作者：郭阳宽 王正林 联系邮箱：wa_2003@126.com 《过程控制系统仿真》 电子工业出版社 出版 2009.3 作者：郭阳宽 王正林 联系邮箱：wa_2003@126.com

第5章 PID控制 5.1 PID控制概述 5.2 PID控制算法 5.3 PID控制器参数整定 5.4 本章小结 习题与思考

内容提要 本章描述PID控制的基本概念，介绍PID控制算法以及PID参数整定等基础知识，并通过大量的仿真实例讲述PID参数整定。

5.1 PID控制概述 PID控制器具有以下优点： （1）原理简单，使用方便。 （2）适应性强。 在线性连续系统中，控制规律通常由以下三种情况组成： （1）比例控制：控制作用u与偏差e成比例关系； （2）积分控制：控制作用u为偏差e对时间的积分（ ）成比例关系； （3）微分控制：控制作用u为偏差e对时间的导数（ ）成比例关系； 因此，控制作用u常用的表示形式为： 式中的Kc是控制器的比例增益，Ti和Td都具有时间量纲，分别称为积分时间和微分时间。 PID控制器具有以下优点： （1）原理简单，使用方便。 （2）适应性强。 （3）鲁棒性强，即其控制品质对被控制对象特性的变化不太敏感。

5.2 PID控制算法 5.2.1 比例（P）控制 纯比例控制的作用和比例调节对系统性能的影响

5.2.2 比例积分（PI）控制 PI控制的主要特点为： （1）PI控制器在与被控对象串联连接时，相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。 （2）位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能。 （3）增加的负实部零点则可减小系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不利影响。 （4）在实际工程中，PI控制器通常用来改善系统的稳态性能。

PI控制举例

5.2.3 比例微分（PD）控制 PD控制作用举例

5.2.4 比例积分微分（PID）控制 PID控制的主要特点为： （1）当阶跃输入作用时，P作用是始终起作用的基本分量；I作用一开始不显著，随着时间逐渐增强；D作用与I作用相反，在前期作用强些，随着时间逐渐减弱。 （2）PI控制器与被控对象串联连接时，可以使系统的型别提高一级，而且还提供了两个负实部的零点。 （3）与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统稳态性能的优点外，还多提供了一个负实部零点，因此在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。 （4）PID控制通过积分作用消除误差，而微分控制可缩小超越量，加快反应，是综合了PI控制与PD控制长处并去除其短处的控制。 （5）从频域角度来看，PID控制是通过积分作用于系统的低频段，以提高系统的稳态性能，而微分作用于系统的中频段，以改善系统的动态性能。

5.3 PID控制器参数整定 PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类： （1）理论计算整定法 主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 （2）工程整定方法 主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计算简便，易于掌握。

5.3.1 Ziegler-Nichols整定法 Ziegler-Nichols法根据给定对象的瞬态响应特性来确定PID控制器的参数。Ziegler-Nichols法首先通过实验，获取控制对象单位阶跃响应 ：

Ziegler-Nichols整定举例

5.3.2 临界比例度法

临界比例度法整定举例

5.3.3 衰减曲线法 按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的整定参数设置在调节器上，再观察运行曲线，若不太理想，还可作适当调整。 5.3.3 衰减曲线法 按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的整定参数设置在调节器上，再观察运行曲线，若不太理想，还可作适当调整。 衰减曲线法的注意事项： （1）对于反应较快的控制系统，要认定41衰减曲线和读出Ts比较困难，此时，可认为记录指针来回摆动两次就达到稳定是41衰减过程。 （2）在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数值。 （3）若认为41衰减太慢，可采用101衰减过程。对于101衰减曲线法整定调节器参数的步骤与上述完全相同，仅仅所用计算公式有些不同。

衰减曲线法整定举例

PID参数整定规律 总结出几条基本的PID参数整定规律： （1）增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 （2）增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 （3）增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。

5.4 本章小结 PID控制是最经典、应用最广的控制方法，是单回路控制系统的主要控制方法，可以说PID控制是其他控制思想的基础。 5.4 本章小结 PID控制是最经典、应用最广的控制方法，是单回路控制系统的主要控制方法，可以说PID控制是其他控制思想的基础。 深入理解PID控制规律，熟练掌握PID控制器参数的整定，是每个学习控制的人所必备的基础。

习题与思考