PID控制经典PPT课件.ppt

第第4 4章章 PIDPID控制原理控制原理 目目 录4.l PID4.l PID控制的特点控制的特点4.2 4.2 比例控制比例控制(P(P控制控制)4.3 4.3 比例比例积分控制分控制(PI(PI控制控制)4.4 4.4 比例比例积分微分控制分微分控制(PID(PID控制控制)4.5 4.5 数字数字PIDPID控制控制4.6 4.6 利用利用MATLABMATLAB实现PIDPID控制控制规律律本章小本章小结1.4.l 4.l PIDPID控制的特点控制的特点PID PID 控制是比例控制是比例积分微分控制分微分控制（Proportional-Integral-DifferentialProportional-Integral-Differential）历史史最最久久、应用用最最广广，适适应性性最最强的的控控制制方方式式在工在工业生生产过程中，程中，PIDPID控制算法占控制算法占85%85%90%90%2.反反馈控制控制 根据根据误差差进行的控制行的控制给定（目定（目标）输出（控制出（控制结果）果）4.l PID4.l PID控制的特点控制的特点3.反反馈控制控制控制器控制器执行器行器被控被控对象象测量量/变送器送器-+目目标误差差输出出广广义对象象PID4.l PID4.l PID控制的特点控制的特点4.常常规PIDPID控制系控制系统的原理的原理输入：控制偏差入：控制偏差e e(t t)=)=r r(t t)-)-y y(t t)输出：偏差的比例出：偏差的比例(P)(P)、积分分(I)(I)和微分和微分(D)(D)的的线性性组合合 式中式中 Kc 比例系数比例系数 TI 积分分时间常数常数 TD 微分微分时间常数常数4.l PID4.l PID控制的特点控制的特点5.PIDPID控制具有以下控制具有以下优点点：原理原理简单，使用方便，使用方便。适适应性性强，可以广泛，可以广泛应用于化工、用于化工、热工、工、冶金、冶金、炼油以及造油以及造纸、建材等各种生、建材等各种生产部部门。鲁棒性棒性强，即其控制品，即其控制品质对被控被控对象特象特性的性的变化不大敏感。化不大敏感。对模型依模型依赖少少。按按 PIDPID控制控制进行工作的自行工作的自动调节器早已器早已商品化。商品化。4.l PID4.l PID控制的特点控制的特点6.在在过程控制中，程控制中，绝大部分都采用大部分都采用 PIDPID控制。控制。例外的情况有两种。例外的情况有两种。一种是被控一种是被控对象易于控制而控制要求又不高象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更的，可以采用更简单的开关控制方式。的开关控制方式。另一种是被控另一种是被控对象特象特别难以控制而控制要求以控制而控制要求又特又特别高的情况，高的情况，这时如果如果 PIDPID控制控制难以达以达到生到生产要求就要考要求就要考虑采用更先采用更先进的控制方法。的控制方法。4.l PID4.l PID控制的特点控制的特点7.4.2 4.2 比例比例调节(P(P调节)4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带4.2.2 4.2.2 比例控制的特点比例控制的特点4.2.3 4.2.3 比例比例带对控制控制过程的影响程的影响8.4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带在在 P P调节中中，调节器器的的输出出信信号号u u与与偏偏差差信号信号e e成比例，即成比例，即 u uK Kc ce e 式中，式中，K Kc c称称为比例增益比例增益(视情况可情况可设置置为正正或或负)。9.在在实际应用中，由于用中，由于执行器的运行器的运动（如（如阀门 开度）有限，控制器的开度）有限，控制器的输出出u u(t t)也就被限制在也就被限制在一定的范一定的范围之内，之内，换句句话说，在，在K Kc c较大大时，偏差，偏差e e(t t)仅在一定在一定的范的范围内与控制器的内与控制器的输出保持出保持线性关系。性关系。4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带10.图4-14-1说明了偏差与明了偏差与输出之出之间保持保持线性关系的范性关系的范围图中偏差在中偏差在-50%-50%-50%-50%范范围变化化时，如果如果K Kc=1c=1，则控制器控制器输出出u u(t t)变化在化在0 0100%100%范范围（对应阀门的全关到全开），并与的全关到全开），并与输入入e e(t t)之之间保持保持线性关系。性关系。K Kc1c1时，制器，制器输出出u u(t t)与与输入入e e(t t)之之间的的线性关系只在性关系只在-50%/-50%/K Kc c50%/50%/K Kc c满足足。4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带11.当当|e e(t t)|)|超出超出该范范围时，控制器，控制器输出具有出具有饱和特和特性，保持在最小或最大性，保持在最小或最大值。因此，比例控制有一定的因此，比例控制有一定的应用范用范围，超，超过该范范围时，控制器，控制器输出与出与输入之入之间不成比例关系。不成比例关系。这表明，从局部范表明，从局部范围看，比例控制作用表示控制看，比例控制作用表示控制输出与出与输入之入之间是是线性关系，但从整体范性关系，但从整体范围看，两者看，两者之之间是非是非线性关系。性关系。4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带12.P P调节的的阶跃响响应P P调节对偏差信号能做出及偏差信号能做出及时反反应，没有，没有丝毫的滞后。毫的滞后。输出出u u实际上是上是对其起始其起始值的的增量。因此，当偏差增量。因此，当偏差e e为零，零，因而因而u u0 0时，并不意味着，并不意味着调节器没有器没有输出，它只出，它只说明此明此时有有u=u0。u0的大小是可以通的大小是可以通过调整整调节器的工作点加以改器的工作点加以改变的。的。0u0+Kceu0u=Kc e4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带13.2 2比例比例带及其物理意及其物理意义 比例比例带的定的定义 在在过程控制中，通常用比例度表示控制程控制中，通常用比例度表示控制输出出与偏差成与偏差成线性关系的比例控制器性关系的比例控制器输入（偏差）的范入（偏差）的范围。因此，比例度又称。因此，比例度又称为比例比例带，其定，其定义为式中式中，为偏差信号范偏差信号范围，即，即仪表的量程；表的量程；为控制器控制器输出信号范出信号范围，即控制器，即控制器输出的工作范出的工作范围。4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带14.习题4.2(p98)某某电动比例比例调节器的器的测量范量范围为100-200100-200o oC C，其，其输出出为0-10mA0-10mA。当温度从。当温度从140140o oC C变化到化到160160o oC C时，测得得调节器的器的输出从出从3mA3mA变化到化到7mA7mA。试求出求出该调节器比例器比例带。4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带15.4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带如果采用如果采用单元元组合合仪表，表，调节器的器的输入和入和输出都出都是是统一的一的标准信号，即准信号，即 ，则有有此此时比例比例带（比例度）（比例度）与比例增益成反比，比与比例增益成反比，比例例带小，小，则较小的偏差就能激励小的偏差就能激励调节器器产生生100%100%的开度的开度变化，相化，相应的比例增益就大。的比例增益就大。16.具有重要的物理意具有重要的物理意义u u代代表表调节阀开开度度的的变化化量量，就就代代表表使使调节阀开开度度改改变100%100%即从全关到全开即从全关到全开时所需要的被所需要的被调量的量的变化范化范围。例例如如，若若测量量仪表表的的量量程程为100100，则50%50%就就表表示示被被调量需要改量需要改变5050才能使才能使调节阀从全关到全开。从全关到全开。当被当被调量量处在在“比例比例带”以内以内调节阀的开度的开度(变化化)才与偏差成比例。才与偏差成比例。超出超出这个个“比例比例带”以外以外调节阀已已处于于全全关关或或全全开开的的状状态，调节器器的的输入入与与输出出已已不不再再保保持比例关系。持比例关系。4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带17.4.2 4.2 比例比例调节(P(P调节)4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带4.2.2 4.2.2 比例控制的特点比例控制的特点4.2.3 4.2.3 比例比例带对控制控制过程的影响程的影响18.4.2.2 4.2.2 比例比例调节的特点的特点比例比例调节的的显著特点就是著特点就是有差有差调节。19.4.2.2 4.2.2 比例比例调节的特点的特点 如果采用比例如果采用比例调节，则在在负荷荷扰动下下的的调节过程程结束后，被束后，被调量不可能与量不可能与设定定值准确相等，它准确相等，它们之之间一定有一定有残差残差。因因为根据比例根据比例调节的特点，只有的特点，只有调节器的器的输入有入有变化化,即被即被调量和量和设定定值之之间有偏差有偏差,调节器的器的输出才会出才会发生生变化。化。20.这里的杠杆充当了里的杠杆充当了比比例例调节器器：液位液位变化化e e是其是其输入；入；阀杆位移杆位移u u 是其是其输出；出；调节器的器的比例增益比例增益为：该比例比例调节器是有余差的！器是有余差的！余差的大小与比例增益有关，余差的大小与比例增益有关，Kc大，余差小。大，余差小。液位比例控制系液位比例控制系统示意示意图4.2.2 4.2.2 比例比例调节的特点的特点21.余差（或静差）是指：余差（或静差）是指：被被调参数的新的参数的新的稳定定值与与给定定值不相等而形成不相等而形成的差的差值。余差的大小与余差的大小与调节器的放大系数器的放大系数K K或比例或比例带有关有关放大系数越小，即比例放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；越大，余差就越大；放大系数越大，即比例放大系数越大，即比例带越小，比例越小，比例调节作用作用越越强，余差就越小。，余差就越小。4.2.2 4.2.2 比例比例调节的特点的特点22.比例控制是比例控制是有差控制有差控制可以根据控制理可以根据控制理论加以加以验。因如果广因如果广义被控被控对象的象的传递函数函数 GpGp(s s)具有一具有一阶惯性加性加纯迟延的形式延的形式则当控制器当控制器 GcGc(s s)采用比例控制采用比例控制时系系统的开的开环传递函数可表示函数可表示为4.2.2 4.2.2 比例比例调节的特点的特点23.当系当系统的的输入在幅入在幅值为A A的的阶跃信号激励信号激励时，其响，其响应的的稳态误差差为由上式可知，由上式可知，该系系统的的稳态误差与差与输入的幅入的幅值成成正比，与系正比，与系统的开的开环增益成反比，它增益成反比，它为一有限一有限值。也就是也就是说，只要广只要广义被控被控对象的增益象的增益K K与控制器的与控制器的比例增益比例增益KcKc乘乘积不不为无无穷大，系大，系统的的稳态误差就差就不会不会为零。零。4.2.2 4.2.2 比例比例调节的特点的特点24.4.2 4.2 比例比例调节(P(P调节)4.2.1 4.2.1 比例控制的比例控制的调节规律和比例律和比例带4.2.2 4.2.2 比例控制的特点比例控制的特点4.2.3 4.2.3 比例比例带对控制控制过程的影响程的影响25.4.2.3 4.2.3 比例比例带对于于调节过程的影响程的影响a)大大调节阀的的动作作幅幅度度小小，变化化平平稳，甚甚至至无无超超调，但但余差大，余差大，调节时间也很也很长b)b)减小减小调节阀动作作幅幅度度加加大大，被被调量来回波量来回波动，余差减小，余差减小c)c)进一步减小一步减小被被调量振量振荡加加剧d)d)为临界界值系系统处于于临界界稳定状定状态e)e)小于小于临界界值系系统不不稳定，振定，振荡发散散 图4.4 对比例比例调节过程的影响程的影响26.比例比例调节的特点：的特点：（1 1）比例）比例调节的的输出增量与出增量与输入增量呈一一入增量呈一一对应的比例关系，即：的比例关系，即：u u=K eK e（2 2）比例）比例调节反反应速度快，速度快，输出与出与输入同步，没入同步，没有有时间滞后，其滞后，其动态特性好。特性好。（3 3）比例）比例调节的的结果不能使被果不能使被调参数完全回到参数完全回到给定定值，而，而产生余差。生余差。27.若若对象象较稳定（定（对象的静象的静态放大系数放大系数较小，小，时间常数不太大，滞后常数不太大，滞后较小）小）则比例比例带可可选小些，小些，这样可以提高系可以提高系统的灵敏度，的灵敏度，使反使反应速度加快一些；速度加快一些；相反，若相反，若对象的放大系数象的放大系数较大，大，时间常数常数较小，滞后小，滞后时间较大大则比例比例带可可选大一些，以提高系大一些，以提高系统的的稳定性。定性。比例比例带的一般的一般选择原原则：28.比例比例带的的选取，一般情况下，比例取，一般情况下，比例带的的范范围大致如下：大致如下：压力力调节：3070%3070%流量流量调节：40100%40100%液位液位调节：2080%2080%温度温度调节：2060%2060%29.4.3 4.3 比例比例积分控制分控制(PI(PI控制控制)4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律4.3.2 4.3.2 比例比例积分控制的分控制的调节规律律4.3.3 4.3.3 积分分饱和和现象与抗象与抗积分分饱和的措施和的措施30.1.1.1.1.积积分分分分调节动调节动作作作作规规律律律律 调节器器的的输出出信信号号的的变化化速速度度dudu/dtdt与与偏偏差差信信号号e e成成正正比比，或或者者说调节器器的的输出出与与偏偏差差信号的信号的积分成正比，即：分成正比，即：式中式中S S。称。称为积分速度，可分速度，可视情况取正情况取正值或或负值。4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律31.积分分调节的的阶跃响响应I I调节器器的的输出出不不仅与与偏偏差差信信号号的的大大小小有有关关，还与与偏偏差差存存在在的的时间长短有关。短有关。只只要要偏偏差差存存在在，调节器器的的输出出就就会会不不断断变化化，直直到到偏偏差差为零零调节器器的的输出出才才稳定定下下来来不不再再变化。化。所所以以积分分调节作作用用能能自自动消消除除余差余差。注注意意I I调节的的输出出不不像像P P调节那那样随偏差随偏差为零而零而变到零。到零。4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律32.图示的自力式气示的自力式气压调节阀就是一个就是一个简单的的积分分调节器：器：管道管道压力力P P是被是被调量，它通量，它通过针形形阀R R与与调节阀膜膜头的上部空腔相通，而膜的上部空腔相通，而膜头的下部空腔的下部空腔则与大气与大气相通。相通。改改变针形形阀的开度的开度可改可改变积分速度分速度S S0 0图4-5 4-5 自力式气自力式气压控制控制阀结构原理构原理图4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律33.2 2 积分分调节的特点，无差的特点，无差调节积分分调节的特点是的特点是无差无差调节只只要要偏偏差差不不为零零，控控制制输出出就就不不为零零，它它就就要要动作到把被作到把被调量的静差完全消除量的静差完全消除为止止而而一一旦旦被被调量量偏偏差差e e为零零，积分分调节器器的的输出就会保持不出就会保持不变。调节器的器的输出可以停在任何数出可以停在任何数值上上,即即:被被控控对象象在在负荷荷扰动下下的的调节过程程结束束后后，被被调量量没没有有余余差差，而而调节阀则可可以以停停在在新新的的负荷荷所所要要求的开度上。求的开度上。4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律34.积分分调节的的稳定性定性它它的的稳定定作作用用比比P P调节差差，采采用用积分分调节不不可能得到可能得到稳定的系定的系统。K=2K=0.24.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律35.Z=P-NK=2K=0.24.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律36.Z=P-NK=2K=0.24.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律37.稳定作用比定作用比 P P调节差差。根据奈氏根据奈氏稳定判据可知，定判据可知，对于非自衡的于非自衡的被控被控对象采用象采用 P P调节时，只要加大比例，只要加大比例带总可以使系可以使系统稳定定(除非被控除非被控对象含有象含有一个以上的一个以上的积分分环节)；如果采用；如果采用 I I调节则不可能得到不可能得到稳定的系定的系统。4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律38.积分分调节的滞后性的滞后性对于于同同一一个个被被控控对象象，采采用用I I调节时其其调节过程程的的进行行总比比采采用用P P调节时缓慢慢，除除非非积分分速速度度无无穷大大，否否则I I调节就就不不可可能能像像P P调节那那样及及时对偏偏差差加加以以响响应，而而是是滞滞后后于于偏偏差差的的变化化，它它的的滞滞后后特特性性使使其其难以以对干干扰进行及行及时控制。控制。所所以以一一般般在在工工业中中，很很少少单独独使使用用I I调节，而而基基本本采用采用PIPI调节代替代替纯I I调节。4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律39.采采用用积分分调节时，控控制制系系统的的开开环增增益益与与积分分速速度度S S0 0成正比。成正比。增大增大积分速度降低系分速度降低系统的的稳定程度。定程度。当当系系统的的输入入在在幅幅值为A A的的阶跃信信号号激激励励时，其其响响应的的稳态误差差为该系系统在在阶跃信号作用下的信号作用下的稳态误差始差始终为零。零。3 积分速度分速度对于于调节过程的影响程的影响4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律40.积积分速度（分速度（分速度（分速度（积积分常数）的大小分常数）的大小分常数）的大小分常数）的大小对调节过对调节过程影响程影响程影响程影响：增大增大增大增大积积分速度分速度分速度分速度调节阀的的速速度度加加快快，但但系系统的的稳定定性性降低降低当当积分分速速度度大大到到超超过某某一一临界界值时，整整个个系系统变为不不稳定定，出出现发散散的的振振荡过程。程。S S0 0愈愈大大，则调节阀的的动作作愈愈快快，就就愈愈容容易易引引起起和和加加剧振振荡，而而最最大大动态偏偏差差则愈来愈小。愈来愈小。减小减小减小减小积积分速度分速度分速度分速度调节阀的的速速度度减减慢慢，结果果是是系系统的的稳定性增加了，但定性增加了，但调节速度速度变慢慢当当积分分常常数数小小到到某某一一临界界值时，调节过程程变为非振非振荡过程。程。无无论增增大大还是是减减小小积分分速速度度，被被调量量最后都没有残差最后都没有残差图4.6 积分速度分速度S S0 0 对调节过程的影响程的影响4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律41.比例比例比例比例调节调节和和和和积积分分分分调节调节的比的比的比的比较较：比例比例调节是有差是有差调节，积分分调节是无差是无差调节比例比例调节能立即响能立即响应偏差偏差变化化积分分调节调节过程程缓慢慢当被当被调参数突然出参数突然出现较大的偏差大的偏差时比例比例调节能立即按比例把能立即按比例把调节阀的开度开得很大的开度开得很大但但积分分调节器需要一定的器需要一定的时间才能将才能将调节阀的开度开的开度开大或减小大或减小如果系如果系统干干扰作用作用频繁，繁，积分分调节会会显得十分乏力得十分乏力单独的独的积分分调节系系统较罕罕见，它作，它作为一种一种辅助助调节规律律与比例与比例调节一起一起组成比例成比例积分分调节规律律。4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律42.对于同一被控于同一被控对象若分象若分别采用采用 P P调节和和 I I调节，并，并调整到相同的衰减率整到相同的衰减率0 07575，则它它们在在负荷荷扰动下的下的调节过程如程如图4-74-7中曲中曲线 P P和和 I I所示。它所示。它们清楚地清楚地显示出两种示出两种调节规律律的不同特点。的不同特点。4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律43.图4.7 P4.7 P与与I I 调节过程的比程的比较结论结论：P P P P调节调节有余差有余差有余差有余差 I I I I调节调节没有余差，但超没有余差，但超没有余差，但超没有余差，但超调调大，不如大，不如大，不如大，不如P P P P稳稳定定定定4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律44.4.3 4.3 比例比例积分控制分控制(PI(PI控制控制)4.3.1 4.3.1 积分控制的分控制的调节规律律4.3.2 4.3.2 比例比例积分控制的分控制的调节规律律4.3.3 4.3.3 积分分饱和和现象与抗象与抗积分分饱和的措施和的措施45.1 1 比例比例积分（分（PIPI）调节积分分调节可以消除静差可以消除静差,但有滞后但有滞后现象，象，比例比例调节没有滞后没有滞后现象，但存在静差。象，但存在静差。PIPI调节就是就是综合合P P、I I两种两种调节的的优点，利点，利用用P P调节快速抵消干快速抵消干扰的影响，同的影响，同时利用利用I I调节消除残差。消除残差。4.3.2 4.3.2 比例比例积分的分的调节规律律46.PIPI调节规律律为：式中式中 比例比例带（可（可视情况取正情况取正值或或负值）T TI I 积分分时间和和T TI I 是是PIPI调节器的两个重要参数。器的两个重要参数。PIPI调节器的器的传递函数函数为4.3.2 4.3.2 比例比例积分的分的调节规律律47.图4.8 PI PI调节器的器的阶跃响响应 TI4.3.2 4.3.2 比例比例积分的分的调节规律律48.在在施施加加阶跃输入入的的瞬瞬间，调节器器立立即即输出出一一个个幅幅值为e e的的阶跃，然然后后以以固固定定速速度度eeTTI I变化化。当当t t=T TI I时，调节器器的的总输出出为22e e。输出出的的积分分部部分分正正好等于比例部分。好等于比例部分。T TI I可可以以衡衡量量积分分部部分分在在总输出出中中所所占占的的比比重：重：T TI I愈小，愈小，积分部分所占的比重愈大。分部分所占的比重愈大。4.3.2 4.3.2 比例比例积分的分的调节规律律49.残差的消除是残差的消除是PIPI调节器器积分分动作的作的结果。果。积分分部部分分的的阀位位输出出使使调节阀开开度度最最终得得以以到到达达抵消抵消扰动所需的位置。所需的位置。比比例例部部分分的的阀位位输出出UpUp在在调节过程程的的初初始始阶段段起起较大大作作用用，但但调节过程程结束束后后又又返返回回到到扰动发生生前的数前的数值。2.2.比例比例积分分调节过程程4.3.2 4.3.2 比例比例积分的分的调节规律律50.负荷荷变化前（化前（t 设定限定限值时，u uPIPI=u=umaxmax结果：果：这样有可能在正常操作中不能消除系有可能在正常操作中不能消除系统的余的余差差积分分离法分分离法ee设定限定限值时，改用，改用纯P P调节结果：既不会果：既不会积分分饱和又能在小偏差和又能在小偏差时利用利用积分作分作用消除偏差用消除偏差遇限削弱遇限削弱积分法（抗分法（抗积分分饱和法）和法）u uPIPI 设定限定限值时，只累加，只累加负偏差，反之亦然偏差，反之亦然结果：可避免控制量果：可避免控制量长时间停留在停留在饱和区和区2.2.抗抗积分分饱和的措施和的措施4.3.3 4.3.3 积分分饱和和现象与抗象与抗积分分饱和的措施和的措施67.4.4 4.4 比例比例积分微分控制分微分控制(PID(PID控制控制)4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特点比例微分控制的特点4.4.4 4.4.4 比例比例积分微分控制的分微分控制的调节规律律68.调节器的器的输出出u u与被与被调量或其偏差量或其偏差e e对于于时间的的导数成正比，即数成正比，即式中，式中，S S2 2 微分微分时间。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律69.D D调节的的阶跃响响应微分微分调节的思想：的思想：微分微分调节只与偏差的只与偏差的变化成比化成比例，偏差例，偏差变化越化越剧烈，由微分烈，由微分调节器器给出的控制作用越大，出的控制作用越大，从而及从而及时地抑制偏差的增地抑制偏差的增长，提高系提高系统的的稳定性。定性。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律理想理想D D调节器的器的阶跃响响应曲曲线70.调节器在器在t=tt=t0 0时刻，刻，输入入阶跃偏差偏差e e，偏差的，偏差的变化速度化速度为：之后，之后，调节器的器的输出立即又出立即又回到零，理想的微分回到零，理想的微分调节特特性曲性曲线为一垂直直一垂直直线。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律理想理想D D调节器的器的阶跃响响应曲曲线71.如加如加热炉温度自炉温度自动调节,当温度低于当温度低于给定定值时,则煤气煤气阀门应开大开大,这是比例是比例调节作用作用,但同但同时发现,温度降低的速度很快温度降低的速度很快,说明出明出现了了较大的大的扰动,则下一下一时刻的偏差将会更大刻的偏差将会更大,因此因此应预先采取措施先采取措施,即即提前提前动作作,把煤气把煤气阀门的开度开得更大一些的开度开得更大一些,这叫叫超前作用。超前作用。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律72.微分微分调节的特点的特点P P和和I I是根据已是根据已经形成的被形成的被调参数与参数与给定定值之偏差之偏差而而动作作(即即偏差的方向和大小偏差的方向和大小进行行调节)。微分微分调节是根据偏差信号的微分是根据偏差信号的微分,即即偏差偏差变化的化的速度速度而而动作的。作的。只要偏差一露只要偏差一露头,调节器就立即器就立即动作，以求更好的作，以求更好的调节效果效果偏差没有偏差没有变化化,微分微分调节不起作用。不起作用。微分微分调节主要用于克服主要用于克服调节对象有象有较大的大的传递滞滞后和容量滞后后和容量滞后。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律73.注意：注意：1.1.微分微分调节不能消除余差。不能消除余差。微分微分调节只只对偏差的偏差的变化做出反化做出反应，而，而与偏差的大小无关。与偏差的大小无关。2.2.单纯的微分的微分调节器也是不能工作的。器也是不能工作的。实际的的调节器都有一定的失灵区，若器都有一定的失灵区，若调节误差的差的变化速度化速度缓慢，以至于慢，以至于调节器不能察器不能察觉，纯微分微分调节器将不会器将不会动作，作，此此时调节误差会不断累差会不断累积却得不到校正。却得不到校正。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律74.PIDPID是比例、是比例、积分、微分的分、微分的缩写写 Proportional-Integral-DifferentialProportional-Integral-Differential比例作用的比例作用的输出与偏差大小成正比；出与偏差大小成正比；积分作用的分作用的输出出变化速度与偏差成正比；化速度与偏差成正比；微分作用的微分作用的输出与偏差出与偏差变化速度成正比。化速度成正比。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律75.比比例例调节作作用用：是是按按比比例例反反应系系统的的偏偏差差，系系统一一旦旦出出现了了偏偏差差，比比例例调节立立即即产生生调节作用用以减少偏差。作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快比例作用大，可以加快调节，减少，减少误差差但但是是过大大的的比比例例，使使系系统的的稳定定性性下下降降，甚甚至造成系至造成系统的不的不稳定。定。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律76.比例比例调节KpKp的的变化化对控制效果的影响控制效果的影响 4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律Kp=0.2Kp=1Kp=10Kp=10077.积分分调节作作用用：是是使使系系统消消除除稳态误差差，提提高高无无差差度度。因因为有有误差差，积分分调节就就进行行，直直至至无差，无差，积分分调节停止，停止，积分分调节输出一常出一常值。积分分作作用用的的强弱弱取取决决于于积分分时间常常数数TiTi，TiTi越越小，小，积分作用就越分作用就越强。反之。反之TiTi大大则积分作用弱。分作用弱。加加入入积分分调节可可使使系系统稳定定性性下下降降，动态响响应变慢。慢。积分分作作用用常常与与另另两两种种调节规律律结合合，组成成PIPI调节器或器或PIDPID调节器。器。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律78.积分分调节，TiTi的的变化化对控制效果的影响控制效果的影响 4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律79.微分微分调节作用作用：微分作用反映系微分作用反映系统偏差信号的偏差信号的变化率，具有化率，具有预见性，能性，能预见偏差偏差变化的化的趋势，因此能因此能产生生超前超前的控制作用，在偏差的控制作用，在偏差还没有形没有形成之前，已被微分成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以作用消除。因此，可以改善系改善系统的的动态性能性能。在微分在微分时间选择合适情况下，可以合适情况下，可以减少超减少超调，减少减少调节时间。微分作用微分作用对噪声干噪声干扰有放大作用，因此有放大作用，因此过强的的微分微分调节，对系系统抗干抗干扰不利不利。此外，微分反此外，微分反应的是的是变化率，而当化率，而当输入没有入没有变化化时，微分作用，微分作用输出出为零。零。微分作用不能微分作用不能单独使用，需要与另外两种独使用，需要与另外两种调节规律相律相结合，合，组成成PDPD或或PIDPID控制器。控制器。4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律80.微分微分调节，TdTd的的变化化对控制效果的影响控制效果的影响 4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律81.4.4 4.4 比例比例积分微分控制分微分控制(PID(PID控制控制)4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特点比例微分控制的特点4.4.4 4.4.4 比例比例积分微分控制的分微分控制的调节规律律82.4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律 PDPD调节器的器的动作作规律是律是 （4-124-12）或或式中，式中，为比例比例带，可，可视情况取正情况取正值或或负值；T TD D为微分微分时间。83.PDPD调节器的器的传递函数函数应为但但严格按格按(4-13)(4-13)式式动作的作的调节器在物理上是不能器在物理上是不能实现的。工的。工业上上实际采用的采用的 PDPD调节器的器的传递函数是函数是式中式中 K KD D称称为微分增益。工微分增益。工业调节器的微分增益一般器的微分增益一般在在5-105-10范范围内内。(4-14)(4-13)4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律84.工工业上上实际采用的采用的PDPD调节器的器的传递函数是：函数是：式中式中 KD 微分增益微分增益相相应的的单位位阶跃响响应为：4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律85.微分作用微分作用纯比例作用比例作用TD大，微分作用大，微分作用强相相应的的单位位阶跃响响应为：4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律86.说明：明：微分作用的微分作用的强弱用微分弱用微分时间T TD D来衡量来衡量微分微分时间T TD D越大，微分作用越越大，微分作用越强，超前，超前时间越大。越大。理想的微分理想的微分调节是不能是不能单独使用的，它独使用的，它总是是依附于比例依附于比例调节或比例或比例积分分调节的。的。4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律87.根据根据PDPD调节器的斜坡响器的斜坡响应也可以也可以单独独测定它定它的微分的微分时间T TD D如果如果T TD D=0=0即没有微分即没有微分动作，那么作，那么输出出u将按虚将按虚线变化。微分化。微分动作的引作的引入使入使输出的出的变化提前一化提前一段段时间发生，而生，而这段段时间就等于就等于T TD D。PDPD调节器有器有导前作用，前作用，其其导前前时间即是微分即是微分时间T TD D。4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律88.4.4 4.4 比例比例积分微分控制分微分控制(PID(PID控制控制)4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特点比例微分控制的特点4.4.4 4.4.4 比例比例积分微分控制的分微分控制的调节规律律89.PDPD调节也是有差也是有差调节在在稳态下下，dededtdt0 0，PDPD调节器器的的微微分分部部分分输出出为零，因此，此零，因此，此时PDPD调节与与P P调节相同。相同。微分微分调节有提高控制系有提高控制系统稳定性的作用定性的作用 微分微分调节动作作总是力是力图抑制被抑制被调量的振量的振荡引引入入微微分分动作作要要适适度度，当当T TD D超超出出某某一一上上限限值后后，系系统反而反而变得不得不稳定定适度引入微分适度引入微分动作可以允作可以允许稍稍许减小比例减小比例带这样可以减小残差、减小短期最大偏差、提高振可以减小残差、减小短期最大偏差、提高振荡频率同率同时保持衰减率不保持衰减率不变。4.4.3 4.4.3 比例微分比例微分调节的特点的特点90.微分微分调节也有不利之也有不利之处：微分微分动作太作太强容易容易导致致调节阀开度向两端开度向两端饱和和在在PDPD调节中中总是是以以比比例例动作作为主主，微微分分动作作只能起只能起辅助助调节作用。作用。PDPD调节器的抗干器的抗干扰能力很差能力很差只只能能应用用于于被被调量量的的变化化非非常常平平稳的的过程程，一一般般不用于流量和液位控制系不用于流量和液位控制系统。微分微分调节动作作对于于纯迟延延过程是无效的。程是无效的。比例微分比例微分调节的特点（的特点（续）4.4.3 4.4.3 比例微分比例微分调节的特点的特点91.图4.15 P4.15 P调节系系统和和PDPD调节系系统过程的比程的比较4.4.3 4.4.3 比例微分比例微分调节的特点的特点92.图4.16 PD4.16 PD控制系控制系统不同微分不同微分时间的响的响应过程程4.4.3 4.4.3 比例微分比例微分调节的特点的特点93.4.4 4.4 比例比例积分微分控制分微分控制(PID(PID控制控制)4.4.1 4.4.1 微分控制的微分控制的调节规律律4.4.2 4.4.2 比例微分控制的比例微分控制的调节规律律4.4.3 4.4.3 比例微分控制的特点比例微分控制的特点4.4.4 4.4.4 比例比例积分微分控制的分微分控制的调节规律律94.v PID PID调节：将比例、将比例、积分、微分三种分、微分三种调节作用作用结合起来的合起来的调节。v PIDPID调节器的器的动作作规律是：律是：4.4.4 4.4.4 比例比例积分微分分微分(PID)(PID)调节规律律 v PID PID调节的三个特征参数的三个特征参数比例比例带、积分分时间T TI I、微分、微分时间T TD D95.PIDPID调节器的器的传递函数函数物理上不能物理上不能实现 工工业上上实际采用的采用的PIDPID调节器，如器，如DDZDDZ型型调节器，其器，其调节律律为 4.4.4 4.4.4 比例比例积分微分分微分(PID)(PID)调节规