上海交通大学：《材料制造数字化技术基础 Foundation of Digital Technology for Material Processing》课程教学资源（课件讲稿）第9章 数字化控制方法

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«材料制造数字化技术基础» Foundation of Digital Technology for Material Processing 第9章 数字化控制方法

上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 内容提要 9.1PID控制方法 9.2其他自动控制方法 9.3材料制造过程控制方法举例 2

2 内容提要 9.1 PID控制方法 9.2 其他自动控制方法 9.3 材料制造过程控制方法举例

上游充通大学 9.1PD控制方法 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 9.1.1基本理论 9.1.2比例(P)控制 9.1.3比例微分(PD)控制 9.1.4积分(0)控制 9.1.5比例积分(P)控制 9.1.6比例积分微分(PID)控制 9.1.7PID参数整定 3

3 9.1 PID控制方法 9.1.1 基本理论 9.1.2 比例(P)控制 9.1.3 比例微分(PD)控制 9.1.4 积分(I)控制 9.1.5 比例积分(PI)控制 9.1.6 比例积分微分(PID)控制 9.1.7 PID参数整定

上游充通大学 9.1PD控制方法 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 9.1.1基本理论 PID(Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来 的控制策略之一，它按偏差的比例(P)、积分①、微分D) 对生产过程进行控制，具有原理简单、易于实现、鲁棒 性强和适用面广等特点。被广泛应用于工业过程控制， 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。 从信号变换的角度而言，超前校正、滞后校正、滞后- 超前校正可以总结为比例、积分、微分三种运算及其 组合。 4

4 9.1 PID控制方法 PID(Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来 的控制策略之一，它按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D) 对生产过程进行控制，具有原理简单、易于实现、鲁棒 性强和适用面广等特点。被广泛应用于工业过程控制， 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。 从信号变换的角度而言，超前校正、滞后校正、滞后－ 超前校正可以总结为比例、积分、微分三种运算及其 组合。 9.1.1 基本理论

上游充通大学 9.1PID控制方法 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 9.1.1基本理论 PID控制是指比例(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控制。 i)=d)fde dt 比例控制 基本的PID控制 输出 规律可以描述为： 积分控制 对象 G)=K2+K+K, 微分控制 其中，参数KK,K,可以根据过程动态特性变化重新进行调整与设定 5

5 9.1 PID控制方法 PID控制是指比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。 ] ( ) ( ) ( ) 1 u( ) [ ( ) 0 0 u t dt de t e t dt T T t K e t D t  p     K s s K G s  Kp   D 1 ( ) 基本的PID控制 规律可以描述为: 其中，参数KP , KI , KD可以根据过程动态特性变化重新进行调整与设定 9.1.1 基本理论

上游充通大学 9.1PID控制方法 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 9.1.2比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方法，控制器的输出与输入误差信号成 比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳定误差。 传递函数 系统结构 G.(s)=Kp Go(s) H(s) P控制只改变系统的增益而不影响相位，增大比例系数可提高系统的开 环增益，减小系统的稳态误差，提高系统的控制精度，但会降低系统稳 定性，甚至可能造成闭环系统的不稳定，因此P控制一般不单独使用。 6

6 9.1 PID控制方法 比例控制是一种最简单的控制方法，控制器的输出与输入误差信号成 比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳定误差。 9.1.2 比例(P)控制 c Kp G (s)  P控制只改变系统的增益而不影响相位，增大比例系数可提高系统的开 环增益，减小系统的稳态误差，提高系统的控制精度，但会降低系统稳 定性，甚至可能造成闭环系统的不稳定，因此P控制一般不单独使用。 传递函数 系统结构

上游充通大学 9.1PID控制方法 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 9.1.3比例微分(PD)控制 PD控制的传递函数： 系统结构 G(s)=K,（1+Tas K,(1+) Go(s) 其中，K为比例系数，T为微分常数 H(s) 输出信号和输入信号的关系： u-kr do 微分控制反映误差的变化率，只有当误差随时间变化时，微分控制才会 对系统起作用，而对无变化或缓慢变化的对象不起作用，因此，微分控 制在任何情况下都不能单独使用，只能构成PD或PID控制 7

7 9.1 PID控制方法 PD控制的传递函数： G s K  T s c  p 1 d ( )         dt de t u t Kp e t Td ( ) ( ) ( ) 微分控制反映误差的变化率，只有当误差随时间变化时，微分控制才会 对系统起作用，而对无变化或缓慢变化的对象不起作用，因此，微分控 制在任何情况下都不能单独使用，只能构成PD或PID控制 输出信号和输入信号的关系： 9.1.3 比例微分(PD)控制 系统结构 其中，KP为比例系数，Td为微分常数

上游充通大学 9.1PID控制方法 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 9.1.3比例微分(PD)控制e(t)个 微分控制使得系统的响 应速度变快，超调减小， 振荡减轻。这就是微分 u(t)比例 比例+微分 系统对动态过程的“预 测”作用。 徽分 三种控制作用的对比曲线 8

8 9.1 PID控制方法 微分控制使得系统的响 应速度变快，超调减小， 振荡减轻。这就是微分 系统对动态过程的“预 测”作用。 三种控制作用的对比曲线 9.1.3 比例微分(PD)控制

上浒充通大学 9.1PID控制方法 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 9.1.4积分（①控制 输出信号的变化速率 积分控制传递函数： 控制器的输出信号： 与输入信号成正： G.()=K U()=KJe()di du(t)=K e(1) dt 自动控制系统进入稳态后若存在稳态误差，则称有差系统。为消除稳态 误差，须引入积分项，随着时间增加，积分项会增大使稳态误差进一步减 小，直至零。 由于积分引入了相位滞后，使系统稳定性变差，增加积分项对系统而言 是加入了极点，对系统的响应而言可消除稳态误差，但对瞬时响应会造成 不良影响，甚至造成不稳定，因此积分控制一般不单独使用，通常结合比 例控制器构成比例积分（PI)控制器。 9

9 9.1 PID控制方法 积分控制传递函数： 9.1.4 积分(I)控制 s K G s i c ( )    t I U t K e t dt 0 ( ) ( ) 控制器的输出信号： ( ) ( ) K e t dt du t  I 输出信号的变化速率 与输入信号成正： 自动控制系统进入稳态后若存在稳态误差，则称有差系统。为消除稳态 误差，须引入积分项，随着时间增加，积分项会增大使稳态误差进一步减 小，直至零。 由于积分引入了相位滞后，使系统稳定性变差，增加积分项对系统而言 是加入了极点，对系统的响应而言可消除稳态误差，但对瞬时响应会造成 不良影响，甚至造成不稳定，因此积分控制一般不单独使用，通常结合比 例控制器构成比例积分（PI）控制器

上游充通大学 9.1PD控制方法 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 9.1.5比例积分PD控制 PI控制的传递函数： cw1） 输出信号和输入信号的关系： w)Lededs PI控制器不但保持了积分控制器消除稳态误差的“记忆功能”， 而且克服了单独使用积分控制消除误差时反应不灵敏的缺点。 10

10 9.1 PID控制方法           T s G s K i c p 1 ( ) 1 e  d T K u t K e t t i p p    0 ( ) ( ) ( ) PI控制的传递函数： PI控制器不但保持了积分控制器消除稳态误差的“记忆功能”， 而且克服了单独使用积分控制消除误差时反应不灵敏的缺点。 输出信号和输入信号的关系： 9.1.5 比例积分(PI)控制