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PID 控制算法详细讲解

5.1 PID 控制原理与程序流程

5.1.1 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。

一、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。

二、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。

三、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。

5.1.2 模拟 PID 调节器

一、模拟 PID 控制系统组成

图 5－1－4 模拟 PID 控制系统原理框图

二、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。

1、PID 调节器的微分方程



u(t)  K



e(t) 



式中

e(t)  r(t)  c(t)

2、PID 调节器的传输函数

D(S) 

de(t)





e(t)dt  T





 

U (S ) 1

 K



1  T



E(S)





三、PID 调节器各校正环节的作用

1、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。

2、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。

3、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。

5.1.3 数字 PID 控制器

一、模拟 PID 控制规律的离散化

模拟形式离散化形式

e(t)  r (t)  c(t)

e(n)  r(n)  c(n)

de(t)

e(n)  e(n 1)



e(t)dt



e(i)T  T



e(i)

i0 i0

n n

二、数字 PID 控制器的差分方程

 

u(n)  K



e(n) 



e(i) 



e(n)  e(n 1)





 u

i 0

 

 u

(n)  u

式中

(n)  K

e(n)

称为比例项

(n)  K



e(i)

称为积分项

i0



e(n)  e(n 1)



称为微分项

三、常用的控制方式

1、P 控制

u(n)  u

(n)  u

2、PI 控制

u(n)  u

(n)  u

3、PD 控制

u(n)  u

(n)  u

4、PID 控制

u(n)  u

(n)  u

四、PID 算法的两种类型

1、位置型控制――例如图 5－1－5 调节阀控制



u(n)  K



e(n) 



u(n)  u(n)  u(n 1)



e(i) 

i0





e(n)  e(n 1)





 u



2、增量型控制――例如图 5－1－6 步进电机控制

 K



e(n)  e(n 1)



 K

e(n)  K



e(n)  2e(n 1)  e(n  2)



【例 5—1】设有一温度控制系统，温度测量范围是 0～600℃，温度采用 PID 控制，控制

指标为 450±2℃。已知比例系数

 4

,积分时间

 60s

，微分时间

 5s

，采样周期

T  5s

。当测量值

c(n)  448

，

c(n 1)  449

，

c(n  2)  442

时，计算增量输出

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