PID控制经典培训教程
2024版年度PID调节原理精品培训教程
通过学习系统的输入输出数据，自动调整PID 参数，适应性强但需要大量数据训练。
基于优化算法的整定技术
探讨
利用遗传算法、粒子群优化等优化算法搜索 最优PID参数，全局寻优能力强但计算量大。
现代智能整定技术为PID控制器参数整定提供 了新的思路和方法，但实际应用中仍需考虑 其计算复杂度、实时性等问题。
2024/2/2
快速响应误差信号。
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积分环节（I）
积分环节对误差信号进行积分，用于消除静差，提高系统的无差度。
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微分环节（D）
微分环节反映误差信号的变化趋势（即误差的变化率），并能在偏差信
号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系
统的动作速度，减少调节时间。
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CATALOGUE
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CATALOGUE
PID控制器性能评价指标
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稳定性分析方法
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劳斯稳定判据
通过系统特征方程的系数 判断系统稳定性。
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奈奎斯特稳定判据
利用开环频率特性判断闭 环系统的稳定性。
伯德图稳定判据
通过绘制伯德图，根据相 位裕量和增益裕量判断系 统稳定性。
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航空发动机控制 在航空发动机控制系统中，通过PID调节器对燃油流量、 空气流量等参数进行精确控制，实现发动机的稳定运行和 性能优化。
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CATALOGUE
PID调节器设计注意事项
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硬件选型与配置要求
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传感器选择
PID控制经典培训教程
PID控制§ 1 PID控制简介目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口﹑执行机构,加到被控系统上;控制系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统,其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。
开环控制系统开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。
在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。
稳态误差是指系统的响应进入稳态后,系统的期望输出与实际输出之差。
控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的;准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差;快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。
PID控制经典培训教程
PID控制经典培训教程一、引言PID控制是自动控制领域最经典、应用最广泛的一种控制策略。
PID控制器因其结构简单、稳定性好、可靠性高、易于调整等优点，在工业控制、航空航天、技术等领域有着广泛的应用。
本教程旨在帮助读者深入理解PID控制原理，掌握PID控制器的设计、参数调整和应用技巧。
二、PID控制原理PID控制器由比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）三个环节组成，其基本原理是根据控制对象的实际输出与期望输出之间的误差，对控制对象进行相应的调节。
1.比例控制（P）比例控制是根据误差的大小进行调节，其控制作用与误差成正比。
比例控制可以减小误差，提高系统的响应速度。
但比例控制无法消除稳态误差，可能导致系统在期望值附近波动。
2.积分控制（I）积分控制是对误差的累积进行调节，其控制作用与误差的累积成正比。
积分控制可以消除稳态误差，提高系统的稳态性能。
但积分控制可能导致系统的超调量和响应速度降低。
3.微分控制（D）微分控制是对误差的变化率进行调节，其控制作用与误差的变化率成正比。
微分控制可以提高系统的稳定性和响应速度，减小超调量。
但微分控制对噪声敏感，可能导致系统在期望值附近波动。
三、PID控制器的设计与参数调整1.确定控制对象和控制目标在设计PID控制器之前，要明确控制对象和控制目标。
控制对象是指需要进行控制的物理量，如温度、压力、位置等。
控制目标是指期望的控制对象达到的值或状态。
2.选择PID控制器类型根据控制对象的特点和控制目标的要求，选择合适的PID控制器类型。
常见的PID控制器类型有：（1）P控制器：适用于控制对象无稳态误差或稳态误差较小的情况。
（2）PI控制器：适用于控制对象有稳态误差，且对响应速度要求较高的情况。
（3）PD控制器：适用于控制对象有稳态误差，且对超调量要求较低的情况。
（4）PID控制器：适用于控制对象有稳态误差，且对超调量和响应速度都有一定要求的情况。
PID控制经典教程(上)
1.3 系统的稳定性
系统的稳定性一般用超调量 % 来反映，超调量越小，系统的稳定性越 好；超调量越大，系统的稳定性越差。系统的稳定性与系统的响应速度是一 对矛盾体。
2 PID 控制算法式的推导
K P e ( n)
e( n )
T KP TI
n
u ( n)
e(i)
i 0
KP
TD [e(n) e(n 1)] T
|
IS IO 100% | IL
I S ---------使调节阀执行器发生动作的输入电流值 I O ---------调节阀的起始输入电流值
I L ---------调节阀输入电流值得范围，20-4=16mA
2.比例环节产生稳态误差的消除
引入积分环节，可以消除结构性稳态误差和原理性稳态误差。
3.3 微分环节
微分环节根据偏差的变化趋势输出控制量， 并能在偏差值发生较大变化之前 输出超前校正信号。微分环节可以使系统的超调量下降，同时改善系统的动态调 节速度。微分环节输出控制量计算公式为： u D (n) K P
TD [e(n) e(n 1)] ，当微 T
分时间常数 TD 过大时，会使响应过程提前制动（例如下图第 20 秒左右，即出现 系统提前制动的现象） ，从而延长调节时间并出现余差。此外过强的微分作用还 会使系统对高频噪声干扰过于敏感，削弱系统的抗干扰能力。
2、 累加法对积分的近似离散等效
t
n
0
e(t )dt T e(i)
i 0
， t nT
则位置式 PID 控制在当前采样时刻输出至执行器的控制量计算式为：
T u (n) K P e(n) TI
n i 0
PID控制经典培训教程
cddt
tde
TKtp
dt
tdp
K
Td
cd
d
d
d)
(
)(
)(s
dcd
s
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d
dT
nene
TKnP
Kp<1
时：
与Kp>1
时，对系统性能的影响正好相反。TSRCSsU
sU
sGi
o
c1
1
)(
)(
)(?==C
R
ui(
t)
uo(
t)-+-900-1800TSRCS
sU
sU
sGi
o
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==
)(
)(
)(R
+=t
DIPdt
tde
KdtteKteKtu0)
(
)()()(思考题：
完全用硬件能够实现PID控制吗？3PID 3 D/A
A/D
y
A/D
dt
各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控
制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控
制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。1.1
开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影
yryoe
u
PID：Proportional Integral Derivative
PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换
《自控原理PID控制》课件
PID控制器的三个参数分别是比例系数（P）、积分系数（I）和微分系数（D）。
3 什么情况下需要调整PID参数？
当被控对象的动态特性发生变化时，需要调整PID参数以实现更好的控制效果。
PID控制器的设计
1 如何选择控制策略？
2 PID控制器的实现方法
有哪些？
选择合适的控制策略取决于
3 如何设置PID控制器的
参数？
被控对象的特性、系统的要
PID控制器可以通过模拟电
设置PID控制器的参数需要
求以及应用场景。
路、数字控制器或计算机软
根据系统响应和稳定性要求
件等方式进行实现。
进行调D控制在哪些领域应用广泛？
PID控制广泛应用于工业自动化、飞行器、机器 人等领域，实现对物理过程的精确控制。
2 PID控制在具体应用中的设计及实现。
PID控制在具体应用中需要根据被控对象的特性 和应用要求进行设计和实现。
总结
1 PID控制的优缺点及适用范围。
2 如何优化PID控制器的设计？
PID控制具有简单、灵活、精确的特点，适用于 许多系统，但在复杂或非线性系统中可能表现不 佳。
优化PID控制器的设计可以通过调整参数、采用 先进的控制算法或引入自适应控制等方法来实现。
《自控原理PID控制》PPT 课件
自控原理PID控制课件是一份介绍PID控制原理和应用的演示文稿。通过本课件， 您将详细了解PID控制的概念、原理、设计和应用，并掌握优化PID控制器的方 法。
概述
1 什么是PID控制？
PID控制是一种常用的自控原理，通过不断调整控制器的输出来使被控对象的状态达到期 望值。
2 为什么需要PID控制？
由入门到精通吃透PID
由入门到精通吃透PIDPID控制器（Proportional-Integral-Derivative Controller）是一种常见的控制器，广泛应用于工业自动化领域。
它通过对系统的反馈信号进行比例、积分和微分运算，以达到控制系统稳定和响应速度的目的。
本文将从入门到精通分别介绍PID控制器的基本原理、参数调整方法和应用实例。
一、基本原理在控制系统中，PID控制器根据反馈信号与设定值之间的差异来调整输出信号，从而实现对被控对象的控制。
它由三个基本部分组成：比例控制部分、积分控制部分和微分控制部分。
1. 比例控制部分：根据反馈信号与设定值之间的差异，以一定的比例调节输出信号。
比例控制的作用是根据差异的大小来进行精确调节，但它不能解决系统的超调和稳态误差问题。
2. 积分控制部分：通过累积反馈信号与设定值之间的差异，对输出信号进行调节。
积分控制可以消除系统的稳态误差，但会增大系统的超调。
3. 微分控制部分：通过反馈信号的变化率来预测未来的发展趋势，以调节输出信号。
微分控制可以提高系统的响应速度和稳定性，但过大的微分作用会引入噪声和振荡。
PID控制器的输出信号可以表示为：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt其中，u(t)为输出信号，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分增益，e(t)为反馈信号与设定值之间的误差，∫e(t)dt为误差的积分，de(t)/dt为误差的微分。
二、参数调整方法PID控制器的参数选择对控制系统的性能至关重要。
有许多方法可以调整PID控制器的参数，常见的包括经验法、试错法和优化算法。
1. 经验法：根据实际经验，选择适当的参数范围，并逐步调整参数，观察系统的响应变化。
这种方法简单直观，但需要具备一定的经验和调试能力。
2. 试错法：通过不断试验不同的参数组合，观察系统的响应，并根据系统的性能指标进行优化调整。
试错法可以快速找到合适的参数组合，但依赖于多次试验和手动调整。
经典PID与模糊PID控制29695培训资料
经典P I D与模糊P I D 控制29695)4)(3)(1(2)(+++=s s s ss G 经典PID 与模糊PID 控制一、PID 控制规律控制输出由三部分组成：比例环节——根据偏差量成比例的调节系统控制量,以此产生控制作用,减少偏差。
比例系数的作用是加快系统的响应速度,比例系数越大,系统响应速度越快,系统的调节精度越高,但容易产生超调,甚至会导致系统的不稳定;比例系数过小,会降低系统调节精度,系统响应速度变慢,调节时间变长,系统动态、静态特性变坏。
比例控制是最简单的控制结构，然而，它也能使系统满足某一方面的特性要求，如GM 、PM 、稳态误差等。
积分环节——用于消除静差,提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数TI 的大小, TI 越小,积分作用越强。
需要注意的是积分作用过强,可能引起系统的不稳定。
微分环节——根据偏差量的变化趋势调节系统控制量,在偏差信号发生较大的变化以前,提前引入一个早期的校正注意的是微分作用过强,可能引起系统的振荡。
已知被控对象的数学模型：二、经典PID 设计由于在设计PID 控制器中要调整3个参数，根轨迹与波特图设计方法通常不被直接采用。
Ziegler 与Nichols 发展了PID 调节器设计方法。
该方法基于简单的稳定性分析方法。
首先，置0==I D K K ，然后增加比例系数直至系统开始振荡（即闭环系统极点在jw 轴上）。
再将该比例系数乘0.6，其他参数按下式计算：m P K K 6.0= m P D w Pi K K 4= Pi w K K m P I =式中，m K 为系统开始振荡时的K 值；m w 为振荡频率。
然而，该设计方法在设计过程中没有考虑任何特性要求。
但是Ziegler 与Nichols 发现这种设计方法给予过程控制器提供了好的工作性能。
工程师们的多年实践经验证明，这种设计方法的确是一种好的方法。
根据给定传递函数用SIMULINK 搭建结构图如下：起振时m K =391，如图：根据公式计算Kp 、I K 、D K 分别为234.6、276、49.8525 此时对于常数3的响应曲线如图：可见，此时系统振荡，不稳定，继续等比例调节参数得新参数65、77、14，得响应曲线：可见此时系统响应时间过长，而且存在比较大的静态误差，为了减小响应K，同时调节过程中会因参数变动时间应增大Kp，为了减小静态误差应增大I产生超调量，综合以上几点性能决定确定参数为120、300、14。
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积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对 一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系 统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必 须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加， 积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加 大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因 此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。实质 就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向 给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且 还与偏差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起来，一起算总帐。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化 率）成正比关系。 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。其 原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差 的作用，其变化总是落后于误差的变化。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。
PID控制
§ 1 PID控制简介
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。 同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能 控制理论三个阶段。 自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。 一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出 接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构,加到被控系统上;控制 系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。不同的 控制系统,其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。 目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产 品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品， 各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控 制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。 有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控 制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。
1.1 开环控制系统 开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影 响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回 路。 1.2 闭环控制系统 闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影 响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负 反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相 同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控 制系统。 1.3 阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误 差是指系统的响应进入稳态后,系统的期望输出与实际输出之差。控制 系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性， 一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是 收敛的;准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述， 它表示系统输出稳态值与期望值之差;快是指控制系统响应的快速性， 通常用上升时间来定量描述。
思考题： 如图所示，指出系统如 何实现PID控制。
§ 2 PID控制器频率分析
PID控制器是实际工业控制过程中应用最广泛、最 成功的一种控制方法。
§2.1 PID控制器基本结构
PID：Proportional Integral Derivative PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换 后形成的一种控制规律。 “利用偏差、消除偏差” yr e PID u G（S） yo
1.4 PID控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微 分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工 业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或 得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控 制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控 制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通 过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控 制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用 比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信 号成比例关系。偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输 出，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，但是很容易引起振荡，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。但单纯的比例控制存在稳态误差不能消除的缺点。这里就需 要积分控制。
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。 它能敏感出误差的变化趋势,可在误差信号出现之前就起到修正误差的作 用,有利于提高输出响应的快速性,减小被控量的超调和增加系统的稳定 性。但微分作用很容易放大高频噪声,降低系统的信噪比,从而使系统抑 制干扰的能力下降。
PID控制器的输入输出关系为：
de(t ) u (t ) = K P e(t ) + K I ∫ e(t )dt + K D 0 dt
t
相应的传递函数为：
U (s) KI G (s) = பைடு நூலகம் KP + + KDs E (s) s
在很多情形下，PID 控制并不一定需要全部的三项控制 作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。