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内蒙古科技大学 智能仪表综合训练设计说明书 题 目：数字PID控制器设计（LCD显示） 学生姓名： 学 号： 专 业：测控技术与仪器 班 级： 指导教师： 摘 要 在过程控制中按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID调节器（亦称PID控制器）是应用颇为广泛的一种调节器。它具有原理简单，易于实现，健壮性强和适用面广等优点。在计算机应用于生产过程以前，过程控制中采用的气动、液动和电动PID调节器几乎一直占垄断地位。计算机的出现和它在过程控制中的应用使这种情况开始有所改变。20多年来相继出现一批复杂的、只有计算机才能实现的控制算法。然而目前在工业过程控制中，由于工业对象的动态特性未被完全掌握，得不到精确的数学模型，难以满足控制理论的分析要求，在决定系统参数时，往往要借助现场调试及经验，在这种场合，PID调节器就更能显示出它的威力，应用范围越来越广。即使在过程计算机控制中，PID控制仍然是应用最广泛的控制算法。不过，用计算机实现PID控制，就不仅仅是简单地把PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断能力结合起来，使PID控制更加灵活多样，更能满足生产过程提出的各种各样的要求。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。这里需要说明的是数字式PID应用是有条件的。在系统的时间常数远远大于系统的采样周期的场合，应用数字化PID能取得良好的控制效果。如果系统的时间常数与其采样周期相当，则不宜采用数字PID控制，必须寻找其他方法。 在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。目前，过程控制 (1-1) 式中:y为调节器的输出，e(t)为调节器的输入，一般为偏差值，即e(t)＝U(R)-Ui(k)，kp为比列系数。 由上式可以看出，调节器的输出y与输入偏差e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，它是最基本的一种调节规律。 比例调节的特性曲线，如图1.1所示。 比例调节作用的大小，除了与偏差e(t)有关外，主要取决于比例系数Kp，比例系数愈大，调节作用愈强，动态特性也愈好。反之，比例系统愈小，调节作用愈弱。但对于大多数惯性环节Kp太大时会引起白激振荡。 [1] 图1.1阶跃响应特性曲线 1.2.2 比例-积分调节器（PI） 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，其积分方程为： (1-2) Ti为积分时间常数，它表示积分速度的大小，Ti越大，积分速度越慢，积分作用越弱。反之Ti越小，积分速度越快，积分作用越强，积分作用的响应特性曲线，如图1.2所示。积分作用的特点是调节器的输出与偏差存在时间有关，只要有偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除，调节器的输出才不再变化。因此，积分作用能消除静差，这是它的主要优点。但从图1.2中可以看出，积分作用的动作缓慢，而且在偏差刚一出现时，调节器作用很弱，不能及时克服扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增大，调节过程增长，因此，它很少被单独使用。 图1.2 积分作用相应曲线图 PI调节器综合了P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除静差。 1.2.3 比例-微分调节器（PD） 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 微分方程为： （1-3） 式中，TD为微分时间常数。 微分作用响应曲线，如图1.3所示。 图1.3微分作用相应特性曲线 图1.4 PD调节器的阶跃响应特性曲线 从图1.3中可以看出，在t＝to时加入阶跃信号，此时输出值y变化的速度很大(理论上为无穷大)，当t＞to时，