自动化概论教学课件ppt作者赵耀第2章-2PID控制课件.pptVIP

2.2 最基本和最常用的控制方法 ——PID控制 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 最常用和最基本的控制方式：PID控制 什么是PID控制? PID: Proportional-Integrel-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 例：全自动燃气热水器 水温调节系统 控制输入：气阀开度 受控变量：出水口水温 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、气压波动、环境温度变化等 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，即增大气阀开度； 反之，若水温偏高，则减小控制输入。 水温调节的比例控制作用 若水温偏低，则水温低得越多，就使气阀开得越大； 反之，若水温偏高，则水温高得越多，就会使气阀关得越小。 即控制量的大小大致与偏差成比例。 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，则将控制输入增大一些，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；反之则将控制量一点一点地调小 。 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，则应减小控制输入，且升温速度越快，减小应越多； 反之若水温要降低，则应增大控制输入，且降低速度越快，增大应越多。 即控制作用与水温的变化率成正比。 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。 微分控制一般只在系统的动态过程中起作用，系统达到稳态后（误差不再变化）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。 * * 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 执行机构 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。 燃气 热水 冷水 控制量 水温检测值 误差 水温设定值 气阀 PID控制器 燃气 热水 冷水 控制量 水温检测值 误差 水温设定值 气阀 PID控制器 燃气 热水 冷水 控制量 水温检测值 误差 水温设定值 气阀 PID控制器 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。 燃气 热水 冷水 控制量 水温检测值 误差 水温设定值 气阀 PID控制器 燃气 热水 冷水 控制量 水温检测值 误差 水温设定值 气阀 PID控制器 *