PID控制模型学习.pptx

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1、主要内容6.2 PID控制模型第1页/共45页电灯的控制电灯的控制电灯的控制电灯的控制电路、灯电路、灯电路、灯电路、灯“开与关开与关开与关开与关”灯灯灯灯“亮与灭亮与灭亮与灭亮与灭”输入输入输入输入输出输出输出输出输入输入输入输入电风扇的控制电风扇的控制电风扇的控制电风扇的控制电路、电机、扇叶电路、电机、扇叶电路、电机、扇叶电路、电机、扇叶风速挡位风速挡位风速挡位风速挡位风速风速风速风速输出输出输出输出6.2 PID6.2 PID控制模型控制模型 第2页/共45页 任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这

2、些任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节的环节的环节的环节的有机组合有机组合有机组合有机组合就构成了一个系统，称为控制系统。就构成了一个系统，称为控制系统。就构成了一个系统，称为控制系统。就构成了一个系统，称为控制系统。控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。控制系统控制系统第3页/共45页马上行动：请指出下列控制系统中的输入、输出分别马上行动：请指出下列控制系统中的输入、输出分别是什么？是什么？调速器或档位调速器或档位风扇的转速风扇的转速电源的电信号电源的

3、电信号锅内的温度锅内的温度电源的电信号电源的电信号脱粒的量脱粒的量人手的红外信号人手的红外信号水龙头的出水量水龙头的出水量第4页/共45页分分 类类控制系统开环控制系统闭环控制系统第5页/共45页案例分析：自动门案例分析：自动门自动门的动作过程是怎样的？当门口没有人时，门是关着的；当有人来门口时，门打开；当人离开门口后一段时间，门又关闭。自动门的功能和技术要求：功能：无人时，常关；有人时，开门技术要求：当人距门1m时，门即打开；门打开后，延时10s后关门第6页/共45页自动门如何实现自动开、关的呢？电机电机电机电机自动门自动门自动门自动门控制电路控制电路控制电路控制电路门的开启门的开启门的开启

4、门的开启与关闭与关闭与关闭与关闭人体人体人体人体热辐射热辐射热辐射热辐射转动转动转动转动电机控制电路红外传感器控制器控制器控制器控制器执行器执行器执行器执行器控制量控制量控制量控制量红外传感器红外传感器红外传感器红外传感器第7页/共45页特征特征：系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间的信号是单向传递。之间的信号是单向传递。定义定义：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制称为开环控制系统。响，这种控制称为开环控制系统。开环控制系统开环控制系统第8页/共45页被控对象被控对象执行器执行器控制器

5、控制器输入量输入量控制量控制量输出量输出量开环控制系统方框图开环控制系统方框图控制器：即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。控制器：即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。执行器：即直接对被控对象进行控制的装置或元件。执行器：即直接对被控对象进行控制的装置或元件。控制量：即执行器的输出信号。控制量：即执行器的输出信号。输入量：即控制系统的给定量。输入量：即控制系统的给定量。输出量：即控制系统所要控制的量。输出量：即控制系统所要控制的量。被控对象：即控制系统中所要求控制的装置和生产过程。被控对象：即控制系统中所要求控制的装置和生产过程。第9页/共45页第10页/共45页第11页

6、/共45页游泳池注水游泳池注水设定注入时间定时器游泳池的水位（输入）（输入）（输出）（输出）进水阀游泳池流水量流水量如果进水管的进水量是均匀的，游泳池中的水位高度与进水的时间是一一对应的。我们可以在注水口处装一个定时器，通过定时器来控制注水的水位。第12页/共45页水箱注水控制系统方框图水箱注水控制系统方框图：水箱水箱进水阀门进水阀门控制器控制器设定设定时间时间水流量水流量水箱的水位水箱的水位（输出）（输出）水箱水箱进水阀门进水阀门控制器控制器给定给定水位水位水流量水流量水箱的水位水箱的水位（输出）（输出）检测装置检测装置比较器比较器+-增加反馈后水箱注水控制系统方框图增加反馈后水箱注水控制系

7、统方框图闭环控制系统第13页/共45页浮球浮球控制器控制器阀门阀门水箱水箱预设水位预设水位进水量进水量比较器比较器供水水供水水供水水供水水箱的水箱的水箱的水箱的水位自动位自动位自动位自动控制系控制系控制系控制系统统统统实际实际水位水位第14页/共45页定义定义：系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为的控制系统称为闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统特征：特征：特征：特征：系统的输出端与输入端信号之间存在一个回路系统的输出端与输入端信号之间存在一个回路反馈回路。反馈回路。反馈回路。反馈回路。简单闭环控制系统的方框图：简单

8、闭环控制系统的方框图：被控对象被控对象执行器执行器控制器控制器给定给定量量控制量控制量被控量被控量检测装置检测装置比较器比较器-+闭环控制系统第15页/共45页热电偶热电偶控制器控制器加热器加热器加热炉加热炉设定温度设定温度比较器比较器加热炉的加热炉的加热炉的加热炉的温度自动温度自动温度自动温度自动控制系统控制系统控制系统控制系统热量热量温度温度第16页/共45页温度感应器温度感应器控制器控制器压缩机压缩机储物箱储物箱制冷量制冷量比较器比较器设定温设定温度度箱内箱内温度温度第17页/共45页PIDPID概述概述按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID（Proportional-In

9、tegral-Differential）调节器PID调节是目前技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改变PID的结构，取其一部分进行控制。第18页/共45页PID控制实现的控制方式 模拟方式：用电子电路调节器，在调节器中，将被测信号与给定值比较，然后把比较出的差值经PID电路运算后送到执行机构，改变给进量，达到调节之目的。数字方式：用计算机进行PID运算，将计算结果转换成模拟量，输出去控制执行机构。第19页/共45页标准标准PIDPID控制算法控制算法模拟PID调

10、节器第20页/共45页 比例调节器其中：u 控制器的输出 KP 比例系数 e 调节器输入偏差 u0 控制量的基准比例作用：迅速反应误差，但不能消除稳态误差，比例作用：迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定过大容易引起不稳定第21页/共45页 比例积分调节器其中：积分时间常数积分作用：消除静差，但容易引起超调，积分作用：消除静差，但容易引起超调，甚至出现振荡甚至出现振荡第22页/共45页 比例微分调节器其中：微分时间常数微分作用：减小超调，克服振荡，微分作用：减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统动态特性提高稳定性，改善系统动态特性第23页/共45页 比例积分微分调节器1、比例环

11、节：即成比例地反应控制系统的偏差信号e，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。第24页/共45页何谓自动控制何谓自动控制 ；一个刚学走路的小孩子想去拿玩具，大脑设定一个刚学走路的小孩子想去拿玩具，大脑设定好路线，然后大脑控制双脚去走这条路线。走偏了，眼睛反馈给好路线，然后大脑控制双脚去走这条路线。走偏了，眼睛

12、反馈给大脑，大脑校正双脚回到正轨；再次偏离正轨，眼睛再次反馈给大脑，大脑校正双脚回到正轨；再次偏离正轨，眼睛再次反馈给大脑，大脑再次校正双脚回到正轨大脑，大脑再次校正双脚回到正轨.周而复始，经过一段时周而复始，经过一段时间，终于到达玩具所在地，完成任务。这是一个非常完整的自动间，终于到达玩具所在地，完成任务。这是一个非常完整的自动控制过程。控制过程。1 1、控制部分：大脑；这个可理解成、控制部分：大脑；这个可理解成PIDPID控制器。控制器。2 2、执行部分：双脚；这个可理解成机器人系统的电机。、执行部分：双脚；这个可理解成机器人系统的电机。3 3、反馈部分：眼睛。、反馈部分：眼睛。这个可理解

13、成机器人系统编码器。这个可理解成机器人系统编码器。作为一个完整的自动控制系统，至少需要包括三个元素；作为一个完整的自动控制系统，至少需要包括三个元素；PIDPID控制是自动控制中一种常见的控制方式。控制是自动控制中一种常见的控制方式。第25页/共45页采样周期采样周期 小刘接到老板这样一个小刘接到老板这样一个任务：右边水缸有点漏水任务：右边水缸有点漏水(而且漏水的速度还是变化而且漏水的速度还是变化的的)，老板要求水面高度维，老板要求水面高度维持在目标位置，一旦发现水持在目标位置，一旦发现水面高度低于要求位置，就要面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。往水缸里加水。案例阐述案例阐述PIDPID控

14、制原理控制原理第26页/共45页 小刘接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉小刘接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉得无聊，就跑到房间里看电视，每隔得无聊，就跑到房间里看电视，每隔3030分钟来检查一次分钟来检查一次水面高度。水面高度。第27页/共45页 因为检查的间隔时间太长，水漏得太快，小刘因为检查的间隔时间太长，水漏得太快，小刘每次来检查时，水都快漏完了，离要求的高度相差很每次来检查时，水都快漏完了，离要求的高度相差很远远第28页/共45页 小刘把时间改为每小刘把时间改为每3 3分钟来检查一次，结果每次来分钟来检查一次，结果每次来检查时，水都没怎么漏，不需要加水，来得太频繁做的是检

15、查时，水都没怎么漏，不需要加水，来得太频繁做的是无用功。无用功。第29页/共45页 几次试验后，确定每几次试验后，确定每1010分钟来检查一次，水位正好在目标位置。这个分钟来检查一次，水位正好在目标位置。这个检查时间就称为检查时间就称为PIDPID采样周期。采样周期。第30页/共45页小结小结 采样的目的主要是为了让每次采样点能代表被控对采样的目的主要是为了让每次采样点能代表被控对象的变化情况，如果采样时间太长将引起有用信号的严象的变化情况，如果采样时间太长将引起有用信号的严重丢失，但如果采样时间太短重丢失，但如果采样时间太短PID PID 控制器运算太频繁，控制器运算太频繁，不利于系统的稳定

16、。不利于系统的稳定。第31页/共45页比例系数（比例系数（P)P)它的作用：控制现在的误差（可理解成现在时）；它的作用：控制现在的误差（可理解成现在时）；小刘发现水漏到目标水位以下后，开始用瓢加水，水龙头小刘发现水漏到目标水位以下后，开始用瓢加水，水龙头离水缸有十几米的距离，小刘要跑好几趟水都加不到目标离水缸有十几米的距离，小刘要跑好几趟水都加不到目标水位。水位。第32页/共45页 于是小刘又改为用桶加水，一加就是一桶，跑的次于是小刘又改为用桶加水，一加就是一桶，跑的次数少，加水的速度也快了，但所加的水很容易超过目标数少，加水的速度也快了，但所加的水很容易超过目标水位。水位。第33页/共45页

17、 小刘又动脑筋，我不用瓢也不用桶，用盆，几次下小刘又动脑筋，我不用瓢也不用桶，用盆，几次下来，发现加的水刚刚好，不用跑太多次，来，发现加的水刚刚好，不用跑太多次，水位基本保持目水位基本保持目标位（还存有误差；称为静态误差）；标位（还存有误差；称为静态误差）；这个加水工具的大这个加水工具的大小就称为比例系数。小就称为比例系数。第34页/共45页小结小结 单独的比例控制也称单独的比例控制也称“有差控制有差控制”，其最大优，其最大优点就是控制及时、迅速。但是，不能最终消除点就是控制及时、迅速。但是，不能最终消除静态静态误差误差。克服。克服误差误差的办法就是在比例控制的基础上加的办法就是在比例控制的基

18、础上加上积分控制。上积分控制。第35页/共45页积分（I）时间 它的作用：控制过去误差（可以理解成过去时）。它的作用：控制过去误差（可以理解成过去时）。积分系数：积分状态“记忆”了前面所有的误差，让 控制器消除静态误差。第36页/共45页 小刘又发现用盆加水有时会高过目标位置比较多，小刘又发现用盆加水有时会高过目标位置比较多，他又想了个办法，在水缸上装一个漏斗，一旦发现水位他又想了个办法，在水缸上装一个漏斗，一旦发现水位低于目标位置，每次加水不直接倒进水缸，而是用漏斗低于目标位置，每次加水不直接倒进水缸，而是用漏斗慢慢加。慢慢加。第37页/共45页 刚开始用的这个漏斗加水的速度比较慢，有时还赶

19、不刚开始用的这个漏斗加水的速度比较慢，有时还赶不上漏水的速度。于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控上漏水的速度。于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控制加水的速度，最后找到了一个合适的漏斗。通过时间的制加水的速度，最后找到了一个合适的漏斗。通过时间的积累，使水面保持在目标位（消除了原来的静态误差）。积累，使水面保持在目标位（消除了原来的静态误差）。这漏斗的口径就可看作积分时间。这漏斗的口径就可看作积分时间。第38页/共45页小结小结 积分控制（积分控制（I I）的特点；它能消除静态误差，但是控制）的特点；它能消除静态误差，但是控制缓慢。所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例缓慢。所以，实

20、用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分（控制作用结合起来，构成比例积分（PIPI）控制。这样取二者）控制。这样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除静态误差的能力。比例积分控制器是目前应用控制作用消除静态误差的能力。比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器。最为广泛的一种控制器。第39页/共45页微分（微分（D D）时间）时间它的作用：它的作用：控制将来误差（可以理解成将来时）。控制将来误差（可以理解成将来时）。PIPI控制器产生的控制作用总是落后于偏差的变化控制器产生的控制作

21、用总是落后于偏差的变化（被控对象产生误差以后，（被控对象产生误差以后，PIPI控制器才对这个误差进行控控制器才对这个误差进行控制）。制）。而微分控制器根据偏差变化的速度大小来预测将而微分控制器根据偏差变化的速度大小来预测将要出现的情况，提前进行过量控制。具有预见性要出现的情况，提前进行过量控制。具有预见性,能预见能预见偏差变化的趋势偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用。因此能产生超前的控制作用。第40页/共45页 老板对任务的要求突然严了，水位控制的及时性要老板对任务的要求突然严了，水位控制的及时性要求大大提高，一旦水位低于目标位，必须立即将水加到求大大提高，一旦水位低于目标位，必须立即将

22、水加到要求位置，而且不能高出太多，否则不给工钱。小刘又要求位置，而且不能高出太多，否则不给工钱。小刘又为难了！于是他又开动脑筋。为难了！于是他又开动脑筋。第41页/共45页 终于让他想到一个办法，常放一盆备用水在旁边，终于让他想到一个办法，常放一盆备用水在旁边，一发现水位低了，不经过漏斗就是一盆水下去，这样及时一发现水位低了，不经过漏斗就是一盆水下去，这样及时性是保证了，但水位有时会高出目标位。他又在目标水位性是保证了，但水位有时会高出目标位。他又在目标水位上面一点将水缸开一个孔，再接一根管子到下面的备用桶上面一点将水缸开一个孔，再接一根管子到下面的备用桶里，这样多出的水会从上面的孔里漏出来。

23、这个漏水的时里，这样多出的水会从上面的孔里漏出来。这个漏水的时间就称为微分时间。间就称为微分时间。第42页/共45页小结：小结：微分控制作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功微分控制作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功能，但对于恒定偏差输入时，微分控制根本就起不到控制能，但对于恒定偏差输入时，微分控制根本就起不到控制作用。作用。大部分控制系统不需要调节微分时间。因为只有偏差大部分控制系统不需要调节微分时间。因为只有偏差成线性变化的系统才需要附加这个参数。如果微分控制使成线性变化的系统才需要附加这个参数。如果微分控制使用不当反而会延长系统的调节时间，不利于系统稳定。用不当反而会延长系统的调节时间，不利于系统稳定。第43页/共45页前面讲解的是6.2节PID控制模型下面将讲解6.3节运动控制系统模型第44页/共45页感谢您的观看！第45页/共45页