过程控制的PID调节原理分解
PID控制器的原理与调节方法
PID控制器的原理与调节方法PID控制器是一种常见的控制算法，广泛应用于工业自动化系统中。
它是通过对反馈信号进行比例、积分和微分处理，来实现对被控对象的控制。
本文将介绍PID控制器的原理和调节方法，并探讨其在实际应用中的一些注意事项。
一、PID控制器原理PID控制器的原理基于三个基本元素：比例、积分和微分。
这三个元素分别对应控制误差的当前值、累积值和变化值。
PID控制器根据这三个元素的加权和来生成控制信号，以实现对被控对象的稳定控制。
1. 比例元素（P）比例元素是根据当前的控制误差进行调节的。
它直接乘以一个比例系数，将误差放大或缩小，生成相应的控制信号。
比例元素的作用是快速响应控制误差，但可能引起超调和震荡。
2. 积分元素（I）积分元素是对控制误差的累积值进行调节的。
它将误差进行积分，得到一个累积值，并乘以一个积分系数，生成相应的控制信号。
积分元素的作用是消除稳态误差，但可能导致系统响应过慢或产生超调。
3. 微分元素（D）微分元素是对控制误差的变化率进行调节的。
它将误差进行微分，得到一个变化率，并乘以一个微分系数，生成相应的控制信号。
微分元素的作用是预测误差的变化趋势，以提前调整控制信号，但可能引起过度调节和噪声放大。
通过调节比例、积分和微分元素的系数权重，可以优化PID控制器的响应速度、控制精度和抗干扰能力。
二、PID控制器调节方法PID控制器的调节方法通常包括经验法和自整定法两种。
1. 经验法经验法是基于经验和试错的方法，通过手动调节PID控制器的系数来实现对被控对象的控制。
具体步骤如下：步骤一：将积分和微分元素的系数设为零，只调节比例元素的系数。
步骤二：逐渐增大比例系数，观察系统的响应，并调整至系统稳定且响应时间较短。
步骤三：增加积分系数，减小系统的稳态误差，但要注意避免系统过调和震荡。
步骤四：增加微分系数，提高系统对突变的响应速度，但要避免过度调节和噪声放大。
2. 自整定法自整定法是基于系统辨识和参数整定理论的方法，通过对系统的频域或时域特性进行分析，自动计算得到PID控制器的系数。
PID调节原理
PID控制的优点
①原理简单，使用方便； ②适应性强； ③鲁棒性强；
控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。
④对模型依赖少。
比例调节的特点：
（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一 对应的比例关系，即：u = K e
40
50
0
60
0
20
40
60
80
100
120
Time (sec)
Time (sec)
积分调节， Ti的变化对控制效果的影响
微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率 ，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生 超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分 调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。 在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调 节时间。 微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调 节，对系统抗干扰不利。 此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时， 微分作用输出为零。 微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相 结合，组成PD或PID控制器。
1 G K TIs (s+1) (2s+1)
Amplitude Amplitude
Step Response 12
Step Response 1.8
Ti=0.5
Ti=1
10
1.6
Ti=5
8
1.4
Ti=10
6
Ti=inf
1.2
4 1
2 0.8
0 0.6
-2
0.4 -4
0.2 -6
PID调节方法
PID调节方法PID调节是一种广泛应用于工业过程控制的方法，通过测量控制系统的输出与期望值之间的误差，并根据误差的大小来调整控制系统的输入，以使输出与期望值尽可能一致。
PID调节的主要目标是快速、准确地调整系统的响应速度、稳定性和稳态精度。
下面将详细介绍PID调节的原理、调参方法和一些常见的应用。
1.PID调节的原理\[Output = K_p \cdot Error + K_i \cdot \int{Error}\ dt + K_d \cdot \dfrac{d(Error)}{dt}\]其中，\(K_p\)、\(K_i\)和\(K_d\)分别是比例、积分和微分参数。
比例项（P）通过根据误差的大小来调整输出，具有快速的响应速度和较小的超调。
积分项（I）通过累积误差来减小稳态误差，具有消除静差的作用。
微分项（D）通过对误差变化率的控制，可以避免输出的过度波动。
通过调整三个参数的大小和比例，可以在控制系统中实现适当的响应速度、稳定性和稳态精度。
2.PID调节的调参方法调参是PID调节的关键步骤，合适的参数设置可以使系统达到最佳的控制效果。
常见的PID调参方法有经验法、试验法和优化算法。
（1）经验法：根据经验公式设置PID参数。
这种方法基于经验，适用于一些简单的控制系统。
常见的经验法有经验公式法、手动调参法和Ziegler-Nichols法。
其中，经验公式法是根据控制对象的性质和要求选择合适的参数；手动调参法是通过观察系统响应和对参数的手动调整来获得合适的参数；Ziegler-Nichols法是一种经验调参法，通过对系统进行临界增益试验来确定PID参数。
（2）试验法：基于试验和观察系统响应的方法。
通过改变PID参数的值，观察系统的响应和性能指标，如超调量、调整时间和稳态误差等，来判断参数的合适性。
这种方法需要多次试验调整，比较耗时。
（3）优化算法：使用数学方法和计算机算法来最佳的PID参数。
常见的优化算法有基于遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。
PID控制算法（PID控制原理与程序流程）
PID控制算法（PID控制原理与程序流程）⼀、PID控制原理与程序流程(⼀)过程控制的基本概念过程控制――对⽣产过程的某⼀或某些物理参数进⾏的⾃动控制。
1、模拟控制系统图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进⾏⽐较，得到偏差，模拟调节器依⼀定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执⾏器作⽤于过程。
控制规律⽤对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。
2、微机过程控制系统图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。
控制规律的实现，是通过软件来完成的。
改变控制规律，只要改变相应的程序即可。
3、数字控制系统DDC图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机⽤于过程控制的最典型的⼀种系统。
微型计算机通过过程输⼊通道对⼀个或多个物理量进⾏检测，并根据确定的控制规律(算法)进⾏计算，通过输出通道直接去控制执⾏机构，使各被控量达到预定的要求。
由于计算机的决策直接作⽤于过程，故称为直接数字控制。
DDC系统也是计算机在⼯业应⽤中最普遍的⼀种形式。
(⼆)模拟PID调节器1、模拟PID控制系统组成图5－1－4 模拟PID控制系统原理框图2、模拟PID调节器的微分⽅程和传输函数PID调节器是⼀种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的⽐例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进⾏控制。
a、PID调节器的微分⽅程式中b、PID调节器的传输函数a、⽐例环节：即时成⽐例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差⼀旦产⽣，调节器⽴即产⽣控制作⽤以减⼩偏差。
b、积分环节：主要⽤于消除静差，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，TI越⼤，积分作⽤越弱，反之则越强。
c、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太⼤之前，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，减⼩调节时间。
pid控制原理详解及实例说明
pid控制原理详解及实例说明PID控制是一种常见的控制系统，它通过比例、积分和微分三个控制参数来实现对系统的控制。
在工业自动化等领域，PID控制被广泛应用，本文将详细介绍PID控制的原理，并通过实例说明其应用。
1. PID控制原理。
PID控制器是由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成的控制器。
比例部分的作用是根据偏差的大小来调节控制量，积分部分的作用是根据偏差的累积值来调节控制量，微分部分的作用是根据偏差的变化率来调节控制量。
PID控制器的输出可以表示为：\[ u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt} \]其中，\(u(t)\)为控制量，\(e(t)\)为偏差，\(K_p\)、\(K_i\)、\(K_d\)分别为比例、积分、微分系数。
比例控制项主要用来减小静差，积分控制项主要用来消除稳态误差，微分控制项主要用来改善系统的动态性能。
通过合理地调节这三个参数，可以实现对系统的精确控制。
2. PID控制实例说明。
为了更好地理解PID控制的原理，我们以温度控制系统为例进行说明。
假设有一个加热器和一个温度传感器组成的温度控制系统，我们希望通过PID 控制器来控制加热器的功率，使得系统的温度稳定在设定的目标温度。
首先，我们需要对系统进行建模，得到系统的传递函数。
然后，根据系统的动态特性和稳态特性来确定PID控制器的参数。
接下来，我们可以通过实验来调节PID控制器的参数，使系统的实际响应与期望的响应尽可能接近。
在实际应用中，我们可以通过调节比例、积分、微分参数来实现对系统的精确控制。
比如，增大比例参数可以加快系统的响应速度，增大积分参数可以减小稳态误差，增大微分参数可以改善系统的动态性能。
通过不断地调节PID控制器的参数，我们可以使系统的温度稳定在设定的目标温度，从而实现对温度的精确控制。
总结。
通过本文的介绍，我们可以了解到PID控制的原理及其在实际系统中的应用。
PID控制原理与调整方法
PID控制原理与调整方法PID控制器是一种广泛应用于自动控制领域的控制器，其原理基于对误差信号的比例、积分和微分三个部分进行分析和调节。
PID控制器的主要作用是根据输入信号与期望输出信号之间的误差来调节控制系统的输出，使系统能够实现更加精确的控制。
\[ u(t)=K_pe(t)+K_i\int_0^t{e(\tau)d\tau}+K_d\frac{de(t)}{dt} \]其中，u(t)是控制器的输出，e(t)是输入信号与期望输出信号之间的误差，Kp、Ki、Kd分别是比例、积分和微分系数。
- 比例作用（Proportional）：比例控制是指输出控制量与误差信号之间的线性关系，即比例系数Kp乘以误差信号e(t)。
比例作用可以减小系统的稳定性误差，但容易导致系统的过冲和振荡。
- 积分作用（Integral）：积分作用是指输出控制量与误差信号的积分关系，即积分系数Ki乘以误差信号的积分。
积分作用可以消除系统的稳态误差，但可能会增大系统的超调量。
- 微分作用（Derivative）：微分作用是指输出控制量与误差信号的微分关系，即微分系数Kd乘以误差信号的微分。
微分作用可以改善系统的动态响应速度，减小系统的超调和振荡，但会增大系统的噪声敏感性。
综合比例、积分和微分三种作用，PID控制器可以实现对系统的精确控制，同时保持系统的稳定性和鲁棒性。
1.手动调整：手动调整是一种通过经验和试错的方式来确定PID控制器的参数的方法。
根据控制系统的响应特性，逐步调节比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd的数值，直到系统的性能达到满意的水平。
2.试控调整：试控调整是一种通过对系统的输出信号进行试控实验，从而确定PID控制器的参数的方法。
通过改变比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd的数值，观察系统的响应特性，逐步调整参数，直到找到最佳的参数组合。
3. 自动调整：自动调整是一种通过计算机算法来优化PID控制器的参数的方法。
PID控制原理详解及实例说明
PID控制原理详解及实例说明PID控制器是一种广泛应用于自动控制系统中的一种控制算法。
它可以根据被控对象的反馈信号，调整控制器的输出信号，从而实现对被控对象的控制。
PID控制器适用于各种自动控制系统，包括工业过程控制、机械运动控制和温度控制等。
本文将从PID控制原理和实例两个方面进行详细介绍。
首先，我们来看PID控制的原理。
PID控制器由三个部分组成，分别是比例（P）、积分（I）和微分（D）部分。
这三个部分可以根据具体的控制需求进行组合或选择。
比例部分（P）根据被控对象的反馈信号与期望值之间的偏差，输出与该偏差成正比的控制信号。
积分部分（I）通过积分被控对象的偏差信号，来消除静态误差。
微分部分（D）通过对被控对象的反馈信号进行微分，来预测被控对象未来的变化趋势。
PID控制的原理可以总结为以下几个步骤：首先，获取被控对象的反馈信号和期望值，计算偏差值；然后，根据比例系数和偏差值计算比例部分的输出；接着，将比例部分的输出与被控对象的反馈信号进行积分，并根据积分系数进行调整，计算积分部分的输出；最后，将比例部分和积分部分的输出与被控对象的反馈信号进行微分，并根据微分系数进行调整，计算微分部分的输出。
最终，将比例部分、积分部分和微分部分的输出进行加权求和，得到PID控制器的最终输出信号。
下面，我们以温度控制为例进行说明。
假设我们需要将一个物体加热到指定温度。
我们可以使用PID控制器来控制加热装置的功率，在达到指定温度时自动停止加热。
首先，我们需要将温度传感器的输出与设定温度进行比较，计算出温度的偏差。
然后，根据比例系数和偏差值计算出比例部分的输出。
如果比例部分的输出过大，可能会引发温度的过冲现象。
为了解决这个问题，我们引入积分部分，通过积分被控对象的偏差信号来消除静态误差。
如果积分部分的输出过大，可能会引发温度的振荡现象。
为了解决这个问题，我们引入微分部分，通过对温度的变化趋势进行预测，来控制加热装置的功率的变化速度。
PID调节概念及基本原理
PID调节概念及基本原理PID调节是一种常用的自动控制算法，它可以对系统进行精确的控制，使系统输出能够准确地达到期望值。
PID是Proportional-Integral-Derivative的缩写，分别代表了比例、积分和微分三个部分。
PID调节的基本原理是根据系统的误差信号来调整控制器的输出信号，以达到使系统输出与期望值接近的目的。
具体来说，PID控制器通过比较系统输出与期望值之间的差别，计算出一个调节量，然后将这个调节量与系统输出进行相加，并作为系统的控制信号输出。
其中，比例部分的作用是根据误差信号的大小来调整输出信号的大小。
比例控制器的输出量与误差信号成正比，误差越大，输出量也就越大。
积分部分的作用是根据误差信号的时间积累来调整输出信号的大小。
积分控制器的输出量与误差信号的积分值成正比，即输出量与误差信号的累计值成正比。
积分控制器可以消除系统的静差，即系统输出不再偏离期望值。
微分部分的作用是根据误差信号的变化率来调整输出信号的大小。
微分控制器的输出量与误差信号的导数成正比，即输出量与误差信号的变化率成正比。
微分控制器可以预测系统输出的变化趋势，使得控制器能够更快地对系统进行调节。
PID调节将这三个部分的输出信号相加得到最终的控制信号，从而实现对系统的精确调节。
具体的调节过程如下：首先，根据系统输出与期望值的差别计算出误差信号；然后，分别对误差信号进行比例、积分和微分的调节，得到三个部分的输出量；最后，将三个部分的输出量相加得到最终的控制信号，输出给系统进行控制。
在PID调节中，三个部分的参数是需要根据具体系统的特性和要求进行调整的。
比例参数Kp决定了比例控制的强度，过大或过小都会导致系统的不稳定。
积分参数Ki用于调节系统的静差，过大或过小都会导致系统的振荡。
微分参数Kd用于调节系统的动态性能，过大或过小都会导致系统的超调或响应时间过长。
总结起来，PID调节是一种基于误差信号的自动控制算法，通过比例、积分和微分三个部分的调节，使系统的输出与期望值接近。
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调节器选择
• 选择调节器动作规律时应根据对象特性、 负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具 体情况，同时还应考虑系统的经济性以及 系统投入方便等。
调节器定性选择原则
• 广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大 时，应引入微分动作 • 当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也 不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分动 作 • 广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小， 工艺要求不高时，可选择比例动作 • 当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大， 负荷变化亦很大时，简单控制系统已不能满足要 求，应设计复杂控制系统。
0
t
1 u (e Ti
1
t
0
edt)
图4.17PI调节器的阶跃响应
图4.18加热器水温PI控制系统在热 水流量阶跃扰动下的调节过程
图4.19PI控制系统不同积分时间 的响应过程
图4.20温度 比例积分控 制系统积分 饱和
图4.21积分动作由调节器输出通过
图4.22利用间隙单元抗积分饱和
图4.3工业对象的幅频和相频特性
图4.4纯时间滞后的效应
图4.5单容水槽图
图4.6自平衡过程的阶跃响应
图4.7具有纯时间滞后的自平衡过 程的阶跃响应
4.8单容积分水槽及其阶跃响应
图4.9列管式换热器
图4.10中和反应器及其静特性
4.3比例调节(P调节)
• 4.3.1比例调节的动作规律和比例带 • 4.3.2比例调节的特点——有差调节 • 4.3.3比例带对于调节过程的影响
4.4.1积分调节规律和积分速度
du S0e dt 或u S 0 edt
0 t
图4.14自力式气压调节阀
4.4.2积分调节的特点——无差调节
du S0e dt 或u S 0 edt
0 t
4.4.3积分速度对于调节过程的影响
图4.15积分速度对调节过程的影响
图4.16P与I调节过程的比较
调节器定量选择原则
• τ/T＜0.2，选择比例或比例积分动作； • 0.2＜τ/T＜1.0，选择比例微分或比例积分 微分动作； • τ/T＞1．0，采用简单控制系统往往不能满 足控制要求，应选用如串级、前馈等复杂 控制系统。
4.6PID调节器的参数工程整定
• 4.6.1PID参数整定的基本原则 • 4.6.2PID参数的工程整定方法
4.6.1PID参数整定的基本原则
PID调节原理
控制系统的设计归根到底就是调节器的设计 就是调节规律的确定和调节器参数的整定。
本章内容
4.1PID控制概述 4.2过程控制系统的动态特性 4.3比例调节(P调节) 4.4积分调节(I调节) 4.5比例积分微分调节（PID调节） 4.6PID调节器的参数工程整定
4.1PID控制概述
• • • • P- Proportional，比例 I- Integral，积分 D- Differential，微分 PID控制是比例积分微分控制的简称
4.5比例积分微分(PID)调节
• • • • 4.5.1关于微分调节 4.5.2比例积分（PI）调节 4.5.3比例微分（PD）调节 4.5.4比例积分微分调节规律及其基本特征
4.5.1关于微分调节
de u S2 dt
4.5.2比例积分（PI）调节
u K c e S0 edt
正、反作用方式
• 所谓正作用方式是指调节器的输出信号u随 着被调量y的增大而增大，此时称整个调节 器的增益为“+”。 • 处于反作用方式下，u随着被调量y的增大 而减小，调节器的增益为“-”。
图4.2根据控制系统方框图确定调 节器正反作用
4.2过程控制系统的动态特性
• • • • • (1) 对象的动态特性是单调、不振荡的 (2) 对象动态特性的延迟性和时间常数大 (3) 对象的动态特性具有纯时间滞后 (4) 被控对象的自平衡与非自平衡特性 (5) 被控对象的动态特性往往具有非线性特 征
图4.25PD调 节器的单位 阶跃响应
t u ( K D 1) exp( ) TD / K D
1
1
图.26 PD调 节器的 斜坡响 应
图4.27P调节系统和PD调节系统 调节过程的比较
图4.28PD控制系统不同微分时间 的响应过程
图4.29工业PID调节器单位阶跃 响应
图4.30各种调节动作对应的响应 过程
4.5.4比例积分微分调节 规律及其基本特征
de u K c e S 0 edt S 2 0 dt 1 1 t de u (e edt TD ) TI 0 dt
t
PID传递函数
1 G ( s) (1 TD s ) TI s 1 * 1 * TD s TI s * Gc ( s) K c 1 TD 1 s K I TI s K D 1
PID控制的优点
• 原理简单，使用方便 • 适应性强 • 鲁棒性强(Robust)
图4.1生产过程简单 控制系统方框图
广义被控对象
• 一般包括调节阀、被控对象和测量变送元 件
偏差信号e
• 按仪表制造业的规定，进入调节器运算部 分的偏差信号e定义为 e =y - r 式中 r——设定值； y——被调量的实测值。 控制工程中的定义为 e=r-y
4.3.1比例调节规律和比例带
u Kce
称为比例带
u
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
e
4.3.2比例调节的特点—有差调节
图4.11所示加热器水温控制系统
图4.12比例调节是有差调节
4.3.3比例带对于调节过程的影响
图4.13δ对于比例调节过程的影响
4.4积分调节(I调节)
• 4.4.1积分调节规律和积分速度 • 4.4.2积分调节的特点——无差调节 • 4.4.3积分速度对于调节过程的影响
图4.23间歇反应器温度控制系统 对设定值的响应曲线
图4.24 调节器 抗积分 饱和电 路
4.5.3比例微分（PD）调节
de u K ee S2 dt 1 de u (e TD ) dt
PD的传递函数
Gc
1
(1 TD s )
1 TD s 1 实际上G c TD s 1 KD