PID控制原理课件.ppt

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1、PID控制原理控制原理4.l 4.l PIDPID控制的特点控制的特点 PID PID 控制是比例积分微分控制控制是比例积分微分控制（Proportional-Integral-DifferentialProportional-Integral-Differential）历史最久、应用最广，适应性最强的控制方式历史最久、应用最广，适应性最强的控制方式 在工业生产过程中，在工业生产过程中，PIDPID控制算法占控制算法占85%85%90%90%2 反馈控制反馈控制 根据误差进行的控制根据误差进行的控制给定（目标）给定（目标）输出（控制结果）输出（控制结果）4.l PID4.l PID控制的特点控

2、制的特点3 在过程控制中，绝大部分都采用在过程控制中，绝大部分都采用 PIDPID控制。控制。例外的情况有两种。例外的情况有两种。一种是被控对象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更简一种是被控对象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更简单的开关控制方式。单的开关控制方式。另一种是被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况，另一种是被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况，这时如果这时如果 PIDPID控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控制方法。制方法。4.l PID4.l PID控制的特点控制的特点74.2 4.2 比例调节比例调节(P(

3、P调节调节)4.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 4.2.2 4.2.2 比例控制的特点比例控制的特点 4.2.3 4.2.3 比例带对控制过程的影响比例带对控制过程的影响84.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 在在 P P调调节节中中，调调节节器器的的输输出出信信号号u u与与偏偏差差信信号号e e成成比例，即比例，即 u uK Kc ce e 式中，式中，K Kc c称为比例增益称为比例增益(视情况可设置为正或负视情况可设置为正或负)。9 在实际应用中，由于执行器的运动（如阀在实际应用中，由于执行器的运动（如阀

4、门门 开度）有限，控制器的输出开度）有限，控制器的输出u u(t t)也就也就被限制在一定的范围之内，被限制在一定的范围之内，换句话说，在换句话说，在K Kc c较大时，偏差较大时，偏差e e(t t)仅在一定仅在一定的范围内与控制器的输出保持线性关系。的范围内与控制器的输出保持线性关系。4.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带10图图4-14-1说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围图中偏差在图中偏差在-50%-50%-50%-50%范围变化时，范围变化时，如果如果K Kc=1c=1，则控制器输出，则控制器输出u u(

5、t t)变化在变化在0 0100%100%范围（对应阀门范围（对应阀门的全关到全开），并与输入的全关到全开），并与输入e e(t t)之间保持线性关系。之间保持线性关系。K Kc1c1时，制器输出时，制器输出u u(t t)与输入与输入e e(t t)之间的线性关系只在之间的线性关系只在-50%/-50%/K Kc c50%/50%/K Kc c满足满足。4.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带114.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 当当|e e(t t)|)|超出该范围时，控制器输出具有饱和特超出该范围时，控制器输

6、出具有饱和特性，保持在最小或最大值。性，保持在最小或最大值。因此，比例控制有一定的应用范围，超过该范围因此，比例控制有一定的应用范围，超过该范围时，控制器输出与输入之间不成比例关系。时，控制器输出与输入之间不成比例关系。这表明，从局部范围看，比例控制作用表示控制这表明，从局部范围看，比例控制作用表示控制输出与输入之间是线性关系，但从整体范围看，两者输出与输入之间是线性关系，但从整体范围看，两者之间是非线性关系。之间是非线性关系。12 P P调节的阶跃响应调节的阶跃响应P P调节对偏差信号能做出及时调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。反应，没有丝毫的滞后。输出输出u u实际上是对其起始

7、值的实际上是对其起始值的增量。因此，当偏差增量。因此，当偏差e e为零，为零，因而因而u u0 0时，并不意味着调节时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有器没有输出，它只说明此时有u=u0。u0的大小是可以通过调整调节的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。器的工作点加以改变的。0u0+Kceu0u=Kc e4.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带134.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带2 2比例带及其物理意义比例带及其物理意义 比例带的定义比例带的定义 在过程控制中，通常用比例度表示控制输出在过程控制中，

8、通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入（偏差）的范与偏差成线性关系的比例控制器输入（偏差）的范围。因此，比例度又称为比例带，其定义为围。因此，比例度又称为比例带，其定义为式中式中，为偏差信号范围，即仪表的量程为偏差信号范围，即仪表的量程；为控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范围。为控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范围。144.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 习题4.2(p98)某电动比例调节器的测量范围为某电动比例调节器的测量范围为100-200100-200o oC C，其输出为，其输出为0-10mA0-10mA。当温度从

9、。当温度从140140o oC C变化到变化到160160o oC C时，测得调节器的输出从时，测得调节器的输出从3mA3mA变化到变化到7mA7mA。试求出。试求出该调节器比例带。该调节器比例带。154.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是统一的标准信号，即统一的标准信号，即 ，则有，则有 此时比例带（比例度）此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比例与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%100%的开的开

10、度变化，相应的比例增益就大。度变化，相应的比例增益就大。164.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带具有重要的物理意义具有重要的物理意义具有重要的物理意义具有重要的物理意义 u u代代表表调调节节阀阀开开度度的的变变化化量量，就就代代表表使使调调节节阀阀开开度度改改变变100%100%即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。例例如如，若若测测量量仪仪表表的的量量程程为为100100，则则50%50%就就表表示示被被调量需要改变调量需要改变5050才能使调节阀从全关到全开。才能使调节阀从全关到全开。当被调量处在当被调

11、量处在“比例带比例带”以内以内 调节阀的开度调节阀的开度(变化变化)才与偏差成比例。才与偏差成比例。超出这个超出这个“比例带比例带”以外以外 调调节节阀阀已已处处于于全全关关或或全全开开的的状状态态，调调节节器器的的输输入入与与输输出出已已不不再再保保持持比比例关系。例关系。174.2 4.2 比例调节比例调节(P(P调节调节)4.2.1 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 4.2.2 4.2.2 比例控制的特点比例控制的特点 4.2.3 4.2.3 比例带对控制过程的影响比例带对控制过程的影响184.2.2 4.2.2 比例调节的特点比例调节的特点比例调节的显著

12、特点就是比例调节的显著特点就是有差调节有差调节。194.2.2 4.2.2 比例调节的特点比例调节的特点 如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差残差。因为根据比例调节的特点，只有调节器的输入有变化因为根据比例调节的特点，只有调节器的输入有变化,即被调量和设定值之间有偏差即被调量和设定值之间有偏差,调节器的输出才会发生变调节器的输出才会发生变化。化。20这里的杠杆充当了这里的杠杆充当了比比例调节器例调节器：液位变化液位变化e e是其输入；是其输

13、入；阀杆位移阀杆位移u u 是其输出；是其输出；调节器的调节器的比例增益为：比例增益为：该比例调节器是有余差的！该比例调节器是有余差的！余差的大小与比例增益有关，余差的大小与比例增益有关，Kc大，余差小。大，余差小。液位比例控制系统示意图液位比例控制系统示意图4.2.2 4.2.2 比例调节的特点比例调节的特点21 余差（或静差）是指：余差（或静差）是指：被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。余差的大小与调节器的放大系数余差的大小与调节器的放大系数K K或比例带或比例带有关有关 放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；放大系数越小，即比

14、例带越大，余差就越大；放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。就越小。4.2.2 4.2.2 比例调节的特点比例调节的特点22 比例控制是比例控制是有差控制有差控制可以根据控制理论加以验。可以根据控制理论加以验。因如果广义被控对象的传递函数因如果广义被控对象的传递函数 GpGp(s s)具有一阶惯具有一阶惯性加纯迟延的形式性加纯迟延的形式 则当控制器则当控制器 GcGc(s s)采用比例控制时采用比例控制时 系统的开环传递函数可表示为系统的开环传递函数可表示为4.2.2 4.2.2 比例调节的特点比例调节的特点23 当系统的输

15、入在幅值为当系统的输入在幅值为A A的阶跃信号激励时，其响应的阶跃信号激励时，其响应的稳态误差为的稳态误差为 由上式可知，由上式可知，该系统的稳态误差与输入的幅值成正该系统的稳态误差与输入的幅值成正比，与系统的开环增益成反比，它为一有限值。比，与系统的开环增益成反比，它为一有限值。也就是说，也就是说，只要广义被控对象的增益只要广义被控对象的增益K K与控制器的比与控制器的比例增益例增益KcKc乘积不为无穷大，系统的稳态误差就不会乘积不为无穷大，系统的稳态误差就不会为零。为零。4.2.2 4.2.2 比例调节的特点比例调节的特点244.2 4.2 比例调节比例调节(P(P调节调节)4.2.1 4

16、.2.1 比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带 4.2.2 4.2.2 比例控制的特点比例控制的特点 4.2.3 4.2.3 比例带对控制过程的影响比例带对控制过程的影响254.2.3 4.2.3 比例带对于调节过程的影响比例带对于调节过程的影响a)大大 调调节节阀阀的的动动作作幅幅度度小小，变变化化平平稳稳，甚甚至至无无超超调调，但但余余差差大，调节时间也很长大，调节时间也很长b)b)减小减小 调调节节阀阀动动作作幅幅度度加加大大，被被调调量来回波动，余差减小量来回波动，余差减小c)c)进一步减小进一步减小 被调量振荡加剧被调量振荡加剧d)d)为临界值为临界值 系统处于临界稳

17、定状态系统处于临界稳定状态e)e)小于临界值小于临界值 系统不稳定，振荡发散系统不稳定，振荡发散 图图4.4 对比例调节过程的影响对比例调节过程的影响26比例调节的特点：比例调节的特点：（1 1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：的比例关系，即：u u=K eK e（2 2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。有时间滞后，其动态特性好。（3 3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。定值，而产生余差。27 若对

18、象较稳定（对象的静态放大系数较小，时若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，滞后较小）间常数不太大，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快一些；使反应速度加快一些；相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大滞后时间较大 则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。比例带的一般选择原则：比例带的一般选择原则：28 比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下：比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下：压力调节：压

19、力调节：3070%3070%流量调节：流量调节：40100%40100%液位调节：液位调节：2080%2080%温度调节：温度调节：2060%2060%294.3 4.3 比例积分控制比例积分控制(PI(PI控制控制)4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律 4.3.2 4.3.2 比例积分控制的调节规律比例积分控制的调节规律 4.3.3 4.3.3 积分饱和现象与抗积分饱和的措施积分饱和现象与抗积分饱和的措施301.1.1.1.积分调节动作规律积分调节动作规律积分调节动作规律积分调节动作规律 调调节节器器的的输输出出信信号号的的变变化化速速度度dudu/dtdt与与偏偏差

20、差信信号号e e成成正正比比，或或者者说说调调节节器器的的输输出出与与偏偏差差信信号号的积分成正比，即：的积分成正比，即：式中式中S S。称为积分速度，可视情况取正值或负。称为积分速度，可视情况取正值或负值。值。4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律31 积分调节的阶跃响应积分调节的阶跃响应I I调调节节器器的的输输出出不不仅仅与与偏偏差差信信号号的的大大小小有有关关，还还与与偏偏差差存存在在的的时间长短有关。时间长短有关。只只要要偏偏差差存存在在，调调节节器器的的输输出出就就会会不不断断变变化化，直直到到偏偏差差为为零零调调节节器器的的输输出出才才稳稳定定下下来来不不再

21、再变化。变化。所所以以积积分分调调节节作作用用能能自自动动消消除除余差余差。注注意意I I调调节节的的输输出出不不像像P P调调节节那那样随偏差为零而变到零。样随偏差为零而变到零。4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律32 图示的自力式气压调节阀就是一个简单的积分图示的自力式气压调节阀就是一个简单的积分调节器：调节器：管道压力管道压力P P是被调量，它通过针形阀是被调量，它通过针形阀R R与调节阀膜头的与调节阀膜头的上部空腔相通，而膜头的下部空腔则与大气相通。上部空腔相通，而膜头的下部空腔则与大气相通。改变针形阀的开度改变针形阀的开度可改变积分速度可改变积分速度S S0

22、0图图4-5 4-5 自力式气压控制阀结构原理图自力式气压控制阀结构原理图4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律332 2 积分调节的特点，无差调节积分调节的特点，无差调节 积分调节的特点是积分调节的特点是无差调节无差调节 只只要要偏偏差差不不为为零零，控控制制输输出出就就不不为为零零，它它就就要动作到把被调量的静差完全消除为止要动作到把被调量的静差完全消除为止 而而一一旦旦被被调调量量偏偏差差e e为为零零，积积分分调调节节器器的的输输出就会保持不变。出就会保持不变。调节器的输出可以停在任何数值上调节器的输出可以停在任何数值上,即即:被被控控对对象象在在负负荷荷扰扰动动

23、下下的的调调节节过过程程结结束束后后，被被调调量量没没有有余余差差，而而调调节节阀阀则则可可以以停停在在新新的的负负荷荷所所要要求的开度上。求的开度上。4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律34 积分调节的稳定性积分调节的稳定性 它它的的稳稳定定作作用用比比P P调调节节差差，采采用用积积分分调调节节不不可可能能得得到到稳稳定的系统。定的系统。K=2K=0.24.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律35Z=P-NK=2K=0.24.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律36Z=P-NK=2K=0.24.3.1 4.3.1 积分控制的调

24、节规律积分控制的调节规律37 稳定作用比稳定作用比 P P调节差调节差。根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用 P P调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定(除非被控对除非被控对象含有一个以上的积分环节象含有一个以上的积分环节)；如果采用；如果采用 I I调节则不可能调节则不可能得到稳定的系统。得到稳定的系统。4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律38 积分调节的滞后性积分调节的滞后性 对对于于同同一一个个被被控控对对象象，采采用用I I调调节节时时其其调调节节过过程程的的进进行行

25、总总比比采采用用P P调调节节时时缓缓慢慢，除除非非积积分分速速度度无无穷穷大大，否否则则I I调调节节就就不不可可能能像像P P调调节节那那样样及及时时对对偏偏差差加加以以响响应应，而而是是滞滞后后于于偏偏差差的的变变化化，它它的的滞滞后后特特性性使使其其难难以以对对干干扰扰进进行行及及时控制。时控制。所所以以一一般般在在工工业业中中，很很少少单单独独使使用用I I调调节节，而而基基本本采采用用PIPI调节代替纯调节代替纯I I调节。调节。4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律39 采采用用积积分分调调节节时时，控控制制系系统统的的开开环环增增益益与与积积分分速速度度S

26、 S0 0成成正比。正比。增大积分速度降低系统的稳定程度。增大积分速度降低系统的稳定程度。当当系系统统的的输输入入在在幅幅值值为为A A的的阶阶跃跃信信号号激激励励时时，其其响响应应的的稳稳态误差为态误差为 该系统在阶跃信号作用下的稳态误差始终为零。该系统在阶跃信号作用下的稳态误差始终为零。3 积分速度对于调节过程的影响积分速度对于调节过程的影响4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律40 积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响：增大积分速度增大积分速度

27、增大积分速度增大积分速度 调调节节阀阀的的速速度度加加快快，但但系系统统的的稳稳定定性性降低降低 当当积积分分速速度度大大到到超超过过某某一一临临界界值值时时，整整个个系系统统变变为为不不稳稳定定，出出现现发发散散的的振振荡过程。荡过程。S S0 0愈愈大大，则则调调节节阀阀的的动动作作愈愈快快，就就愈愈容容易易引引起起和和加加剧剧振振荡荡，而而最最大大动动态态偏偏差则愈来愈小。差则愈来愈小。减小积分速度减小积分速度减小积分速度减小积分速度 调调节节阀阀的的速速度度减减慢慢，结结果果是是系系统统的的稳稳定性增加了，但调节速度变慢定性增加了，但调节速度变慢 当当积积分分常常数数小小到到某某一一临

28、临界界值值时时，调调节节过程变为非振荡过程。过程变为非振荡过程。无无论论增增大大还还是是减减小小积积分分速速度度，被被调调量量最后都没有残差最后都没有残差图图4.6 积分速度积分速度S S0 0 对调节过程的影响对调节过程的影响4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律41比例调节和积分调节的比较：比例调节和积分调节的比较：比例调节和积分调节的比较：比例调节和积分调节的比较：比例调节是有差调节，积分调节是无差调节比例调节是有差调节，积分调节是无差调节 比例调节能立即响应偏差变化比例调节能立即响应偏差变化积分调节调节过程缓慢积分调节调节过程缓慢当被调参数突然出现较大的偏差时当被

29、调参数突然出现较大的偏差时 比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大 但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小或减小如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力 单独的积分调节系统较罕见，它作为一种辅助调节规律与单独的积分调节系统较罕见，它作为一种辅助调节规律与比例调节一起组成比例积分调节规律比例调节一起组成比例积分调节规律。4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律42 对于同一被控对象若分别采用对于同一被控对象若分别采用 P

30、 P调节和调节和 I I调节，并调整到相调节，并调整到相同的衰减率同的衰减率0 07575，则它们在负荷扰动下的调节过程如图，则它们在负荷扰动下的调节过程如图4-74-7中曲线中曲线 P P和和 I I所示。它们清楚地显示出两种调节规律的不所示。它们清楚地显示出两种调节规律的不同特点。同特点。4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律43图图4.7 P4.7 P与与I I 调节过程的比较调节过程的比较结论：结论：结论：结论：P P P P调节有余差调节有余差调节有余差调节有余差 I I I I调节没有余差，但超调大，不如调节没有余差，但超调大，不如调节没有余差，但超调大，不如

31、调节没有余差，但超调大，不如P P P P稳定稳定稳定稳定4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律444.3 4.3 比例积分控制比例积分控制(PI(PI控制控制)4.3.1 4.3.1 积分控制的调节规律积分控制的调节规律 4.3.2 4.3.2 比例积分控制的调节规律比例积分控制的调节规律 4.3.3 4.3.3 积分饱和现象与抗积分饱和的措施积分饱和现象与抗积分饱和的措施451 1 比例积分（比例积分（PIPI）调节）调节 积分调节可以消除静差积分调节可以消除静差,但有滞后现象，比但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。例调节没有滞后现象，但存在静差。PIPI

32、调节就是综合调节就是综合P P、I I两种调节的优点，利两种调节的优点，利用用P P调节快速抵消干扰的影响，同时利用调节快速抵消干扰的影响，同时利用I I调节消除残差。调节消除残差。4.3.2 4.3.2 比例积分的调节规律比例积分的调节规律46PIPI调节规律为：调节规律为：式中式中 比例带（可视情况取正值或负值）比例带（可视情况取正值或负值）T TI I 积分时间积分时间和和T TI I 是是PIPI调节器的两个重要参数。调节器的两个重要参数。PIPI调节器的传递函数为调节器的传递函数为4.3.2 4.3.2 比例积分的调节规律比例积分的调节规律47图图4.8 PI PI调节器的阶跃响应调

33、节器的阶跃响应 TI4.3.2 4.3.2 比例积分的调节规律比例积分的调节规律48 在在施施加加阶阶跃跃输输入入的的瞬瞬间间，调调节节器器立立即即输输出出一一个个幅幅值值为为e e的的阶阶跃跃，然然后后以以固固定定速速度度eeTTI I变变化化。当当t t=T TI I时时，调调节节器器的的总总输输出出为为22e e。输输出出的的积积分分部部分分正正好好等等于比例部分。于比例部分。T TI I可可以以衡衡量量积积分分部部分分在在总总输输出出中中所所占占的的比比重重：T TI I愈小，积分部分所占的比重愈大。愈小，积分部分所占的比重愈大。4.3.2 4.3.2 比例积分的调节规律比例积分的调节

34、规律49 残差的消除是残差的消除是PIPI调节器积分动作的结果。调节器积分动作的结果。积积分分部部分分的的阀阀位位输输出出使使调调节节阀阀开开度度最最终终得得以以到到达达抵消扰动所需的位置。抵消扰动所需的位置。比比例例部部分分的的阀阀位位输输出出UpUp在在调调节节过过程程的的初初始始阶阶段段起起较较大大作作用用，但但调调节节过过程程结结束束后后又又返返回回到到扰扰动动发发生生前的数值。前的数值。2.2.比例积分调节过程比例积分调节过程4.3.2 4.3.2 比例积分的调节规律比例积分的调节规律50负荷变化前（负荷变化前（t 设定限值时，设定限值时，u uPIPI=u=umaxmax 结果：这

35、样有可能在正常操作中不能消除系统的余差结果：这样有可能在正常操作中不能消除系统的余差积分分离法积分分离法 ee设定限值时，改用纯设定限值时，改用纯P P调节调节 结果：既不会积分饱和又能在小偏差时利用积分作用消结果：既不会积分饱和又能在小偏差时利用积分作用消除偏差除偏差遇限削弱积分法（抗积分饱和法）遇限削弱积分法（抗积分饱和法）u uPIPI 设定限值时，只累加负偏差，反之亦然设定限值时，只累加负偏差，反之亦然 结果：可避免控制量长时间停留在饱和区结果：可避免控制量长时间停留在饱和区2.2.抗积分饱和的措施抗积分饱和的措施4.3.3 4.3.3 积分饱和现象与抗积分饱和的措施积分饱和现象与抗积

36、分饱和的措施674.4 4.4 比例积分微分控制比例积分微分控制(PID(PID控控制制)4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律 4.4.2 4.4.2 比例微分控制的调节规律比例微分控制的调节规律 4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特点比例微分控制的特点 4.4.4 4.4.4 比例积分微分控制的调节规律比例积分微分控制的调节规律68 调节器的输出调节器的输出u u与被调量或其偏差与被调量或其偏差e e对于时间的导数成正对于时间的导数成正比，即比，即式中，式中，S S2 2 微分时间。微分时间。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律69 D D

37、调节的阶跃响应调节的阶跃响应微分调节的思想：微分调节的思想：微分调节只与偏差的变化成比微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，由微分例，偏差变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大，调节器给出的控制作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。提高系统的稳定性。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律理想理想D D调节器的阶跃响应曲线调节器的阶跃响应曲线70 调节器在调节器在t=tt=t0 0时刻，输入阶跃时刻，输入阶跃偏差偏差e e，偏差的变化速度为：，偏差的变化速度为：之后，调节器的输出立即又回之后，调节器的输出立即又回到零，理

38、想的微分调节特性曲到零，理想的微分调节特性曲线为一垂直直线。线为一垂直直线。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律理想理想D D调节器的阶跃响应曲线调节器的阶跃响应曲线71 如加热炉温度自动调节如加热炉温度自动调节,当温度低于给定值时当温度低于给定值时,则煤气阀门应开大则煤气阀门应开大,这是比例调节作用这是比例调节作用,但同但同时发现时发现,温度降低的速度很快温度降低的速度很快,说明出现了较说明出现了较大的扰动大的扰动,则下一时刻的偏差将会更大则下一时刻的偏差将会更大,因此因此应预先采取措施应预先采取措施,即即提前动作提前动作,把煤气阀门的把煤气阀门的开度开得更大一些开度

39、开得更大一些,这叫这叫超前作用。超前作用。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律72微分调节的特点微分调节的特点 P P和和I I是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作而动作(即即偏差的方向和大小偏差的方向和大小进行调节进行调节)。微分调节是根据偏差信号的微分微分调节是根据偏差信号的微分,即即偏差变化的速偏差变化的速度度而动作的。而动作的。只要偏差一露头只要偏差一露头,调节器就立即动作，以求更好的调节调节器就立即动作，以求更好的调节效果效果 偏差没有变化偏差没有变化,微分调节不起作用。微分调节不起作用。微分调节主要用于克服调节对

40、象有较大的微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞传递滞后和容量滞后后和容量滞后。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律73 注意：注意：1.1.微分调节不能消除余差。微分调节不能消除余差。微分调节只对偏差的变化做出反应，而与偏差微分调节只对偏差的变化做出反应，而与偏差的大小无关。的大小无关。2.2.单纯的微分调节器也是不能工作的。单纯的微分调节器也是不能工作的。实际的调节器都有一定的失灵区，若调节误实际的调节器都有一定的失灵区，若调节误差的变化速度缓慢，以至于调节器不能察觉，差的变化速度缓慢，以至于调节器不能察觉，纯微分调节器将不会动作，此时调节误差会不纯微分调节器将

41、不会动作，此时调节误差会不断累积却得不到校正。断累积却得不到校正。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律74 PIDPID是比例、积分、微分的缩写是比例、积分、微分的缩写 Proportional-Integral-DifferentialProportional-Integral-Differential 比例作用的输出与偏差大小成正比；比例作用的输出与偏差大小成正比；积分作用的输出变化速度与偏差成正比；积分作用的输出变化速度与偏差成正比；微分作用的输出与偏差变化速度成正比。微分作用的输出与偏差变化速度成正比。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律

42、75 比比例例调调节节作作用用：是是按按比比例例反反应应系系统统的的偏偏差差，系系统统一一旦旦出出现现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差比例作用大，可以加快调节，减少误差 但但是是过过大大的的比比例例，使使系系统统的的稳稳定定性性下下降降，甚甚至至造造成成系系统统的的不稳定。不稳定。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律76 比例调节比例调节KpKp的变化对控制效果的影响的变化对控制效果的影响 4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律Kp=0.2Kp=1Kp=1

43、0Kp=10077 积积分分调调节节作作用用：是是使使系系统统消消除除稳稳态态误误差差，提提高高无无差差度度。因因为为有有误误差差，积积分分调调节节就就进进行行，直直至至无无差差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分调节停止，积分调节输出一常值。积积分分作作用用的的强强弱弱取取决决于于积积分分时时间间常常数数TiTi，TiTi越越小小，积分作用就越强。反之积分作用就越强。反之TiTi大则积分作用弱。大则积分作用弱。加加入入积积分分调调节节可可使使系系统统稳稳定定性性下下降降，动动态态响响应应变变慢。慢。积积分分作作用用常常与与另另两两种种调调节节规规律律结结合合，组组成成PIPI调调节节器或

44、器或PIDPID调节器。调节器。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律78积分调节，积分调节，TiTi的变化对控制效果的影响的变化对控制效果的影响 4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律79 微分调节作用微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生此能产生超前超前的控制作用，在偏差还没有形成之的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系改善系统的动态性能统的动态性能。在微

45、分时间选择合适情况下，可以在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减减少超调，减少调节时间。少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，分调节，对系统抗干扰不利对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成律相结合，组成PDPD或或PIDPID控制器。控制器。4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律80微分调节，微分调节

46、，TdTd的变化对控制效果的影响的变化对控制效果的影响 4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律814.4 4.4 比例积分微分控制比例积分微分控制(PID(PID控控制制)4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律 4.4.2 4.4.2 比例微分控制的调节规律比例微分控制的调节规律 4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特点比例微分控制的特点 4.4.4 4.4.4 比例积分微分控制的调节规律比例积分微分控制的调节规律824.4.2 4.4.2 比例微分控制的调节规律比例微分控制的调节规律 PDPD调节器的动作规律是调节器的动作规律是 （4-124-1

47、2）或或 式中，式中，为比例带，可视情况取正值或负值；为比例带，可视情况取正值或负值；T TD D为微分时为微分时间。间。834.4.2 4.4.2 比例微分控制的调节规律比例微分控制的调节规律 PDPD调节器的传递函数应为调节器的传递函数应为 但严格按但严格按(4-13)(4-13)式动作的调节器在物理上是不能实现的。式动作的调节器在物理上是不能实现的。工业上实际采用的工业上实际采用的 PDPD调节器的传递函数是调节器的传递函数是 式中式中 K KD D称为微分增益。工业调节器的微分增益一般在称为微分增益。工业调节器的微分增益一般在5-105-10范围内范围内。(4-14)(4-13)84工

48、业上实际采用的工业上实际采用的PDPD调节器的传递函数是：调节器的传递函数是：式中式中 KD 微分增益微分增益相应的单位阶跃响应为相应的单位阶跃响应为：4.4.2 4.4.2 比例微分控制的调节规律比例微分控制的调节规律85微分作用微分作用纯比例作用纯比例作用TD大，微分作用强大，微分作用强相应的单位阶跃响应为相应的单位阶跃响应为：4.4.2 4.4.2 比例微分控制的调节规律比例微分控制的调节规律86说明：说明：微分作用的强弱用微分时间微分作用的强弱用微分时间T TD D来衡量来衡量 微分时间微分时间T TD D越大，微分作用越强，超前时间越大。越大，微分作用越强，超前时间越大。理想的微分调

49、节是不能单独使用的，它总是理想的微分调节是不能单独使用的，它总是依附于比例调节或比例积分调节的。依附于比例调节或比例积分调节的。4.4.2 4.4.2 比例微分控制的调节规律比例微分控制的调节规律87根据根据PDPD调节器的斜坡响应也可以单独测定它调节器的斜坡响应也可以单独测定它的微分时间的微分时间T TD D如果如果T TD D=0=0即没有微分即没有微分动作，那么输出动作，那么输出u将按将按虚线变化。微分动作的虚线变化。微分动作的引入使输出的变化提前引入使输出的变化提前一段时间发生，而这段一段时间发生，而这段时间就等于时间就等于T TD D。PDPD调节器有导前作用，调节器有导前作用，其导

50、前时间即是微分时其导前时间即是微分时间间T TD D。4.4.2 4.4.2 比例微分控制的调节规律比例微分控制的调节规律884.4 4.4 比例积分微分控制比例积分微分控制(PID(PID控控制制)4.4.1 4.4.1 微分控制的调节规律微分控制的调节规律 4.4.2 4.4.2 比例微分控制的调节规律比例微分控制的调节规律 4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特点比例微分控制的特点 4.4.4 4.4.4 比例积分微分控制的调节规律比例积分微分控制的调节规律89 PDPD调节也是有差调节调节也是有差调节在在稳稳态态下下，dededtdt0 0，PDPD调调节节器器的的微微分分部部分分输