PID控制原理与传递函数推导

PID控制是一种经典的反馈控制算法，由比例（P）、积分（I）和微分（D）三部分构成。这三部分分别对应不同的控制作用，通过结合来实现对系统的高效控制。

PID控制原理

PID控制器的输出是三个控制作用的叠加：  

 K_p （比例增益）：反映当前误差的重要性，直接与误差成比例。  
  **作用**：提高响应速度，但可能导致稳态误差。  

 K_i （积分增益）：通过累计误差来消除稳态误差。  
  **作用**：能够消除偏差，但可能导致超调和振荡。  

K_d （微分增益）：对误差变化率进行响应。  
作用：抑制快速变化的误差，改善动态性能，但对噪声敏感。

误差定义为期望值和实际值之差：

 
 

PID传递函数推导

在频域分析中，将时间域的PID公式转换为拉普拉斯域：  
1. 比例控制项：
   \[ K_p e(t) \to K_p E(s) \]

2. 积分控制项：
   \[ K_i \int_0^t e(\tau)d\tau \to K_i \frac{E(s)}{s} \]

3. 微分控制项：
   \[ K_d \frac{de(t)}{dt} \to K_d s E(s) \]

PID控制器的传递函数为：
\[ G_c(s) = K_p + K_i \frac{1}{s} + K_d s \]

将其统一表达为：
\[ G_c(s) = K_p + \frac{K_i}{s} + K_d s = \frac{K_d s^2 + K_p s + K_i}{s} \]

这就是经典PID控制器的传递函数。

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PID控制系统的总体传递函数

假设受控对象的传递函数为 \( G_p(s) \)，PID控制器的传递函数为 \( G_c(s) \)，则闭环系统的总体传递函数为：
\[ G(s) = \frac{G_c(s) G_p(s)}{1 + G_c(s) G_p(s)} \]

具体表现取决于：
- 被控对象 \( G_p(s) \) 的特性（如一阶、二阶或高阶系统）。
- PID控制器参数的调整 \( K_p, K_i, K_d \)。

通过频率特性或根轨迹分析，调整PID参数以满足系统性能要求（如快速性、稳定性和超调量）。

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总结
PID控制器通过比例、积分和微分的组合，实现了对系统的精确控制。  
- **比例**：快速响应，但可能有稳态误差。  
- **积分**：消除误差，但易引起超调和振荡。  
- **微分**：改善动态性能，但对噪声敏感。  
通过适当调整 \( K_p, K_i, K_d \)，可以实现系统稳定、高效的控制。

原文地址：https://blog.csdn.net/zkmrobot/article/details/143705399

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