S71200第26讲S71200的PID控制器课件.pptx

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1、博途1200课程-第26讲,-S7-1200的PID控制器2,模拟量闭环控制系统变送器的选择 变送器分为电流输出型和电压输出型。 电压输出型变送器具有恒压源特性，输入阻抗很高。如果变送器距离PLC较远，通过线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流，在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。例如1mA干扰电流在10MW输入阻抗上将产生10V的干扰电压信号，所以远处传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。 电流输出型变送器具有恒流源的性质，内阻很大，输入阻抗较小(例如250 W)。线路上的干扰信号在模块的输入端阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适合于远程传送。,电压 0-10V 电流 0(

2、4)-20mA 选择依据 工业上通常用电压 05(10)V 或电流 0(4)20mA 作为模拟信号传输的方法，也是被程控机经常采用的一种方法。那么电压和电流的传输方式有什么不同，什么时候采用什么方法，下面将对此进行简要介绍。 电压信号传输比如 05(10)V如果一个模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点，那么信号可能很容易失真。原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗，电缆的电阻以及接触电阻形成了电压降损失。由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。,如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的，那么由上述的电阻引起的传输误差就足够小，这些电阻也就可以忽略不计。要求不增加信号发

3、送方的费用又要所提及的电阻可忽略，就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。如果用运算放大器 OP 来做接收方的输入放大器，就要考虑到此类放大器的输入阻抗通常是小于 1M？ 。 原则上，高阻抗的电路特别是在放大电路的输入端是很容易受到电磁干扰从而会引起很明显的误差。所以用电压信号传输就必须在传输误差和电磁干扰的影响之间寻找一个折中的方案。 电压信号传输的结论：如果电磁干扰很小或者传输电缆长度较短，一个合适的接收电路毫无疑问是可以用来传输电压信号 05(10)V 的。 电流信号传输比如 0(4).20mA在电磁干扰较强的环境和需要传输较远距离的情况下，多年来人们比较喜欢使用标准的电流来传输信号。如果

4、一个电流源作为发送电路，它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电阻以及接触电阻无关。也就是说，电流信号的传输是不受硬件设备配置的影响的。同电压信号传输的方法正相反，由于接收电路低的输入阻抗和对地悬浮的电流源（电流源的实际输出阻抗与接收电路的输入阻抗形成并联回路）使得电磁干扰对电流信号的传输不会产生大的影响。 电流信号传输的结论：如果考虑到有电磁干扰比如电焊设备和其他信号发射设备，传输距离又必须很长，那么电流信号传输的方法是适合这种情况的（模拟信号传输）。实际上经常采用的电流传输方法有二线制和三线制方法。在这里将主要论述二线制方法，也叫电流回路方法。,电流回路的综合特性 简单的使用：如果信

5、号发送电路和相联接的其他电路的工作电流保持常数不变，那么该工作电流和信号电流就可以通过同一根电缆来传输。人们只需用一个负载取样电阻，而电流在负载电阻上的电压降就可以作为有用的信号。当然还应该注意工作电压要足够高，以满足电流回路里所需要的电压降。 低廉的成本：与数字信号传输需要一个 AD 转换，一个单片机和一个合适的驱动电路相比，用简单的电流回路方法，人们只需要一条电缆，一个负载电阻和一个测量电压表。特别当对测量精度要求高的时候，二者产品成本的差别就更加明显了。 错误诊断：4-20mA 电流信号传输的优点除了传输距离远和抗干扰能力强外，还会自动提供出错信息。在一个经过校准的系统输出零信号时（输出

6、端为电流 4mA），如果接收到的信号大于零毫安而小于 4 毫安时，就说明此时系统一定有问题。如果接收到的电流信号为零，那么一定是电缆断了或者信号接收方面出了问题。如果电流信号超过 20mA 就意味着输入端方面的信号过载或者信号接收方面有问题。 长距离传输：传输距离与发送信号端的驱动能力和电缆的电阻以及接收端的测量电阻（负载电阻）有关。如果在信号传输的电缆中也要安装测量仪表，那么负载电阻还应该考虑到测量仪表的输入阻抗和监测记录仪表的输入阻抗。这些仪表常常因为成本低廉和无需外加电源而与集成电路一样共同连接在电流回路中并从4mA 中直接获得工作电源。因此在电路设计时要考虑到电流源回路的带载能力。,P

7、ID控制： 当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。 PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。 PID控制器传递函数：G(s)=U(s)/E(s)=kp

8、1+1/(TI*s)+TD*s 其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。,开环控制系统（open-loop control system）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输入没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量返送回来以形成任何闭环回路。 闭环控制系统（closed-loop control system）是指被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输入，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值 信号相反，则称为负反馈（Negative Feedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系

9、统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈 的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。,比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其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态误差。积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动 控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，

10、则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误 差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减 小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正 比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差 的作用，其变化总是落后于误差的变化。

11、解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中 仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制 器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改 善系统在调节过程中的动态特性。,PID控制的难点不是编程，而是控制器的参数整定。参数整定的关键是正确地理解各参数的物理意义，PID控制的原理可以用人对炉温的手动控制来理解。1比例控制 有经验的操作人员

12、手动控制电加热炉的炉温，可以获得非常好的控制品质，PID控制与人工控制的控制策略有很多相似的地方。 下面介绍操作人员怎样用比例控制的思想来手动控制电加热炉的炉温。假设用热电偶检测炉温，用数字仪表显示温度值。在控制过程中，操作人员用眼睛读取炉温，并与炉温给定值比较，得到温度的误差值。然后用手操作电位器，调节加热的电流，使炉温保持在给定值附近。 操作人员知道炉温稳定在给定值时电位器的大致位置（我们将它称为位置L），并根据当时的温度误差值调整控制加热电流的电位器的转角。炉温小于给定值时，误 差为正，在位置L的基础上顺时针增大电位器的转角，以增大加热的电流。炉温大于给定值时，误差为负，在位置L的基础上

13、反时针减小电位器的转角，并令转角与 位置L的差值与误差成正比。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器输出中的比例部分与误差成正比。 闭环中存在着各种各样的延迟作用。例如调节电位器转角后，到温度上升到新的转角对应的稳态值时有较大的时间延迟。由于延迟因素的存在，调节电位器转角后不能马上看到调节的效果，因此闭环控制系统调节困难的主要原因是系统中的延迟作用。 比例控制的比例系数如果太小，即调节后的电位器转角与位置L的差值太小，调节的力度不够，使系统输出量变化缓慢，调节所需的总时间过长。比例系数如果过大，即调节后电位器转角与位置L的差值过大，调节力度太强，将造成调节过头，甚至使温度忽高忽低，来回震荡。

14、 增大比例系数使系统反应灵敏，调节速度加快，并且可以减小稳态误差。但是比例系数过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，比例系数太大甚至会使闭环系统不稳定。 单纯的比例控制很难保证调节得恰到好处，完全消除误差。,2积分控制 PID控制器中的积分对应于图1中误差曲线 与坐标轴包围的面积（图中的灰色部分）。PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。计算机的程序用图1中各矩形面积之和来近似精确的积分，图中的TS就是采样周期。 每次PID运算时，在原来的积分值的基础上，增加一个与当前的误差值ev（n）成正比的微小部分。误差为负值时，积分的增量为负。 手动调节温度时，积分

15、控制相当于根据当时的误差值，周期性地微调电位器的角度，每次调节的角度增量值与当时的误差值成正比。温度低于设定值时误差为正，积 分项增大，使加热电流逐渐增大，反之积分项减小。因此只要误差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化。积分调节的“大方向”是正确的，积分项有 减小误差的作用。一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值， 对应于上述温度控制系统中电位器转角的位置L。因此积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，积分作用一般是必须的。 PID控制器输出中的积分部分与误差的积分成正比。因为积分时间TI在

16、积分项的分母中，TI越小，积分项变化的速度越快，积分作用越强。,图1 积分运算示意图,3PI控制 控制器输出中的积分项与当前的误差值和过去历次误差值的累加值成正比，因此积分作用本身具有严重的滞后特性，对系统的稳定性不利。如果积分项的系数设置得 不好，其负面作用很难通过积分作用本身迅速地修正。而比例项没有延迟，只要误差一出现，比例部分就会立即起作用。因此积分作用很少单独使用，它一般与比例 和微分联合使用，组成PI或PID控制器。 PI和PID控制器既克服了单纯的比例调节有稳态误差的缺点，又避免了单纯的积分调节响应慢、动态性能不好的缺点，因此被广泛使用。 如果控制器有积分作用（例如采用PI或PID

17、控制），积分能消除阶跃输入的稳态误差，这时可以将比例系数调得小一些。 如果积分作用太强（即积分时间太小），相当于每次微调电位器的角度值过大，其累积的作用会使系统输出的动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定。积分作用太弱（即积分时间太大），则消除稳态误差的速度太慢，积分时间的值应取得适中。,4微分作用 误差的微分就是误差的变化速率，误差变化越快，其微分绝对值越大。误差增大时，其微分为正；误差减小时，其微分为负。控制器输出量的微分部分与误差的微分成正比，反映了被控量变化的趋势。 有经验的操作人员在温度上升过快，但是尚未达到设定值时，根据温度变化的趋势，预感到温度将会超过设定值，出现超调。于是调

18、节电位器的转角，提前减小加热的电流。这相当于士兵射击远方的移动目标时，考虑到子弹运动的时间，需要一定的提前量一样。 图2中的c ()为被控量c (t)的稳态值或被控量的期望值，误差e(t) = c () - c (t)。在图2中启动过程的上升阶段，当 时，被控量尚未超过其稳态值。但是因为误差e(t)不断减小，误差的微分和控制器输出的微分部分为负值，减小了控制器的输出量，相当于提前给出了制动作 用，以阻碍被控量的上升，所以可以减少超调量。因此微分控制具有超前和预测的特性，在超调尚未出现之前，就能提前给出控制作用。 闭环控制系统的振荡甚至不稳定的根本原因在于有较大的滞后因素。因为微分项能预测误差变

19、化的趋势，这种“超前”的作用可以抵消滞后因素的影响。适当的微分控制作用可以使超调量减小，增加系统的稳定性。 对于有较大的滞后特性的被控对象，如果PI控制的效果不理想，可以考虑增加微分控制，以改善系统在调节过程中的动态特性。如果将微分时间设置为0，微分部分将不起作用。 微分时间与微分作用的强弱成正比，微分时间越大，微分作用越强。如果微分时间太大，在误差快速变化时，响应曲线上可能会出现“毛刺”。 微分控制的缺点是对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的能力降低。为此可在微分部分增加惯性滤波环节。,图2 阶跃响应曲线,5采样周期 PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。采样周期越小，采样值越能

20、反映模拟量的变化情况。但是太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使PID控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将采样周期取得过小。 应保证在被控量迅速变化时（例如启动过程中的上升阶段），能有足够多的采样点数，不致因为采样点数过少而丢失被采集的模拟量中的重要信息。,6PID参数的调整方法 在整定PID控制器参数时，可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的方法来调节控制器的参数。有经验的调试人员一般可以较 快地得到较为满意的调试结果。在调试中最重要的问题是在系统性能不能令人满意时，知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小。 为了减少

21、需要整定的参数，首先可以采用PI控制器。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小，以 避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号，根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。应根据PID参 数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。 如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。 如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。 反复调节比例系数和积分时间

22、，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。 总之，PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必须的。,模拟量闭环控制系统组成,PID 控制：STEP 7 为 S7-1200 CPU 提供以下 PID 指令： PID_Compact 指令用于通过连续输入变量和输出变量控制工艺过程。 PID_3Step指令用于控制电机驱动的设备，如需要通过离散信号实现打开和关闭动作的阀门。 PID_Temp 指令提供一个通用的 PID 控制器，可用于处理温度控制的特定需求。 全部三个 PID 指令（

23、PID_Compact、PID_3Step 和 PID_Temp）都可以计算启动期间的P 分量、I 分量以及 D 分量（如果组态为“预调节”）。还可以将指令组态为“精确调节”，从而可对参数进行优化。 用户无需手动确定参数。 以恒定的采样时间间隔执行 PID 指令（最好在循环 OB 中）。由于 PID回路需要一段时间来响应控制值的变化，因此请勿在每个循环中都计算输出值。请勿在主程序循环 OB（如 OB 1）中执行 PID 指令。 PID 算法的采样时间表示两次输出值（控制值）计算之间的时间。在自调节期间计算输出值，并取整为循环时间的倍数。 每次调用时都会执行 PID指令的所有其它函数。,STEP

24、 7 提供了两个 PID 控制指令： PID_Compact 指令及其相关工艺对象提供具有调节功能的通用 PID 控制器。工艺对象中包含控制环的所有设置。 PID_3Step 指令及其相关工艺对象为通过电机驱动的阀门提供具有特定设置的 PID控制器。 工艺对象中包含控制环的所有设置。 PID_3Step控制器提供两个附加的布尔型输出。 创建工艺对象之后，必须组态参数。还应调整自动调节参数（启动期间的“预调节”或手动“精确调节”），以调试 PID控制器的操作。 将 PID 指令插入用户程序时，STEP 7会自动为指令创建工艺对象和背景数据块。背景数据块包含 PID 指令要使用的所有参数。每个 P

25、ID指令必须具有自身的唯一背景数据块才能正确工作。插入 PID指令并创建工艺对象和背景数据块之后，需组态工艺对象的参数。,PID_Compact 指令： PID_Compact 指令提供自动和手动模式下具有集成自我调节功能的通用 PID 控制器。PID_Compact提供可在自动模式和手动模式下自我调节的 PID 控制器。PID_Compact是具有抗积分饱和功能且对 P 分量和D 分量加权的 PID T1 控制器。PID_Compact 指令提供了一种可对具有比例作用的执行器进行集成调节的 PID 控制器。存在下列工作模式： 未激活 预调节 精确调节 自动模式 手动模式 带错误监视的替代输出

26、值,PID_Compact指令的模式：1)未激活模式 PID Compact工艺对象被组态并首次下载到CPU后，PID控制器处于未激活(Inactive)模式，此时需要在调试窗口进行首次启动自调节。在运行时出现错误，或者点击了调试窗口的“停止测量”按钮，PID控制器将进入未激活模式。选择其他运行模式时，活动状态的错误被确认。2)自动调节模式 打开PID调试窗口，可以选择进入首次启动自调节模式或运行中自调节模式。,PID_Compact指令的模式：3)自动模式 在自动模式，PID Compact工艺对象根据设置的PID参数进行闭环控制。满足下列调节之一时，控制器将进入自动模式： 成功地完成了首次

27、启动自调节和运行中自调节的任务； 在组态窗口中选中了“使用手动PID参数设置”复选框。4)手动模式 在手动模式下，PID控制的输出变量用手动设置。满足下列调节之一，控制器将进入手动模式：指令的输入参数“ManualEnable”(启用手动)为1状态。在调试窗口选中了“手动”复选框。,组态基本参数：添加“PID_Compact”指令到循环中断中，然后选择指令属性组态的“基本设置”设置相应参数。,该设置影响指令的输出变量“Output_PWM”。PWM的开关量输出受“PID_Compact”指令的控制，与CPU集成的脉冲发生器无关。,PID_3Step 指令： PID_3Step用于组态具有自调节

28、功能的 PID控制器，这样的控制器已针对通过电机控制的阀门和执行器进行过优化。它提供两个布尔型输出。 PID_3Step是具有抗积分饱和功能且对 P 分量和D 分量加权的 PID T1 控制器。,首次启动预调节：该模式要求的调节：1)在循环中断OB中调用“PID_Compact”指令；2)建立与CPU的在线连接，CPU在RUN模式；3)点击“启动测量”，激活调试视图的功能；4)未选中“手动”复选框；5)设定值与实际值在组态的限制值之内；6)设定值与实际值的差值大于50%。,精细调节： 该模式要求的条件与首次启动自调节模式的基本相同，区别在于第6条改为设定值与实际值的差值小于50%。如果大于50

29、%，应先进行首次启动调节，完成后自动进行运行中自调节。步骤： 1)用单选框选中调试窗口的“优化”区的“运行中自调节”； 2)点击“启动自调节”，启动自调节。,PID控制器在CPU内优化，如果想在下载项目数据时使用优化的PID参数，可以将PID参数保存到项目中：1)建立计算机与CPU的在线连接；2)令CPU运行在RUN模式；3)点击“启动测量”，激活调试窗口的功能；4)点击左下角的 ，将当前激活的PID参数上载到项目。,通过手动设置控制器的输出值来测试过程。操作步骤：1)选中“当前值”区的“手动”复选框，控制器输出与控制变量之间的连接被断开，闭环控制最后的控制输出变量作为手动的控制器输出变量；2

30、)在“Output”域输入以%为单位的希望的控制器输出变量的值；3)点击“Output”域右边出现的按钮，控制器的输出变量被写入CPU，并被立即激活。PID控制器连续地监视实际值，如果实际值超过限制，将在“状态”域显示出来，控制器将进入未激活模式。,调节方法 PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。 PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。可取代伺服放大 器直接驱动执行机构（如阀门等）。PID外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）

31、进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控 制输出）。可实现自动/手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动/自动的平稳切换。PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信 号及阀位反馈信号。 PID光柱显示控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对测量值及控制目标值进行数字量显示（双LED数码显示），并同时对测量值及控制目标值进行相对模拟量显示（双光柱显示），显示方式为双LED数码显示+双光柱模拟量显示，使测量值的显示更为清晰直观。 PID参数自整定控制仪可随意改变仪表的输入信号类型。采用最新无跳线技术，只需设定仪表内部参数，即可将仪表从一种输入信号改为另一种输入信号。 P

32、ID参数自整定控制仪可选择带有一路模拟量控制输出（或开关量控制输出、继电器和可控硅正转、反转控制）及一路模拟量变送输出，可适用于各种测量控制场合。 PID参数自整定控制仪支持多机通讯，具有多种标准串行双向通讯功能，可 选择多种通讯方式，如RS-232、RS-485、RS-422等，通讯波特率3009600bps仪表内部参数自由设定。可与各种带串行输入输出的设 备（如电脑、可编程控制器、PLC等）进行通讯，构成管理系统。,参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法很多，概括起来

33、有两大类：一是理论计算整定 法。它主要是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用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整 定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减 法。三种方法各有其特点，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。现在一般采用的是临界比例法。 利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。,谢谢大家,