PID控制器和PID参数整定市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、PID控制器及PID参数整定 第1页讲课内容： 自动控制原理普通概念 控制系统性能指标 P、I、D在控制系统中作用 PID参数整定方法第2页1 自动控制规律普通概念所谓自动控制，就是指在没有些人直接参加情况下，利用控制器使被控对象(如机器、设备和生产过程)一些物理量(或工作状态)能自动地按照预定规律改变(或运行)。完成这一过程全部元件与装置组成整体就称为自动控制系统。当代数字计算机快速发展，为自动控制技术应用开辟了辽阔前景。使它不但大量应用于空间技术、科技、工业、交通管理、环境卫生等领域，而且它概念和分析问题方法也向其它领域渗透。比如政治、经济、教学等领域中各种体系；人体各种功效；自然界中各种

2、生物学系统，都可视为是一个控制系统。自动控制系统广泛应用不但能使生产设备或过程实现自动化，极大地提升了劳动生产率和产品质量，改进了劳动条件。第3页当前工业自动化水平已成为衡量各行各业当代化水平一个主要标志。同时,控制理论发展也经历了古典控制理论、当代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制经典实例是含糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包含控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器输出经过输出接口执行机构加到被控系统上控制系统被控量经过传感器变送器经过输入接口送到控制器。不一样控制系统其传感器变送器执行机构是不一样。比如压力控制系统要采取压力传感器。

3、电加热控制系统传感器是温度传感器。 第4页自动控制是一门理论性很强科学技术，普通泛称为“自动控制技术”。把实现自动控制所需各个部件按一定规律组合起来，去控制被控对象，这个组合体叫做“控制系统”。分析与综合控制系统理论称之为“控制理论”。自动控制系统种类较多，被控制物理量有各种各样，如温度、压力、流量、电压、转速、位移和力等。组成这些控制系统元、部件即使有较大差异，不过系统基本结构却相类同，且普通都是经过机械、电气、液压等方法代替人工控制。第5页1.1、开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象输出(被控制量)对控制器(controller)输出没

4、有影响。在这种控制系统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 第6页1.2、闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)特点是系统被控对象输出(被控制量)会反送回来影响控制器输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈( Negative Feedback),若极性相同,则称为正反馈,普通闭环控制系统均采取负反馈,又称负反馈控制系统。闭环控制系统例子很多。比如人就是一个含有负反馈闭环控制系统,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能经过不停修正最终作出各种正确动作。假如没有眼睛,就没有了反馈回路,

5、也就成了一个开环控制系统。另例,当一台真正全自动洗衣机含有能连续检验衣物是否洗净,并在洗净之后能自动切断电源,它就是一个闭环控制系统。第7页一个经典反馈控制系统基本组成能够用图1.9 所表示方块图表示。将组成系统元件按在系统中职能来划分，主要有以下几个。第8页(1) 给定元件：给出与期望输出对应输入量。(2) 比较元件：求输入量与反馈量偏差，常采取集成运放来实现。(3) 放大元件：因为偏差信号普通都较小，不足以驱动负载，故需要放大元件，包含电压放大及功率放大。(4) 执行元件：直接推进被控对象，使输出量发生改变。惯用有电动机、阀、液压马达等。(5) 测量元件：检测被控物理量并转换为所需要信号。

6、在控制系统中惯用有用于速度检测测速发电机、光电编码盘等，用于位置与角度检测旋转变压器、自整机等，用于电流检测互感器及用于温度检测热电偶等。这些检测装置普通都将被检测物理量转换为对应连续或离散电压信号。(6) 校正元件：也叫赔偿元件，是结构与参数便于调整元件，以串联或反馈方式联接在系统中，完成所需运算功效，以改进系统性能。第9页线性系统和非线性系统同时满足叠加性与均匀性(又称为齐次性)系统称为线性系统。所谓叠加性是指当几个输入信号共同作用于系统时，总输出等于每个输入单独作用时产生输出之和；均匀性是指当输入信号增大若干倍时，输出也对应增大一样倍数。对于线性连续控制系统，能够用线性常系数微分方程来表

7、示。 第10页第11页 不满足叠加性与均匀性系统即为非线性控制系统。显然，系统中只要有一个元件特征是非线性，该系统即为非线性控制系统。其特征要用非线性微分或差分方程来描述。这类方程特点是系数与变量相关，或者方程中含有变量及其导数高次幂或乘积项。严格来说，实际中不存在线性系统，因为实际物理系统总是含有不一样程度非线性，比如放大器饱和特征、齿轮间隙、电机死区及摩擦特征等。非线性控制系统研究当前还没有统一方法。但对于非线性程度不太严重系统，可在一定范围内将其近似为线性系统。第12页1.3控制系统时域响应及性能指标 任何一个稳定线性控制系统，在输入信号作用下时间响应都由动态响应(或瞬态响应、暂态响应)

8、和稳态响应两部分组成。动态响应描述了系统动态性能，而稳态响应反应了系统稳态精度。二者都是线性控制系统主要性能。所以，在对系统设计时必须同时给予满足。 1.3.1. 动态响应 动态响应又称瞬态响应或过渡过程，指系统在输入信号作用下，系统从初始状态到最终状态响应过程。依据系统结构和参数选择情况，动态响应表现为衰减、发散或等幅振荡几个形式。显然，一个实际运行控制系统，其动态响应必须是衰减，也就是说，系统必须是稳定。动态响应除提供系统稳定性信息外，还能够提供响应速度及阻尼情况等运动信息，这些运动信息用动态性能来描述。第13页 1.3.2. 稳态响应 假如一个线性系统是稳定，那么从任何初始条件开始，经过

9、一段时间就能够认为它过渡过程已经结束，进入了与初始条件无关而仅由外作用决定状态，即稳态响应。所以稳态响应是指当t 趋于无穷大时系统输出状态。稳态响应表征系统输出量最终复现输入量程度，提供系统相关稳态误差信息，用稳态性能来描述。 由此可见，线性控制系统在输入信号作用下性能指标，通常由动态性能和稳态性能两部分组成。 1.3.3 稳态性能指标 稳态性能指标是表征控制系统准确性性能指标，是一项主要技术指标，通惯用稳态下输出量期望值与实际值之间差来衡量，称为稳态误差。假如这个差是常数，则称为静态误差，简称静误差或静差。稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力一个度量。第14页1.3.4 动态性能指标 一个控制

10、系统除了稳态控制精度要满足一定要求以外，对控制信号响应过程也要满足一定要求，这些要求表现为动态性能指标。不稳定系统没有实用价值，所以不需要研究其动态性能指标。普通认为，阶跃输入对系统来说是最严峻工作状态。假如系统在阶跃函数作用下动态性能满足要求，那么系统在其它形式函数作用下，其动态性能也是令人满意。所以在大多数情况下，为了分析研究方便，最常采取经典输入信号是单位阶跃函数，并在零初始条件下进行研究。也就是说，在输入信号加上之前，系统输出量及其对时间各阶导数均等于零。描述稳定系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间t 改变情况指标称为动态性能指标。线性控制系统在零初始条件和单位阶跃信号输入下响应过

11、程曲线称为系统单位阶跃响应曲线。经典形状如图3.1 所表示。各项动态性能指标也示于图中。第15页(1) 延迟时间d t ：指响应曲线第一次到达其稳态值二分之一所需时间，记作d t ；(2) 上升时间r t ：指响应曲线首次从稳态值10%过渡到90%所需时间；对于有振荡系统，亦可定义为响应曲线从零首次到达稳态值所需时间，记作r t 。上升时间是系统响应速度一个度量。上升时间越短，响应速度越快；(3) 峰值时间p t ：指响应曲线第一次到达峰点时间，记作p t ；(4) 调整时间s t ：指响应曲线最终进入偏离稳态值误差为5%(也有取2%)范围而且不再越出这个范围时间，记作s t ；(5) 超调量

12、%：对于图3.1 所表示振荡性响应过程，响应曲线第一次越过稳态值到达峰值时，越过部分幅度与稳态值之比称为超调量，记作% ，即式中c ()表示响应曲线稳态值， cmax=c(tp)表示峰值。第16页 上述五个动态性能指标，基本上能够表达系统动态过程特征。在实际应用中，惯用动态性能指标多为上升时间、调整时间和超调量。通惯用上升时间或峰值时间来评价系统响应速度；用超调量评价系统阻尼程度；而调整时间是同时反应响应速度和阻尼程度综合性指标。 第17页2、PID=Proportion Integration Differentiation 按偏差百分比、积分和微分进行控制调整器简称为pid调整器，是连续系

13、统中技术成熟、应用最为广泛一个调整器。Pid调整器结构简单，参数易于调整，在长久应用中已积累了丰富经验。尤其在工业过程中，因为控制对象准确数学模型难以建立，系统参数又经常发生改变，利用当代控制理论分析综合要花费很大代价进行模型辨识，但往往不能得到预期效果，所以人们常采取PID调整器，并依据经验进行在线整定。因为软件系统灵活性，PID算法能够得到修正而愈加完善。2.1 模拟PID调整器 PID调整器是一个线性调整器，这种调整器是将设定值w与实际输出值y进行比较组成控制偏差 e = w y并将其百分比、积分、微分经过线性组合组成控制量（如图4-11-1所表示），所以简称为PID调整器。 第18页

14、在实际应用中，依据对象特征和控制要求，也可灵活改变其结构，取其中一部分环组成控制规律。比如，P调整器、PI调整器、PID调整器等。第19页1）百分比调整器 百分比调整器是最简单一个调整器，其控制规律为 u = Ke + u 0 (1-1)式中，K为百分比系数，u 0 为控制量基准，也就是e = 0时控制作用（阀门起始开度基准电平信号等）。图4-2显示了百分比调整器对于偏差阶跃改变时间响应。第20页 百分比调整器对于偏差e是即时反应，偏差一旦产生，调整器马上产生控制作用使被控量朝着减小偏差方向改变，控制作用强弱取决与百分比系数K。 百分比调整器即使简单快速，但对于含有自平衡性（及系统阶跃对应终值

15、为有限值）控制对象存在静差。加大百分比系数K能够减小静差，但当K过大时，会使动态质量变坏，引发被控量振荡甚至造成闭环不稳定。2）百分比积分调整器 为了消除在百分比调整中残余静差，可在百分比调整基础上加积分调整，形成百分比积分调整器，其控制规律为 u = K (e + 1/Tiedi)+u0 1-2式中，Ti为积分时间。第21页 从图4-3可看出PI调整器对于偏差阶跃响应除按百分比改变成份外，还带有累积成份。只要偏差e不为零，它将经过累积作用影响控制量u，并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再改变，系统才能到达稳态。所以，积分步骤加入将有利于消除系统静差。第22页 显然，假如积分时间Ti大，则积

16、分作用弱；反之，则积分作用强。增大Ti将减慢消除静差过程，但可减小超调，提升稳定性。Ti必须依据对象特征选定，对于管道压力、流量等滞后不大对象，Ti可选小一些；对温度等滞后较大对象，Ti可选大一些。 第23页3）百分比积分微分调整器 积分调整作用加入，即使能够消除静差，但花出代价是降低了响应速度。为了加紧控制过程，有必要在偏差出现或改变瞬间，不但对偏差量做出即时反应（即百分比调整作用），而且对偏差量改变作出反应，或者说按偏差改变趋向进行控制，使偏差毁灭与萌芽状态之中。微分作用对偏差任何改变都产生一控制作用，以调整系统输出，阻止偏差改变越快，ud越大，反馈校正量则越大。故微分作用加入将有利于减小

17、超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加紧了系统动作速度，减小调整时间，从而改进了系统动态性能。为了到达之一目标,能够在上述PI调整器基础上再加入微分调整以得到PID调整器以下控制规律第24页在工业过程控制中，模拟PID调整器有电动、气动、液压等各种类型。这类模拟调整仪表是用硬件来实现PID调整规律。自从计算机进入控制领域以来，用计算机软件（包含PLC指令）来实现PID调整算法不但成为可能，而且含有更大灵活性。第25页2.2数字PID控制算法 因为计算机控制是一个采样控制，它只能依据采样时刻偏差值计算控制量，所以式（1-3）中积分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算方法迫近。在采样时刻t=iT

18、(T为采样周期)，（1-3）所表示PID调整规律可经过数值公式 ui =K(ei+T/Tiej+Td/T（ei- ei-1）)+u0 (1-4) 近似计算。假如采样周期T取得足够小，这种迫近可相当准确，被控过程与连续控制过程身份靠近，我们把这种情况称为“准连续控制”。第26页2.3 PID调整器参数选择 在选择调整器参数前，应首先确定调整器结构，以确保被控系统稳定，并尽可能消除静差。所以，对于有自平衡性对象来说，应选择包含积分步骤调整器（I,PI或PID调整器）；而对于无自平衡性对象，则应选择不包含积分步骤调整器（P,PD调整器）。对于一些有自平衡性对象，也能够选择百分比或百分比微分调整器，但

19、这时会产生静差，假如选择适当百分比系数，能够使系统静差保持在允许范围内。对于含有纯滞后性质对象，则往往应加入微分步骤。第27页 PID参数能够用理论方法取得，也能够经过试验取得。用理论方法取得前提是要有被控对象准确模型，这在工业过程中普通较难做到，即使花了很大代价进行系统辨识，所得模型也只是近似，加上系统结构和参数都在随时间改变，在近似模型基础上设计最优控制器在实际过程中就极难说是最优。所以，在工程上PID调整器参数经常经过试验试凑来确定。第28页P、I、D在控制系统中作用：增大百分比系数K，普通将加紧系统响应，有静差情况下有利于减小静差。控制作用强弱取决于百分比系数K。但过大百分比系数会使系

20、统有较大超调，并产生震荡，使稳定型变坏。增大积分时间Ti，有利于减小超调，减小振荡，使系统愈加稳定，但系统静差消除将随之减慢。增大为分时间Td,亦有利于加紧系统响应，使超调减小，克服震荡，稳定性增加，但系统对扰动控制能力减弱，对扰动有较敏感响应。第29页经验试凑法确定PID参数步骤： 百分比部分 为了降低试凑次数，可利用在选PID参数时已取得经验，把P定在某一范围内，将调整器选为纯百分比系数，使系统对信号输入响应到达临界振荡状态（稳定边缘）。详细做法为：首先去掉PID积分项和微分项，普通是令Ti=0、Td=0使PID为纯百分比调整。将百分比系数由小到大，并观察对应系统响应，直至得到反应快、超调小响应曲线。由0逐步加大百分比增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时百分比增益P逐步减小，直至系统振荡消失，统计此时百分比增益P假如系统没有静差或静差已经小到允许范围内