PID 自动控制原理及其应用

PID-自动控制原理及其应用2016年4月2016年动力部自控专业培训

PID-自动控制原理及其应用第一章：自动控制原理简介及应用第二章：PID简介，应用及常用调节方法一、控制系统基本概念1.控制（Control）：根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化的操作过程。2.人工控制（ManualControl）：由人直接或间接操作执行装置的控制方式。3.自动控制（AutomaticControl）：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。4.反馈控制原理：在自动控制系统中，通过控制装置对被控对象施加的控制作用，利用被控量的反馈信息，不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。第一章：自动控制原理简介及应用第一章：自动控制原理简介及应用人工控制的例子

——水池水位控制：

被控对象：水池被控量：水池的水位

通过观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度减少进水量，否则加大阀门开度以增加进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。5.自动控制理论：是研究有关自动控制共同规律的一门技术科学，是自动控制技术的基础理论，根据发展的不同阶段，其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。第一章：自动控制原理简介及应用人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构）。人脑：记住水位的期望值；比较水池的期望值-实际值；（比较机构）、控制。人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构）。整套人工控制是一个反复观察测量、比较、调整执行机构的过程，最终目的是将水池水位的期望值与实际值之间的差值减为0。

但是人工控制精度不高，而且人的反应速度有限，在不少恶劣的环境下人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。第一章：自动控制原理简介及应用自动控制的例子：

当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。第一章：自动控制原理简介及应用浮子—人眼：观察水池的实际水位；电位计+连杆+放大器—人脑：记住水位的期望值，并反映误差（水位的期望值-实际值）；电动机+减速器—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。这是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为0。控制过程：测量（测量反馈机构）—浮子比较（比较机构）—电位计+连杆执行（执行机构）—电动机第一章：自动控制原理简介及应用自动控制和人工控制比较（1）基本原理相同：都是建立在“测量偏差,修正偏差”的基础上,并且为了测量偏差,必须把系统的实际输出连接（反馈）到输入端。因此自动控制的基本原理有时也称为反馈控制原理。（2）两种控制的区别：自动控制利用检测元件、控制器、执行机构代替人完成整个控制过程。第一章：自动控制原理简介及应用二、自动控制系统的基本组成信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通路，系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。第一章：自动控制原理简介及应用被控对象（被控过程）——又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记作输出信号或输出量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。给定值——其作用是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。测量反馈元件——如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。第一章：自动控制原理简介及应用比较元件——比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。放大元件——将微弱的信号作线性放大。执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。

只包含一个主反馈通路的系统称单回路系统；有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。第一章：自动控制原理简介及应用

要自动控制系统是否能很好地工作,是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被控对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计得当。在理想情况下,控制系统的输出量和输入量,在任何时候均相等,系统完全无误差,且不受干扰的影响。实际系统中,由于各种各样原因,系统在受到输入信号(也包括扰动信号)的激励时,被控量将偏离输入信号作用前的初始值,经历一段动态过程(过渡过程）。对于线性定常系统，性能指标主要包括三个方面内容：稳定性、快速性、准确性。即：☆稳（基本要求）☆准（稳态要求）☆快（动态要求）三、

自动控制系统性能的基本要求第一章：自动控制原理简介及应用控制系统的过渡过程曲线

如果系统的过渡过程随时间的推移而发散，如图中的曲线②或曲线④，此时系统便不可能达到平衡状态，我们把这类系统称为不稳定系统。显然不稳定的系统在实际中是不能应用的，因为它不满足对控制系统提出的最基本的要求。第二章：PID简介，应用及常用调节方法一、引言基本模拟反馈控制回路第二章：PID简介，应用及常用调节方法模拟PID控制：控制规律的修改需要更换模拟硬件，所以缺乏灵活性.计算机控制系统的优点：(1)一机多用；(2)控制算法灵活；(3)可靠性好；(4)控制品质高；二、

比较模拟控制过程与数字控制过程的不同：第二章：PID简介，应用及常用调节方法三、几个概念：程序控制：使被控量按照预先规定的时间函数变化所作的控制，被控量是时间的函数。顺序控制：是指控制系统根据预先规定的控制要求，按照各个输入信号的条件，使过程的各个执行机构自动地按预先规定的顺序动作。PID控制：调节器的输出是输入的比例、积分、微分的函数。PID控制的含义：在工业生产控制中，对于偏差，用比例，积分和微分的适当组合形式来反映，形成适当的控制算法来实现控制目的的控制方法，称为PID控制.P:proportional比例的I:integral积分的D:differential微分的第二章：PID简介，应用及常用调节方法PID调节器的优点：(1)技术成熟；(2)易被人们熟悉和掌握；(3)不需要建立数学模型；(4)控制效果好；PID调节的实质：根据系统输入的偏差，按照PID的函数关系进行运算，其结果用以控制输出。PID调节的特点：(1)PID的函数中各项的物理意义清晰；(2)调节灵活；(3)便于程序化实现。第二章：PID简介，应用及常用调节方法四、模拟PID调节原理PID调节器是一种线性调节器，他将设定值与实际值的偏差：

按其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将比例，积分，微分基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。常规PID控制系统原理框图如图所示。第二章：PID简介，应用及常用调节方法比例调节器的微分方程为：式中：

——为调节器输出；

——为比例系数；

——为调节器输入偏差。由上式可以看出比例调节的特点：调节器的输出与输入偏差成正比。只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，使被控量朝着减小偏差的方向变化，具有调节及时的特点。但是，过大会导致动态品质变坏，甚至使系统不稳定。比例调节器的特性曲线，如上图所示。阶跃响应特性曲线第二章：PID简介，应用及常用调节方法五、积分调节器积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用，其作用是消除静差。积分方程为：式中：是积分时间常数，它表示积分速度的大小，越大，积分速度越慢，积分作用越弱。积分作用的响应特性曲线，如图所示。

积分作用响应曲线由图中曲线可知积分作用的特点：只要偏差不为零就会产生对应的控制量并一直影响被控量。增大会减小积分作用，即减慢消除静差的过程，减小超调，提高稳定性。第二章：PID简介，应用及常用调节方法六、微分调节器微分调节的作用是对偏差的变化进行控制，并使偏差消失在萌芽状态，其微分方程为：微分作用响应曲线如图所示。微分作用响应曲线第二章：PID简介，应用及常用调节方法可见，微分分量对偏差的任何变化都会产生控制作用，以调整系统输出，阻止偏差变化。偏差变化越快，则产生的阻止作用越大。从分析看出，微分作用的特点是：加入微分调节将有助于减小超调量，克服震荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整的时间，从而改善了系统的动态性能。在模拟系统中，PID算法的表达式：式中：：调节器输出；：调节器的偏差信号；：比例系数；：积分时间；：微分时间；第二章：PID简介，应用及常用调节方法

PID调节器对阶跃响应特性曲线第二章：PID简介，应用及常用调节方法PID参数调节口诀参数整定找最