:分析简单，应用范围广，易于理解和接受.反馈校正:最常见的就是比例反馈和微分反馈，微分反馈又 叫速度反馈。顺馈校正：以消除或减小系统误差为目的。前馈校正：以消除或减小干扰对系统影响。本章以最为常见的本章以最为常见的串联校正中的串联校正中的PIDPID校正校正为学习目的。为学习目的。7.2 系统校正的几种常见古典方法第16页，共65页，编辑于2022年，星期日7.7.3 PID3 PID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析1 1、PIDPID控制器模型控制器模型2 2、PIDPID控制规律分析控制规律分析3 3、PIDPID控制器的特点控制器的特点第17页，共65页，编辑于2022年，星期日7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析1 1 PIDPID控制器模型控制器模型第18页，共65页，编辑于2022年，星期日2 2 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析 其中其中Kp 为比例系数或称为比例系数或称P型型控制器的增益。控制器的增益。具有比例控制规律的控制具有比例控制规律的控制器称为器称为P控制器控制器1 1）比例控制器）比例控制器+R(t)C(t)U(t)P P控制器方框图控制器方框图7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析的稳态误差与其开环增益的稳态误差与其开环增益K 近似成反比，即：近似成反比，即：对于单位反馈系统，对于单位反馈系统，0型系统响应实际阶跃信号型系统响应实际阶跃信号R01(t)第19页，共65页，编辑于2022年，星期日试分析比例调节器引入前后性能的变化。试分析比例调节器引入前后性能的变化。例例7.17.1解解当当Kp=1时时，=1.2，处处于于过过阻阻尼尼状态，无振荡，状态，无振荡，ts很长。很长。当当Kp=100时时，=0.12，处处于于欠欠阻尼状态，超调量阻尼状态，超调量p=68%当当Kp=2.88时时，=0.707，处处于于欠欠阻阻尼尼状状态态，p=4.3%，ts=0.17s,此时较理想。此时较理想。7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第20页，共65页，编辑于2022年，星期日其中其中Kp为比例系数，为比例系数，T TD D=K=KD D/K/Kp p为微分时间常数，二者都是为微分时间常数，二者都是可调参数。可调参数。具有比例加微分控制规律的控制器称为具有比例加微分控制规律的控制器称为PD控制器。控制器。2 2）比例加微分控制器比例加微分控制器PD控制器方框图控制器方框图+R(t)C(t)U(t)7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第21页，共65页，编辑于2022年，星期日 PDPD控制器的控制器的BodeBode图图dB ()2040-45-90-18020dB/dec2PDPD在在BodeBode图上展示图上展示的特点：的特点：有相位超前作用，可有相位超前作用，可改善系统品质。改善系统品质。PDPD控制器的控制器的BodeBode图图7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第22页，共65页，编辑于2022年，星期日该环节的作用与附加环内零点的作用该环节的作用与附加环内零点的作用一致。一致。7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析 PDPD控制器的传递函数控制器的传递函数微微分分调调节节器器作作用用由由TD决决定定。TD大大，微微分分作作用用强强，TD小小，微微分分作作用用弱弱，选选择择好好TD很重要。很重要。第23页，共65页，编辑于2022年，星期日 由以上时域分析可知：由以上时域分析可知：微微分分控控制制是是一一种种“预预见见”型型的的控控制制。它它测测出出 e(t)的的瞬瞬时时变变化化率率，作作为为一一个个有有效效早早期期修修正正信信号号，在在超超调调量量出出现现前前会会产产生生一一种种校校正正作作用。用。如如果果系系统统的的偏偏差差信信号号变变化化缓缓慢慢或或是是常常数数，偏偏差差的的导导数数就就很很小或者为零，这时微分控制也就失去了意义。小或者为零，这时微分控制也就失去了意义。注注意意：模模拟拟PD调调节节器器的的微微分分环环节节是是一一个个高高通通滤滤波波器器，会会使使系系统的噪声放大，抗干扰能力下降，在实际使用中须加以注意解决。统的噪声放大，抗干扰能力下降，在实际使用中须加以注意解决。PD调节器及其控制规律深入分析调节器及其控制规律深入分析7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第24页，共65页，编辑于2022年，星期日例例7.27.2 设具有设具有PD 控制器的控制系统方框图如图所示。试分控制器的控制系统方框图如图所示。试分析比例加微分控制规律对该系统性能的影响。析比例加微分控制规律对该系统性能的影响。解解1、无、无PD控制器时，系统的闭环传递函数为：控制器时，系统的闭环传递函数为：则系统的特征方程为：则系统的特征方程为：阻尼比等于零，所以其输出信号是等幅振荡。阻尼比等于零，所以其输出信号是等幅振荡。+R(s)C(s)7.7.3 PID3 PID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第25页，共65页，编辑于2022年，星期日2、加入、加入PD控制器时，系统的闭环传递函数为：控制器时，系统的闭环传递函数为：因此系统是闭环稳定的。因此系统是闭环稳定的。阻尼比阻尼比系统的特征方程为系统的特征方程为7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析+R(s)C(s)第26页，共65页，编辑于2022年，星期日3 3）积分控制器积分控制器具有积分控制规律的控制器称为积分控制器具有积分控制规律的控制器称为积分控制器其中，其中，KI是一个可变的比例系数是一个可变的比例系数+R(s)C(s)M(s)积分控制器方框图积分控制器方框图7.7.3 PID3 PID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第27页，共65页，编辑于2022年，星期日例例7.37.3如如图图所所示示，系系统统的的不不可可变变部部分分含含有有串串联联积积分分环环节节，采采用用积积分控制后，试判断系统的稳定性。分控制后，试判断系统的稳定性。解解C(s)+R(s)特征方程为特征方程为应用劳斯判据应用劳斯判据这这表表明明采采用用积积分分后后，表表面面上上可可以以将将原原系系统统提提高高到到II型型，好好像像能能起起到到改改善善系系统统稳稳态态性性能能的的目目的的，但但实实际际上上系系统统却却是是不不稳稳定的。定的。7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第28页，共65页，编辑于2022年，星期日4 4）比例加积分控制规律比例加积分控制规律具有比例加积分控制规律的控制具有比例加积分控制规律的控制器称为积分控制器器称为积分控制器PIPI控制器方框图控制器方框图+R(s)C(s)M(s)其其中中，Kp为为比比例例系系数数，TI为为积积分分时时间间常常数数，二二者者均均为为可可调调参参数。数。7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第29页，共65页，编辑于2022年，星期日 PIPI控制器的控制器的BodeBode图图PIDPID在在BodeBode图上展示的特点：图上展示的特点：1 1）引入）引入PIPI调节器后，系统类调节器后，系统类型增加了型增加了1 1，对改善系统的稳，对改善系统的稳态特性是有好处的。态特性是有好处的。2 2）系统的类型数提高，使）系统的类型数提高，使系统的稳定性下降了。所以，系统的稳定性下降了。所以，如果如果K Kp p、K KI I选择不当，很可选择不当，很可能会造成不稳定。能会造成不稳定。dB ()2040-45-90-180-20dB/dec2 PIPI控制器的控制器的BodeBode图图7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第30页，共65页，编辑于2022年，星期日设某单位反馈系统的不可变部分的传递函数为设某单位反馈系统的不可变部分的传递函数为试分析试分析PI控制器改善给定系统稳定性的作用。控制器改善给定系统稳定性的作用。例例7.47.4解解+R(s)M(s)C(s)含含PIPI控制器的控制器的I I型系统方框图型系统方框图由由图图求求得得给给定定系系统统含含PI控控制制器器时时的的开开环环传传递递函函数为数为系系统统由由原原来来的的I型型提提高高到到含含PI控控制制器器的的II型型，对对于于控控制制信信号号r(t)=R1t来来说说，未加未加PI控制器前，系统的误差传递函数为控制器前，系统的误差传递函数为7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第31页，共65页，编辑于2022年，星期日加入加入PI调节器后调节器后7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第32页，共65页，编辑于2022年，星期日采采用用PI控控制制器器可可以以消消除除系系统统响响应应速速度度信信号号的的稳稳态态误误差差。由由此此可可见，见，PI控制器改善了给定控制器改善了给定I型系统的稳态性能。型系统的稳态性能。采采用用比比例例加加积积分分控控制制规规律律后后，控控制制系系统统的的稳稳定定性性可可以以通通过过方方程：程：即即由劳斯判据得由劳斯判据得7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第33页，共65页，编辑于2022年，星期日5 5）比例加积分加微分比例加积分加微分(PID)控制器控制器是是一一种种由由比比例例、积积分分、微微分分基基本本控控制制规规律律组组合合而而成成的的复复合合控控制规律。制规律。PID控制器的运动方程为控制器的运动方程为7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析其其中中，Kp为为比比例例系系数数，Ti为为积积分分时时间间常常数数，为为微微分分时时间间常常数数，均为可调参数。均为可调参数。PIDPID控制器方框图控制器方框图+R(s)C(s)M(s)第34页，共65页，编辑于2022年，星期日PID控制器的传递函数控制器的传递函数当当4 Ti 时，上式可写成时，上式可写成式中式中，7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析可以改写成：可以改写成：两两个个实实数数零零点点！因因此此，对对提提高高系系统统的的动动态态特特性性方方面面有有更更大大的的优越性。优越性。第35页，共65页，编辑于2022年，星期日 PIDPID控制器的控制器的BodeBode图图两个实零点情况两个实零点情况dBdB ()20204040-4545-9090-180180-20dB/dec-20dB/dec20dB/dec20dB/dec2 21 1PIDPID在在BodeBode图上展示的特图上展示的特点：点：1 1）一个积分环节，可增加）一个积分环节，可增加系统的类型数；系统的类型数；2 2）分别有相位滞后和超前部）分别有相位滞后和超前部分，可根据需要加以利用，分，可根据需要加以利用，改善系统品质。改善系统品质。7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析两个虚零点情况两个虚零点情况dB dB ()20204040-45-45-90-90-180-180-20dB/dec-20dB/dec20dB/dec20dB/dec第36页，共65页，编辑于2022年，星期日PIDPID调节器在工业控制中得到广泛地应用,有如下特点：对系统的模型要求低实际系统要建立精确的模型往往很困难。而PIDPID调节器对模型要求不高，甚至在模型未知的情况下，也能调节。调节方便调节作用相互独立，最后以求和的形式出现。可独立改变其中的某一种调节规律，大大地增加了使用的灵活性。物理意义明确一般校正装置，调节参数的物理意义常不明确，而PIDPID调节器参数的物理意义明确。适应能力强对象模型在一定的变化区间内变化时，仍能得到较好的调节效果。3 3 PIDPID控制器的特点控制器的特点7.7.3 3 PIDPID模型及其控制规律分析模型及其控制规律分析第37页，共65页，编辑于2022年，星期日7.4 7.4 PIDPID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法1 1、临界比例度法、临界比例度法2 2、衰减曲线法、衰减曲线法3 3、反应曲线法、反应曲线法4 4、基于误差性能的、基于误差性能的PIDPID参数整定法参数整定法第38页，共65页，编辑于2022年，星期日1 1 临界比例度法临界比例度法步骤：步骤：首首先先使使PID处处于于纯纯比比例例作作用用(Ti=,TD=0)，让让系系统统处处于于闭环状态；闭环状态；然然后后从从小小到到大大改改变变kp，直直到到系系统统输输出出Y出出现现临临界界振振荡荡，记记下下此此时时的的临临界界振振荡荡周周期期TM和和比比例例系系数数kM，按按表表计计算算比比例例系系数数kp、积积分分系系数数Ti和和微微分系数分系数TdTMy1y2y1:y2=1:17.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第39页，共65页，编辑于2022年，星期日控制规律kpTiTdP0.50 kMPI0.45 kM0.85 TMPID0.60 kM0.50 TM0.125 TM临界比例度法的计算表格临界比例度法的计算表格优优点点：不不需需要要被被控控对对象象的的模模型型，可可以以在在闭闭环环控控制制系系统统中中进进行行整整定定缺缺点点：因因含含有有增增幅幅振振荡荡现现象象，执执行行机机构构易易于于处处于于非非正正常常工工作作状状态态7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第40页，共65页，编辑于2022年，星期日2 2 衰减曲线法衰减曲线法首首先先使使PID处处于于纯纯比比例例控控制制，系系统统处处于于闭闭环环状状态态，给给定定一一小小的的阶阶跃跃输输入入r(t)，使使kp由由小小到到大大变变化化，直直至至输输出出y出出现现4:1的的衰衰减减为为止止，记记下下此此时时的的比比例例系系数数ks，相相邻邻两两波波峰峰之之间间时时间间Ts，然然后后按按经经验验公公式式计计算算比比例例系系数数kp、积积分分系系数数Ti、微微分分系系数数TdTsy1y2y1:y2=4:17.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第41页，共65页，编辑于2022年，星期日控制规律kdTiTdPksPI0.83 ks0.50 TsPID1.25 ks0.30 Ts0.100 Ts衰减曲线法的计算表格衰减曲线法的计算表格衰衰减减曲曲线线法法适适用用于于各各种种工工业业控控制制系系统统，但但也也有有缺缺陷陷，当当系系统统频频繁繁地地受受到到各各种种外外界界扰扰动动时时，该该法法很很难难从从输输出出得得到到规规则则的的4:1衰衰减减曲线，因此系数整定偏差较大。曲线，因此系数整定偏差较大。7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第42页，共65页，编辑于2022年，星期日3 3 反应曲线法反应曲线法大大多多数数工工业业生生产产过过程程是是有有自自衡衡的的非非振振荡荡过过程程，可可将将被被控控对对象象近似的描述为近似的描述为在在系系统统开开环环的的情情况况下下，通通过过测测定定被被控控对对象象的的阶阶跃跃响响应应曲曲线线得得到到被被控控对对象象的的纯纯延延迟迟时时间间、时时间间常常数数T和和放放大大系系数数k，然然后后由由经经验验公公式式可可得得比比例例系系数数kp、积分时间常数积分时间常数Ti、微分系数、微分系数TdTuku当操纵变量当操纵变量u做阶跃变化时，输出做阶跃变化时，输出y随时间变化的曲线称为反应曲线随时间变化的曲线称为反应曲线7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第43页，共65页，编辑于2022年，星期日反应曲线法的计算表格反应曲线法的计算表格控制规律kpTiTdPPIPID这这种种方方法法只只能能适适用用于于有有自自衡衡的的非非振振荡荡对对象象，且且整整定定效效果果与与 k、T、的确定适当与否直接有关。的确定适当与否直接有关。7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第44页，共65页，编辑于2022年，星期日4 4基于误差性能的基于误差性能的PIDPID参数整定法参数整定法误差性能准则为误差性能准则为其其中中为为PID的的参参数数，t为为时时间间，e为为误误差差，当当n=0、1、2时时对对应应的的准准则则称称为为ISE、ISTE、IST2E。这这种种方方法法是是反反应应曲曲线线法法的的发发展展，也也只只适适用用于于有有自自衡衡的的非非振振荡荡过过程程，当当用用图图解解法法得得到到K、Tp、以以后后，可可按按如如下下方方法法确确定定PID参数参数7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第45页，共65页，编辑于2022年，星期日当当PIDPID的主要任务是使输出跟踪给定时的主要任务是使输出跟踪给定时参数参数 a1，a2，b1，b2，a3，b3可以由以下两表确定可以由以下两表确定7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第46页，共65页，编辑于2022年，星期日/T 的范围0.11.01.12.0准则ISEISTEISEISTEa10.980.711.030.79b1-0.89-0.92-0.56-0.56a20.690.970.650.88b2-0.16-0.25-0.12-0.16/T 的范围0.11.01.12.0准则ISEISTEISEISTEa11.051.041.151.14b1-0.90-0.90-0.57-0.58a21.200.991.050.92b2-0.37-0.24-0.22-0.17a30.490.390.490.38b30.890.910.780.84PI 调调节节器器PI D 调调节节器器7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第47页，共65页，编辑于2022年，星期日当当PID的主要任务是克服干扰的影响时的主要任务是克服干扰的影响时参数参数 a1，a2，b1，b2，a3，b3可以由以下两表确定可以由以下两表确定7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第48页，共65页，编辑于2022年，星期日/T 的范围0.11.01.12.0准则ISEISTEISEISTEa11.281.021.351.07b1-0.95-0.96-0.68-0.67a20.540.670.550.69b2-0.59-0.55-0.44-0.43/T 的范围0.11.01.12.0准则ISEISTEISEISTEa11.471.471.521.52b1-0.97-0.97-0.74-0.73a21.120.941.130.96b2-0.75-0.73-0.64-0.60a30.550.440.550.44b30.950.940.850.85PI 调调节节器器PI D 调调节节器器7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第49页，共65页，编辑于2022年，星期日 基基于于误误差差性性能能的的PID参参数数整整定定法法虽虽然然看看起起来来复复杂杂，但但对对于于计计算算器器或或计计算算机机则则很很简简单单，效效果果很很好好，并并且且它它实实际际上上已经将优化引入了已经将优化引入了PID整定之中。整定之中。除除了了上上述述介介绍绍的的几几种种方方法法之之外外，经经验验试试凑凑法法也也是是一一种种常常用用的的方方法法，它它根根据据PID控控制制器器中中的的参参数数kp、Ti、Td变变化化时时对对系系统统输输出出影影响响的的规规律律总总结结而而来来。还还有有一一类类自自寻寻优优PID整整定定方方法法，但但往往往往计计算算复复杂杂，十十分分依依赖赖被被控控对对象象的的模模型型。此此外外，还还有有人人在在研研究究PID参参数数的的自自校校正正问问题题，以以使使PID能能够够适适应应控控制系统参数和干扰变化的情况。制系统参数和干扰变化的情况。7.4 PID7.4 PID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法第50页，共65页，编辑于2022年，星期日7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器1 1、积分分离积分分离PID控制算法及仿真控制算法及仿真2 2、抗积分饱和、抗积分饱和PID控制算法及仿真控制算法及仿真3 3、不完全微分、不完全微分PID控制算法及仿真控制算法及仿真4 4、微分先行、微分先行PID控制算法及仿真控制算法及仿真5 5、带死区的、带死区的PID控制算法及仿真控制算法及仿真第51页，共65页，编辑于2022年，星期日在在PID控控制制中中，引引入入积积分分环环节节的的目目的的主主要要是是为为了了消消除除静静差差，提提高高控控制制精精度度。但但在在过过程程的的启启动动、结结束束或或大大幅幅度度增增减减设设定定值值时时，短短时时间间内内系系统统输输出出有有很很大大的的偏偏差差，会会造造成成PID中中积积分分运运算算的的过过度度积积累累，使使控控制制量量超超过过执执行行机机构构可可能能允允许许的的最最大大动动作作范范围围，引引起起系系统统较较大大的的超超调调和和振振荡荡，这这在在生生产产中中是是绝绝对对不不允许的。允许的。积分分离控制基本思路和具体实现的步骤是：积分分离控制基本思路和具体实现的步骤是：1 1）根据实际情况，人为设定阈值）根据实际情况，人为设定阈值0 0；2 2）当）当 errorerror(k k)时，采用时，采用P P或或PDPD控制；控制；3 3）当当 errorerror(k k)时时，采采用用PIPI或或PIDPID控控制制，以以保保证证系系统统的的控制精度。控制精度。1 1 积分分离积分分离PIDPID控制算法及仿真控制算法及仿真7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第52页，共65页，编辑于2022年，星期日设被控对象为一个延迟对象：设被控对象为一个延迟对象：7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第53页，共65页，编辑于2022年，星期日积分分离式PID控制采用普通PID控制7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第54页，共65页，编辑于2022年，星期日2 抗积分饱和抗积分饱和PID控制算法及仿真控制算法及仿真若若系系统统存存在在一一个个方方向向的的偏偏差差，PID的的输输出出由由于于积积分分作作用用的的不不断断累累加加导导致致u(k)达达到到极极限限位位置置。此此后后若若PID控控制制器器的的计计算算输输出出继继续续增增大大，实实际际执执行行装装置置的的控控制制输输出出u(k)也也不不会会再再增增大大，即即进进入入了了饱饱和和区区。当当出出现现反反向向偏偏差差，u(k)逐逐渐渐从从饱饱和和区区退退出出。进进入入饱饱和和区区愈愈深深则则退退饱饱和和时时间间愈愈长长，此此时时，系系统统就就像像失失去去了了控控制制。这这种种现现象象称称为为积积分分饱饱和和现现象象或或积积分分失失控控现现象。象。（1）积分饱和现象）积分饱和现象7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第55页，共65页，编辑于2022年，星期日在在计计算算u u(k k)时时，首首先先判判断断上上一一时时刻刻的的控控制制量量u u(k k-1)-1)是是否否己己超超出出限限制制范范围围。若若超超出出，则则只只累累加加负负偏偏差差；若若未未超超出出，则则按按普普通通PIDPID算算法法进进行行调调节节。这这种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。（2）抗积分饱和算法）抗积分饱和算法7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器抗积分饱和仿真普通PID仿真设被控制对象为：设被控制对象为：第56页，共65页，编辑于2022年，星期日在在PIDPID控控制制中中微微分分信信号号的的引引入入可可改改善善系系统统的的动动态态特特性性，但但也也易易引引进进高高频频干干扰扰，在在误误差差扰扰动动突突变变时时尤尤其其明明显显。若若在在控控制制算算法法中中加加入入低低通通滤滤波波器器，则则可可使使系系统性能得到改善。统性能得到改善。3 3 不完全微分不完全微分PIDPID控制算法及仿真控制算法及仿真不不完完全全微微分分PID的的结结构构如如图图。上上图图将将低低通通滤滤波波器器直直接接加加在在微微分分环环节节上上，左左图图是是将将低低通通滤滤波波器器加加在在整整个个PID控控制器之后。制器之后。7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第57页，共65页，编辑于2022年，星期日被控对象为时滞系统传递函数：被控对象为时滞系统传递函数：不完全微分控制普通PID控制滤波器为：滤波器为：7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第58页，共65页，编辑于2022年，星期日微微分分先先行行PID控控制制的的特特点点是是只只对对输输出出量量y(t)进进行行微微分分，而而对对给给定定值值r(t)不不进进行行微微分分。这这种种输输出出量量先先行行微微分分控控制制适适用用于于给给定定值值r(t)频频繁繁升升降降的的场场合合，可可以以避避免免给给定定值值升升降降时时引引起起系系统统振振荡荡，从而明显地改善了系统的动态特性。结构如下图所示。从而明显地改善了系统的动态特性。结构如下图所示。4 微分先行微分先行PIDPID控制算法及仿真控制算法及仿真7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第59页，共65页，编辑于2022年，星期日图图中中的的参参数数可可以以通通过过解解下下面面的的三三个个式式子子来来得到：得到：其中，其中，KP、KD、KI为比例、积分、微分部分对应的系数为比例、积分、微分部分对应的系数7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第60页，共65页，编辑于2022年，星期日被控对象为时滞系统传递函数：被控对象为时滞系统传递函数：微分先行PID控制普通PID控制7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第61页，共65页，编辑于2022年，星期日5 5 带死区的带死区的PIDPID控制算法及仿真控制算法及仿真 在在计计算算机机控控制制系系统统中中，某某些些系系统统为为了了避避免免控控制制作作用用过过于于频频繁繁，消消除除由由于于频频繁繁动动作作所所引引起起的的振振荡荡，可可采采用用带带死死区区的的PID控控制算法，控制算式为：制算法，控制算式为：式式中中，e(k)为为位位置置跟跟踪踪偏偏差差，e0是是一一个个可可调调参参数数，其其具具体体数数值值可可根根据据实实际际控控制制对对象象由由实实验验确确定定。若若e0值值太太小小，会会使使控控制制动动作作过过于于频频繁繁，达达不不到到稳稳定定被被控控对对象象的的目目的的；若若e0太太大大，则则系系统将产生较大的滞后。统将产生较大的滞后。7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第62页，共65页，编辑于2022年，星期日带死区的PID控制算法程序框图7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第63页，共65页，编辑于2022年，星期日设被控制对象为：设被控制对象为：滤波器为：滤波器为：死区参数死区参数e0=0.10，不带死区PID控制带死区PID控制7.5 7.5 几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器第64页，共65页，编辑于2022年，星期日小小 结结了解了解PIDPID控制的基本概念控制的基本概念PIDPID控制器的控制规律控制器的控制规律学会学会PIDPID控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法 几种改进的几种改进的PIDPID及其实用意义及其实用意义第65页，共65页，编辑于2022年，星期日