第1.5章 PID控制.ppt

比例（P）控制 (现在） 偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出（在时间上没有延迟），使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快。 Kp是衡量比例作用强弱的参数。 2.5 应用实例 比例控制的作用: 1、对当前时刻的偏差信号e（t）进行放大或衰减后作为控制信号输出。 2、比例系数Kp越大，控制作用越强，系统的动态特性也越好，动态性主要表现为起动快，对阶跃设定跟随的快。 2.5 应用实例 比例控制的作用: 对于有惯性的系统， Kp过大时会出现较大的超调，甚至引起系统振荡，影响系统的稳定性。 比例控制控制虽能减少偏差，却不能消除静态偏差。 2.5 应用实例 缺点：很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下。 Kp减小，发生振荡的可能性减小，但是调节速度变慢。 单纯的比例控制存在: 稳态误差不能消除的缺点。 这里就需要积分（I）控制。 2.5 应用实例 设流入的流量为x，活塞的移动距离为y，S为活塞的截面积，t为时间。 当流入的流量为一定值x0时，可以得出： y=x0t/S 如果x是变化的，即为t的函数，则 也就是说，若以流入的流量x作为输入，以移动距离y作为输出，则油缸是个积分环节。 2.5 应用实例 积分（I）控制规律（过去）： 具有积分控制规律的控制器称为积分(I)控制器, 其传递函数为: 输出信号和输入信号的关系： 2.5 应用实例 带Ｉ控制器的系统输入输出示意图 控制器输出信号的大小，不仅与偏差大小有关，还取决于偏差存在的时间长短。 只要有偏差存在，控制器的输出就不断变化。偏差存在时间越长，输出信号的变化量越大，直到达到输出极限。 只有余差为0，控制器的输出才稳定。 2.5 应用实例 积分控制作用： 1、积分控制作用是累积系统从零时刻（系统启动时刻起到当前的偏差信号e(t)的历史过程。 2、积分控制的输出与偏差e(t)存在全部时段有关，只要有足够的时间，积分将能消除静态偏差。 3、积分控制不能及时克服扰动的影响。 2.5 应用实例 积分控制作用总是滞后于偏差的存在，因此它不能有效地克服扰动的影响，难以使得控制系统稳定下来，因此积分控制作用很少单独使用。 比例作用的输出与偏差同步，偏差大，输出大，偏差小，输出小，因此控制及时。而积分作用则不是。 2.5 应用实例 积分作用的落后性 在第一个前半周期内，测量值一直低于设定值，出现负偏差，所以按同一方向累积。从t1到t2时间段，偏差还是为负，但数值在减小，因此，积分输出仍然在增加，但增加的量在减小。 2.5 应用实例 显然，在这个时间段，积分输出增加是不合理的。 因为偏差已经在减小。 这就暴露了积分控制的弱点：控制作用的落后性。这往往会导致超调，并引起被控变量波动厉害。 2.5 应用实例 微分（D）控制规律 （将来） 求得活塞的移动距离y与作用于活塞的力f之间的关系： 也就是说，若以距离y作为输入，以力f作为输出，则缓冲器可以称为微分环节。 2.5 应用实例 微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差存在与否无关。 因此，纯粹的微分控制作用是无意义的，一般都将微分控制作用与比例控制结合起来使用。 2.5 应用实例 微分控制的作用： 1、微分控制的作用是有偏差信号e（t）的当前变化率de/dt预见随后的偏差将是增大还是减少，增减的幅度如何。 2、微分控制的作用正比于偏差信号e（t）的当前变化率，只能对偏差信号e（t）变化的速度其反应，对于一个固定不变的偏差e（t）无论其数值多大，根本不会有微分作用输出。 2.5 应用实例 微分控制的作用： 3、由于只能在偏差刚刚出现时产生很大的控制作用，微分控制可以加快系统响应速度，减少调整时间，从而改善系统的快速性，并且有助于减小超调量，克服振荡，从而提高系统的稳定性，但不能消除系统的静态偏差。 2.5 应用实例 PID控制器的三个参数有不同的控制作用。 （1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡； （2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性； 2.5 应用实例 （3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输入信号的噪声很敏感。 2.5 应用实例 图中为同一对象在各种不同的控制规律的作用下的过渡过程曲线。 可以看出，在比例作用的基础上，加入微分作用可以减少过渡过程的最大偏差及控制时间；加入积分作用虽然能消除余差，但使过渡