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1、5.3 PID控制规律的实现,PID控制规律通常由其相应的校正装置来实现。校正装置的物理属性可以是电气的、机械的、液压的、气动的或者它们的组合形式。究竟选择哪种形式的校正装置为宜，在很大程度上取决于控制对象的性质。如果不存在发生火灾的危险，一般采用电气校正装置；在机械工业，经常采用机械、液压或者气动校正装置。本节重点介绍有源和无源电网络及机械网络PID控制规律的实现，并研究它们的结构形式和特点。,5.3 PID控制规律的实现,PD控制规律的实现PI控制规律的实现PID控制规律的实现小结,5.3.1 PD控制规律的实现,PD校正装置近似PD校正装置,5.3.1.1 PD校正装置,PD控制可用如图
2、所示的有源电网络来实现，由运算放大器、电阻和电容组成。该有源电网络的传递函数为此传递函数为典型的PD控制器传递函数，故该有源电网络可以作为PD校正装置。,5.3.1.2 近似PD校正装置,增加系统的开环增益可以提高系统的稳态精度和响应速度，但又会使相位裕量(或幅值裕量)减小，从而使系统的稳定性下降。为了既能提高系统的响应速度，又能保证系统的其它特性不变坏，就需要对系统进行相位超前校正，即采用近似PD校正装置。相位超前校正使输出相位超前于输入相位。,5.3.1.2 近似PD校正装置,如图所示为近似PD校正装置，其传递函数为,5.3.1.2 近似PD校正装置,取，则近似有 此即为理想的PD控制规律
3、。实际上 取值不能太大，否则衰减严重，一般取。因此，左图所示的电网络只能近似地实现PD控制，故又称为实用微分校正电路。,5.3.1.2 近似PD校正装置,根据近似PD校正装置的传递函数，可得其频率特性函数为近似PD校正装置的伯德图如左下图所示，其转角频率分别为 和。,5.3.1.2 近似PD校正装置,最大超前相位处的频率为此式表明，是频率特性的两个转折频率的几何中心。最大超前相位为 或者,5.3.1.2 近似PD校正装置,即由此可见，仅与 有关，越大，就越大，相位超前就越多，但是通过校正装置的信号幅值衰减也越严重。为了满足稳态精度的要求，保持系统有一定的开环增益，就必须提高系统的开环增益来补偿
4、。,5.3.1.2 近似PD校正装置,另外，在选择 时，还需要考虑系统高频噪声的问题。相位超前校正装置具有高通滤波的特性，值过大对抑制系统高频噪声不利。为了保持较高的系统信噪比，通常选择 较为适宜。,5.3.2 PI控制规律的实现,PI校正装置近似PI校正装置,5.3.2.1 PI校正装置,PI控制可用如图所示的有源电网络来实现。该有源电网络的传递函数为此传递函数为典型的PI控制器传递函数，故该有源电网络可以作为PI校正装置。,5.3.2.2 近似PI校正装置,系统的稳态误差取决于开环传递函数的型次和增益，为了减小稳态误差而又不影响稳定性和响应的快速性，只要加大低频段的增益即可。为此目的，采用
5、相位滞后校正环节，即近似PI校正装置，它使输出相位滞后于输入相位，对控制信号产生相移的作用。,5.3.2.2 近似PI校正装置,如图所示为近似PI校正装置，其传递函数为,5.3.2.2 近似PI校正装置,取，则近似有,5.3.2.2 近似PI校正装置,根据近似PI校正装置的传递函数，可得其频率特性函数为近似PI校正装置的伯德图如左下图所示，其转角频率分别为 和。,5.3.2.2 近似PI校正装置,最大超前相位处的频率为此式表明，是频率特性的两个转折频率的几何中心。最大滞后相位为,5.3.2.2 近似PI校正装置,即由此可见，仅与 有关，越大，相位滞后就越严重。应尽量使产生最大相位滞后相角的频率
6、 远离校正后系统的幅值穿越频率，否则会对系统产生不利影响，一般取,5.3.2.2 近似PI校正装置,相位滞后校正装置实质上是一个低通滤波器，对低频信号基本上无衰减作用，但是能削弱高频噪声。越大，抑制噪声的能力越强。通常选择 较为适宜。,5.3.3 PID控制规律的实现,PID校正装置近似PID校正装置,5.3.3.1 PID校正装置,PID控制可用如右图所示的有源电网络来实现。该有源电网络的传递函数为此传递函数为典型的PID控制器传递函数，故该有源电网络可以作为PID校正装置。,5.3.3.2 近似PID校正装置,超前校正的效果是使系统带宽增加，提高时间响应速率，但对稳态误差影响较小；滞后校正
7、可以提高稳态性能，但使系统带宽减小，对时间响应减慢。采用滞后-超前校正环节，即近似PID校正装置，则可以同时改善系统的瞬态响应和稳态精度。,5.3.3.2 近似PID校正装置,如图所示为近似PID校正装置，其传递函数为,5.3.3.2 近似PID校正装置,取，则近似有由此可见，这是滞后校正和超前校正的组合，等式右边第一项是超前校正装置的传递函数，第二项是滞后校正装置的传递函数。故近似PID校正装置又称为滞后超前校正装置。,5.3.3.2 近似PID校正装置,根据近似PID校正装置的传递函数，可得其频率特性函数为近似PID校正装置的伯德图如左下图所示。,5.3.3.2 近似PID校正装置,由图可
8、知：近似PID校正装置伯德图的前半段是相位滞后部分，由于具有使增益衰减的作用，所以允许在低频段提高增益，以改善系统的稳态性能。近似PID校正装置伯德图后半段是相位超前部分，故有提高相位的作用，能使相位裕量增大，幅值穿越频率加大，从而改善系统的动态性能。,5.3.4 小结,超前校正以其相位超前特性，产生校正作用；滞后校正则通过其高频衰减特性，获得校正效果。超前校正通常用来增大稳定裕量。超前校正比滞后校正需要更大的增益。滞后校正降低了系统在高频段的增益，但并不降低系统在低频段的增益。应用滞后-超前校正，可使低频增益增大，以改善系统的稳态性能，增大系统的带宽及稳定裕量。对于复杂的系统，需要采用其它形式的校正装置。,
