PID讲解理论.pptx

PID控制器由比例单元（控制器由比例单元（P）、积分单元（、积分单元（I）和微分）和微分单元（单元（D）组成。）组成。比例（比例（P P）调节作用：是按比例反应系统的偏差，系）调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少统一旦出现了偏差，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，但是过大偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。PID控制简介控制简介 积分积分（I）调节作用：是使系统消除稳态误差，提高调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之越小，积分作用就越强。反之Ti大则大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节调节器或器或PID调节器调节器 微分微分（D）调节作用：微分作用反映系统偏差信号的调节作用：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，因此能产变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。此外，间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。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。微分作用不能单独使用。出为零。微分作用不能单独使用。PID实际应用参数调节实际应用参数调节PID参数的整定参数的整定：1、可以在软件中进行自动整定；可以在软件中进行自动整定；2、自动整定的自动整定的PID参数可能对于系统来说不是最好的，就需要手动参数可能对于系统来说不是最好的，就需要手动凭经验来进行整定。凭经验来进行整定。PID参数设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定；参数设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定；另一方面是经验。另一方面是经验。P在实际应用中在实际应用中是解决幅值震荡，是解决幅值震荡，P放放大时，系统动作灵敏，速度大时，系统动作灵敏，速度快，稳态误差小，但快，稳态误差小，但P太大时，幅值震荡的幅度大，震荡频率小，震太大时，幅值震荡的幅度大，震荡频率小，震荡次数增加，系统达到稳定时间变长。如果荡次数增加，系统达到稳定时间变长。如果P太小，会反复震荡，永太小，会反复震荡，永远也达不到设定要求远也达不到设定要求。I是解决动作响应的速度快慢的，可消除系统稳态误差，是解决动作响应的速度快慢的，可消除系统稳态误差，I变变大时大时响应速度变慢，反之则快；响应速度变慢，反之则快；D是消除静态误差的，提高系统动态特性，（减少超调量和反应是消除静态误差的，提高系统动态特性，（减少超调量和反应时间），一般时间），一般D设置都比较小，而且对系统影响比较小。设置都比较小，而且对系统影响比较小。PID控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定,各种调节系统中各种调节系统中P.I.D参数经参数经验数据以下可参照：验数据以下可参照：温度温度TIC：P=2060%，I=180600s，D=3-180s；压力压力PIC：P=3070%，I=24180s；液位液位LIC：P=2080%，I=60300s；流量流量FIC：P=40100%，I=660s。这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法，这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。中得到了广泛的应用。这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，直到满意为止。直到满意为止。经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，有多个整调节器时，有多个整定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。下面以下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：A.让调节器参数积分系数让调节器参数积分系数I=0，实际微分系数，实际微分系数D=0，控制系统投入，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数闭环运行，由小到大改变比例系数P，让扰动信号作阶跃变化，观，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。B.取比例系数取比例系数P为当前的值乘以为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数，由小到大增加积分系数I，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。C.积分系数积分系数I保持不变，改变比例系数保持不变，改变比例系数P，观察控制过程有无改善，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数P增大增大一些，再调整积分系数一些，再调整积分系数I，力求改善控制过程。如此反复试凑，直，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数到找到满意的比例系数P和积分系数和积分系数I为止。为止。D.引入适当的实际微分系数引入适当的实际微分系数D，此时可适当增大比例系数，此时可适当增大比例系数P和积分和积分系数系数I。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。制过程满意为止。PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般的温度控制，一般P可在可在10以上，以上，I=3-10，D=1左右。小惯量如：一左右。小惯量如：一个小电机带一台水泵进行压力闭环控制，一般只用个小电机带一台水泵进行压力闭环控制，一般只用PI控制。控制。P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些要在现场调试时进行修正的。，这些要在现场调试时进行修正的。上图是过程过渡质量指示图，也是干扰作用影响下的过渡过程，上图是过程过渡质量指示图，也是干扰作用影响下的过渡过程，用过渡过程衡量系统质量时，常用的指标有：用过渡过程衡量系统质量时，常用的指标有：衰减比：前后两个峰值的比，如图衰减比：前后两个峰值的比，如图1中的中的B：B余差：余差：就是过渡过程终了时的残余偏差，如图就是过渡过程终了时的残余偏差，如图1中的中的C最大偏差：即第一个波的峰值，如图中最大偏差：即第一个波的峰值，如图中A，有时也用超调量表示被，有时也用超调量表示被调参数的偏离程度。调参数的偏离程度。过渡时间：从干扰发生起到被调参数又建立新的平衡状态这段时间过渡时间：从干扰发生起到被调参数又建立新的平衡状态这段时间震荡周期：过渡过程从第一个波峰到第二个波峰的时间震荡周期：过渡过程从第一个波峰到第二个波峰的时间图图1 过程过渡质量指示图过程过渡质量指示图 衡量一个衡量一个PID控制的好坏，主要看在外界干扰产生后，被控量控制的好坏，主要看在外界干扰产生后，被控量偏离给定值的情况，假如偏离之后能很快的平稳的恢复到给定值，偏离给定值的情况，假如偏离之后能很快的平稳的恢复到给定值，就认为是好的。通常图就认为是好的。通常图1中所示的过渡过程是最好的，并以此作为中所示的过渡过程是最好的，并以此作为衡量衡量PID控制系统的质量指标。控制系统的质量指标。选用这个曲线作为指标的理由：是因为它第一次回复到给定值选用这个曲线作为指标的理由：是因为它第一次回复到给定值较快，以后虽然又偏离了，但偏离不大，并经过几次震荡就稳定下较快，以后虽然又偏离了，但偏离不大，并经过几次震荡就稳定下来了。来了。定量的看：第一个波峰定量的看：第一个波峰B的高度是第二个波峰的高度是第二个波峰B的高度的四倍，的高度的四倍，所以这种曲线又叫所以这种曲线又叫4：1衰减曲线，在调节器的工程参数整定中，以衰减曲线，在调节器的工程参数整定中，以能得到能得到4：1的衰减过渡过程为最好，这时的的衰减过渡过程为最好，这时的PID控制参数可叫最佳控制参数可叫最佳参数。参数。PID口诀中口诀中“理想曲线两个波，前高后低理想曲线两个波，前高后低4比比1”，指的就是图，指的就是图1这样的曲线，也就是过渡过程震荡两次就能稳定下来，并且震荡两这样的曲线，也就是过渡过程震荡两次就能稳定下来，并且震荡两次后有约近于次后有约近于4：1的衰减比，它被认为是最好的过渡过程。的衰减比，它被认为是最好的过渡过程。PID正反向作用正反向作用PIDPID反向作用反向作用反向作用反向作用PIDPID正向作用正向作用正向作用正向作用 控制动作的形式为，控制动作的形式为，控制动作的形式为，控制动作的形式为，MVMV随随随随PVPV的增加而减小，或者的增加而减小，或者的增加而减小，或者的增加而减小，或者MVMV随随随随PVPV的减小而增加，这种控制动作称为反向作用。的减小而增加，这种控制动作称为反向作用。的减小而增加，这种控制动作称为反向作用。的减小而增加，这种控制动作称为反向作用。