PID调节器
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调节器工作原理
pid调节器工作原理
PID调节器（Proportional-Integral-Derivative Controller）是一
种常用的控制器，其原理是通过对被控对象的测量值与目标值之间的差异进行比较，并根据比较结果进行相应的控制调整。
PID调节器通过计算出一个综合的控制信号，使得被控对象的
输出能够迅速、准确地接近目标值。
PID调节器的工作原理基于三个核心控制算法：比例控制、积
分控制和微分控制。
1. 比例控制（Proportional Control）：根据被控对象的测量值
与目标值之间的差异，计算出一个与偏差成正比的控制信号。
比例控制能够实现快速的响应，但同时可能会引起超调和振荡。
2. 积分控制（Integral Control）：通过对偏差的累积进行积分
运算，计算出一个与偏差累积值成正比的控制信号。
积分控制能够消除静差（steady-state error），提高系统的稳定性和精确度。
然而，过强的积分作用可能导致超调和不稳定。
3. 微分控制（Derivative Control）：根据偏差的变化率，计算
出一个与变化率成正比的控制信号。
微分控制可以提供控制系统对偏差的预测能力，从而改善系统的响应速度和稳定性。
然而，微分控制对高频噪声敏感，可能引入噪声放大和振荡。
PID调节器通过将上述三个控制算法按照不同的比例进行组合，得到一个综合的控制信号，用于控制被控对象。
在实际应用中，
可以通过调节比例、积分和微分的参数来优化PID调节器的性能，以满足具体的控制需求。
PID调节仪操作保养规程
PID调节仪操作保养规程
PID调节仪是一种用于控制温度、湿度、流量等参数的仪器。
为了保证PID调节仪的正常运行，延长使用寿命，需要按照以下操作保养规程进行操作和保养。
操作规程
1. 电源连接
在连接电源时，需要注意一下事项：
•电源线必须符合国家关于电源线行业标准；
•电源插头必须连接在电源插座上，并保证插头与插座接触牢固；
•必须保证设备接地牢固可靠。
2. 最佳工作温度区域
设备应保持在20℃～25℃的环境下，相对湿度50%～70%之间，如果环境温度和相对湿度不稳定会影响仪器工作准确度，可能导致数据偏差或仪器损坏。
3. 温度的调整
温度如果需要调整，按以下操作方式：
1.通过。
pid调节器工作原理
pid调节器工作原理
PID调节器是一种常用的控制器，用于自动调节系统的输出以
使其接近设定值。
它的工作原理主要包括三个部分：比例、积分和微分。
首先，比例部分根据当前的测量值与设定值之间的差距，计算出一个比例调节量。
比例调节量与差距成正比，即差距越大，比例调节量越大。
这样可以快速地减小差距，但由于比例关系较简单，会使得系统出现超调现象。
接着，积分部分根据过去一段时间内的差距积累计算出一个积分调节量。
积分调节量与差距的积分成正比，即差距积分越大，积分调节量越大。
通过积分部分的作用，可以消除系统的稳态误差，但积分时间过长会导致系统响应速度变慢。
最后，微分部分根据当前的差距变化率计算出一个微分调节量。
微分调节量与差距的微分成正比，即差距变化越快，微分调节量越大。
微分部分可以提高系统的稳定性和响应速度，但过大的微分调节量会引入噪声和振荡。
将比例、积分和微分的调节量相加，即可得到最终的输出信号，用于控制系统的执行器，使系统的输出接近设定值。
PID调节
器根据实际需要，通过调整三个调节参数的数值大小，可以实现不同的控制效果。
总之，PID调节器通过比例、积分和微分三个部分的配合作用，
根据系统的实际情况动态调整输出信号，以实现系统的自动调节和控制。
PID调节和温度控制原理
PID调节和温度控制原理首先，我们需要了解PID调节器的三个组成部分：比例增益（Proportional）、积分时间（Integral）和微分时间（Derivative）。
PID调节器是根据被控对象的误差和误差的变化率进行调节的。
比例增益（Kp）是PID调节器中最基本的部分，它根据被控对象输出值与期望值之间的差异进行调整。
比例增益越大，调节器对误差的响应越快，但也可能导致系统产生震荡和超调的现象。
积分时间（Ti）用于在长时间内调整误差。
积分时间越长，调节器积累积分误差的能力越强，可以更好地消除稳态误差。
然而，如果积分时间设置过大，可能会导致系统响应不够灵敏，甚至产生不稳定。
微分时间（Td）用于根据误差变化率的信息进行调节。
微分时间越大，调节器对误差变化率的响应越快，可以更好地抑制系统振荡和超调。
但如果微分时间设置过大，可能会引入噪声和不稳定性。
在温度控制中，我们可以将被控对象看作是一个热源，调节器则是根据温度传感器测得的实际温度与设定温度之间的差异进行调整。
首先，我们将设定温度与实际温度之差称为误差。
调节器会对误差进行处理，并输出相应的控制信号，例如控制加热或冷却装置的工作状态，以调整被控对象的温度。
当误差较大时，比例增益将起到主导作用，调节器会根据误差的大小和控制参数的设定，输出一个相应的调节信号。
这个信号会影响加热或冷却装置的工作状态，使温度逐渐接近设定温度。
当误差持续存在时，积分时间将发挥作用，调节器会根据误差的积分值来调整控制信号。
积分时间越长，调节器对误差的积累越敏感，可以更好地消除稳态误差。
当误差的变化率较大时，微分时间将起到作用，调节器会根据误差的导数值来调整控制信号。
微分时间越大，调节器对误差变化率的响应越快，可以更好地抑制系统振荡和超调。
通过不断调整和优化PID调节器的参数，我们可以实现对温度的精确控制。
以下是一些在实际应用中常用的PID调节器调参方法：1.手动调参：通过实验和经验，手动调整比例增益、积分时间和微分时间的值，使系统达到稳定状态，从而找到合适的参数。
PID调节器
系统输出超调分析
（电动机振动系统） cmax 1. 0＜t＜t1： 1 e(t) > 0，电动机提供 了过大的转矩，同时又 没有阻尼所造成的。 （解决：t= ta时提前制动） 0 2. t1＜t＜t3： e(t) ＜ 0 ，电动机转矩 也为负，使输出相反加 速下降，由于惯性的存 在，加之缺少阻尼，在 t3< t< t5的时间内，出现 了向下的超调量。
D
(s
K
p
K
2 p
4K I K
D
D
)(s
K
p
K
2 p
1K I K
D
D
) 2K
2K
s
不难看出，引入PID调节器后，系统的型号数 增加了Ⅰ，还提供了两个实数零点。因此， 对提高系统的动态特性方面有更大的优越性。
4
一、比例——微分(PD)调节器及其控制规律
PD调节器
R(s)
E (s)
c (t )
Kp
C (s)
s ( s 48)
K p 100
K p 2.88
K p 1
0
10
t
对系统引入比例微分调节器
R(s) +
Kp
+ +
400 s ( s 48)
C (s)
KDs
单位阶跃输入下的系统输出：
C(s) s[s 400K
2 Ds D
100K
p p
(400K
7
c (t )
t a t1
t2
t b t3
t 4 t5
t
e (t )
1
0
PID调节器的电路
采用可编程逻辑控制器（PLC）或微控制器（MCU），可以实现PID调节器电路的远程控制和编程控制， 方便系统的集成和扩展。
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比例调节器
根据输入信号与设定值的偏差，按比例输出控制 信号。
积分调节器
对输入信号与设定值之间的偏差进行积分运算， 以消除稳态误差。
微分调节器
对输入信号的变化率进行运算，以减小系统的动 态误差。
03
PID调节器电路的实现
硬件实现
模拟电路实现
通过使用电阻、电容和运算放大器等模拟元件，搭建PID调节器的硬件电路。 这种实现方式具有实时性好、稳定性高的优点，但调试复杂且容易受到环境温 度和元件老化等因素的影响。
电机控制系统
PID调节器电路用于控制电机的速度、 位置和转矩，广泛应用于数控机床、 机器人等领域。
家电领域
空调系统
PID调节器电路用于控制空调系统的温度和湿度，提供舒适的生活环境。
热水器
PID调节器电路用于控制热水器的加热温度，实现快速加热和节能的效果。
汽车领域
燃油喷射系统
PID调节器电路用于控制燃油喷射系统的喷 油量，提高燃油经济性和排放性能。
VS
详细描述
PID调节器由比例、积分和微分三个环节 组成。比例环节根据误差信号调整输出值 ，以减小误差；积分环节根据误差信号的 积分调整输出值，以消除长期误差；微分 环节根据误差信号的变化率调整输出值， 以提前预测并减小误差。三个环节协同作 用，实现PID调节器的控制效果。
PID调节器的特点
总结词
02
PID调节器电路的组成
输入部分
信号采集
负责采集系统或设备的状态信息 ，并将其转换为电信号。
PID调节器控制规律
1. 比例作用 (P作用)
动态方程式： K pe
传递函数为：
Wp (s)
s Es
Kp
特点为：
比例作用的比例系数
（1）无惯性、无迟延、动作快,而且调节动作的方向正确, 在控 制系统中是促使控制过程稳定的因素；
（2）有差作用
一、基本调节作用
2. 积分作用(I作用)
t
动态方程式： KI
知识点一：DDZ仪表的发展历程
2、DDZ—Ⅱ型系列 六七十年代晶体管 ；0～10mA DC统一标准信 号；标准化、系列化和通用化
3、DDZ—Ⅲ型系列
七八十年代；线性集成电路；4～20mA DC(或 1—5V DC) ；24V DC电源的集中统一供电
例.典型的控制回路
前馈信号 给定值
A
f(x) ＰＩ调节器
比例增益KP和比例度
比例增益KP是比例调节器输出变化量u与偏差e之比：
u Kp e
KP越大，比例作用越强，KP越小比例作用越弱。
KP越大 越小 比例作用越强。
二、调节器的控制规律
2. 比例积分(PI)调节器
动态方程为 ： K p KI
t 0
edt
K p (e
斜坡响应曲线: de
e dt
0
e0 t
0
t
Td
Td 2
Td
0
e0
t
(a)
1
0
导前时间
Td
(b)
a
Td
t
比例微分控制作用
比例微分(PD)控制由比例和微分二种控制作用组合而成
从右图中可以看出，当输入为斜坡曲线时，微分控制起到了超前的作 用，即：调节器输出比输入超前Td时间
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Y (s) X (s)
TDs
de
比例微分调节
yO
KP (e TD
) dt
传递函数
Y (s) G(s) X (s) KP (1 TDs)
各种调节算法的输出特性曲线
e
e
t
t
yo
yo
t 积分调节
t 微分调节
e
e
t
t
yo
yo
t 比例积分调节
t 比例微分调节
调节器原理概述
比例积分微分调节 传递函数
CI Vi (Vopro)
CM o
t
总结：积分增益
Ki
Vo max Vopro
AVi
CI CM
Vi
CM CI
A
Ki
CM CI
A
Ti RI CI
Vo (s) CI 1 1/ RI CI s Vi (s) CM 1 1/ ARI CM s
Vo (s) CI 1 1/ Ti s Vi (s) CM 1 1/ KiTi s
有：
L()
20
lg
1 P
20
lg(TD)
20
lg(
TD KD
)
20
lg
1 P
20
lg
KD
为幅值较高水平直线
L(ω)
20lgKI
ω1=1/KITI φ(ω) +π/2
20lgKD
20lg1/P
ω2=1/TI ω3=1/TD ω4=KD/TD
lgω
o lgω
-π/2
DDZ—Ⅲ型调节器
标定 S5
测量
−
DDZ—Ⅲ型调节器 原理框图
测量值指示
内给定电路
给定值指示
外给定信号 测量信号
内 外 S6
输入电路
自动A S1
PD电路
PI电路
软手动M 硬手动H
软手动电路
硬手动电路
输出电路
输出 4~20mA
原理框图主要功能概述
1、输入电路 测量信号：接收来自变送器的输出（4~20mA或1~5V）； 电平移动：适应单电源供电要求，主要作用如下: (1)将输入信号转换为相对电平移动中点的变化； (2)后级输出电路则可实现相对抬高后电位起点的负极性变化。
CI CM
(Vi
1 RI CI
t
0 Vi dt)
相当于 P、I 两部分作用
比例部分：
CI CM
Vi
积分部分：
CI 1 CM TI
t
0 Vi dt
其中： TI RI CI
响应分析结论：
TI 值大，积分曲线 上升缓慢；值小，积 分曲线上升快。
阶跃响应分析
Vt
Vt 积分作用部分
理想输入输出曲线
1 n
Vi
(s)
阶跃输入时的拉氏反变换
V (t)
1 n
1
(n
t
1)e RDCD
Vi
1 n Vi
反映了比例项
n
n
1
e
t RDCD
Vi
反映了微分项
工程实用比例微分调节器（无源有限制微分装置）
Id
CD
Vi RD
1 Vi
n
Vb
V+ V+
1 Vi
n o
Vi t
工程要求及定义： （1）微分阶跃输出幅值必须受限。 （2）微分作用时间必须有一定长度。
Vo
(s)
n
1 TD 1 TD
s s
Vi
(s)
KD
Vo
(s)
K
P
1 TD 1 TD
s s
Vi
(s)
KD
KP n
W
(S)
KP
1 TDs 1 TD s
KD
KD t
Vo (t) K P 1 (K D 1)e TD Vi
Vo
微分项 比例项
KPVi
t
PID运算电路
Vi
CD
RD 1 n Vi
IC5
+
测量指示
指示电路
标定 S4
测量
−
IC6
+
给定指示
内给定电路
内给
定 1~5V
3V
VB=10V
外给定 4 ~ 20 mA
250Ω
1输入 1~5V
R S6 R
R
R
R
−
IC1
+
R0
输入电路
R
R0
CD
−
IC2
+
RD
1/α
软手动操作电路
+24V
PID运算电路 CI S1 RI S1 S3 升
降 软手动扳
)2
20 lg
1 (TD 1 )2 K D K I TI
低频段，条件： TD 1
L() 20lg 1 20lg 1 ( 1 )2 20lg 1 ( 1 )2
P
TI
K I TI
（1）当频率很低
L() 20 lg 1 20 lg 1 20 lg( 1 )
P
TI
K I TI
有：
VO
1t
de
yO KP (e TI
edt
0
TD
dt
)
G(s)
Y (s) X (s)
KP (1
1 TI s
TDs)
微分部分
PID合成曲线 比例部分
积分部分
t
算法总结
P—控制系统的响应快速性—现在
（现在就起作用）
I—控制系统的准确性，消除过去积累误 差—过去（清除先前错误）
D—控制系统的稳定性，有超前作用—将 来（提前预计控制）
A
，
作为衡量积分消除静差的参考
Ki
CM CI
A
TI RI CI
代入传递函数表达式
Vo (s) CI 1 1/ RI CI s Vi (s) CM 1 1/ ARI CM s
参考P58 2-20式化简
W (S)
Vo (s) Vi (s)
CI CM
11/ TI s 11/ KiTI s
KP
L()
20 lg
1 P
20 lg
KI
L() 为常数---对数幅频特性为水平直线
（2）当频率变化至
1 1
TI
K ITI
有：
L()
20lg
1 P
20lg TI
L() 20 lg 1 20 lg 1
P
TI
L() 为斜线---以十倍频程20分贝下降
（3）当 1
TI
仍可忽略微分项作用，有：L() 20lg 1 P
传递函数
G(s)
Y (S ) X (S)
KP
t
积分调节
yO KI
edt
0
传递函数
G(s) Y(S) 1 X (S ) TI s
1t
比例积分调节
yO KP (e TI
edt)
0
传递函数
G(s)
Y (s) X (s)
KP (1
1) TI s
调节器原理概述
微分调节
yO
TD
de dt
传递函数
G(s)
阶跃输入信号
比例作用部分
o
o
t
t
精确关系分析（利用克希霍夫及拉氏变换式）
V
V
Vo A
0
V V
Vi (s) V (s) Vi (s) V (s) Vo (s) V (s) 0
RI
1/CI s
1/CM s
另有关系式： Vo (s) AV (s)
输出表达式推导
V
(s)
Vo (s) A
KD
K D K I TI K I TI s K D
W (S) CI
1
TD TI
1 TI s
TD s
n CM 1 TD 1 TD s
K D K I TI K I TI s K D
1 1 K D K I TI
F 1 TD TI
1 1 TD s
W
(S
)
K
' P
F
1
FTI s F 1 TD
11/ TI s 11/ KiTI s
比例微分运算电路
PD运算电路
CD ID
V- -
V+
A
+
1
V (s) n Vi (s) ID (s)RD
Vi
ID (s)
n
n
1Vi
(s)
RD
1 CD
s
n
n
1
1
CDs RDC
D
s
Vi
(s)
RD 1
Vi n
Vo 1
Vo α Vb
V
(s)
1 nRDCD s 1 RDCDs
高精度传函的实现 具体实施
PI运算电路
CI
CM
If
RI
V- -
Vi
Ii
A
V+
+
Vo
近似分析
Vb
基本条件：
V
V
Vo A
0
电流平衡方程： I i I f 0
Ii
Vi RI
CI
dVi dt
If
CM
dVo dt
代入电流平衡方程
Vi RI
CI
dVi dt
CM
dVo dt
0
解出输出表达式
Vo
第2章 调节器参考内容