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2.2 最基本的控制方法 ——PID控制 控制器 受控对象 检测装置 给定 输入 － 反馈信号 控制量 误差 输出 反馈控制系统的常见结构 与人作对比： 检测装置?人的感觉器官；控制器?人的大脑；执行机构?人的四肢。 决定系统性能的最关键部分：控制器 最简单的控制方式：开关控制 最常用控制方式：PID控制 执行机构 什么是PID控制? PID: Proportional-Integral-Derivative （比例-积分-微分） PID控制的原理及结构简单，使用方便； PID控制的历史悠久，产生于20世纪初，先后有机械式、液动式、气动式、电子式等； PID控制的适应面广，生命力强，至今仍为工程应用的主流（＞80％）。 PID控制的结构 比例作用 误差e 积分作用 微分作用 控制量u 比例、积分、微分作用可根据需要进行不同组合，如 P控制、PI控制、PD控制、PID控制。 例：水温调节系统 控制输入：进水口的热水流量与冷水流量之比 受控变量：出水口的水温 控制目标：保持出水温度基本恒定 各种扰动：进水口水温和水压的波动、环境温度变化、用户的用水量变化等 热水 冷水 温热水 调节阀 水温反馈控制系统 总的控制思路：若水温偏低，则增大控制输入，即增大热/冷水流量的比值；反之，若水温偏高，则减小控制输入。 热水 冷水 温热水 调 节 阀 水温检测 控制装置 期望 水温 水温调节的比例控制作用 若水温偏低，则水温低得越多，就使控制输入增大得越多；反之，若水温偏高，则水温高得越多，就使控制输入减小得越多。 即控制量的大小大致与偏差成比例。 热水 冷水 温热水 调 节 阀 水温检测 比例控制 期望 水温 比例控制的特点 比例控制的结构最简单，只有一个比例系数，可以使输出在有扰动的情况下基本恒定。 比例系数的设置应适当，过小会调节作用太弱，系统变化过于缓慢，并产生较大误差；过大就会调节过头，偏差的一点点变化会对应产生很大的控制作用，容易引起系统输出上下波动，即发生振荡。 比例系数的确定是在响应的快速性与平稳性之间进行折衷。 比例调节基于偏差，不可能完全消除偏差。 水温调节的积分控制作用 若水温低于期望值，则将输入增大一些，如果还没有达到，就再增大一些，这样一点一点地调节，直到水温合适为止；控制输入包含对偏差的积分，即偏差在时间上的累积，可以最终消除偏差。 热水 冷水 温热水 调 节 阀 水温检测 控制装置 期望 水温 积分控制的特点 只要偏差不为零，偏差就不断累积，从而使控制量不断增大或减小，直到偏差为零为止。 积分作用一般和比例作用配合组成PI调节器，并不单独使用，原因是积分控制作用比较缓慢。 例如，水温很低，也就是偏差很大，本应该大幅度增大输入量，使水温尽快上升，但若只有积分控制，则输入量只能逐渐增大，水温上升缓慢；而比例作用则是误差越大，控制作用越强。 比例控制是最基本的、不可缺少的控制作用，积分控制只是配合比例控制起作用。 水温调节的微分控制作用 若扰动使水温开始升高，则应降低热/冷水比值，且升温速度越快，降低越多；反之若水温要降低，则应增大热/冷水比值，且降低速度越快，增大越多。即控制作用与水温的变化率成正比。 热水 冷水 温热水 调 节 阀 水温检测 控制装置 期望 水温 微分控制的特点 微分控制是基于偏差的变化率，水温还没有变，刚有变化的趋势，调节作用就开始了，所以微分控制具有“超前”或“预测”的性质，可以及时地抑制水温的变化。 微分控制只在系统的动态过程中起作用，系统达到稳态后微分作用对控制量没有影响，所以不能单独使用，一般是和比例、积分作用一起构成PD 或PID调节器。 微分会放大高频噪声信号，且频率越高，放大得越厉害，因此通常要配置一个能够过滤掉高频信号的低通滤波器。 PID控制的优、缺点 PID控制简单实用，工作原理简单，物理意义清楚，一线的工程师很容易理解和接受。 PID控制的设计和调节参数少，且调整方针明确。 PID控制是一种通用控制方式，广泛应用于各种场合，且不断改进和完善，如偏差小到一定程度才投入积分作用的“积分分离” 控制、能自动计算控制参数的参数自整定PID控制、能随时根据系统状态调整控制参数的自适应或智能型PID控制等。 PID控制是以简单的控制结构来获得相对满意的控制性能，控制效果有限，且对时变、大时滞、多变量系统等常常无能为力。 比例控制 随着Kp值的增大，系统响应速度加快，系统的超调随着增加，调节时间也随着增长。当Kp增大到一定值后，闭环系统将不稳定。 比例控制 比例积分控制 比例积分控制