单回路控制系统的PID调节

自动控制仿真调试材料李 军山东电力研究院热控所2010-7-29单回路控制系统的PID调节一、自动控制系统简介 (1)自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象的被控量自动地按预先给定的规律去进行。(2)自动控制系统：是由起控制作用的自动控制装置和被控制器控制的生产设备通过信号的传递、联系所构成的系统。简言之，就是指被控对象和控制装置的总体。 被控对象自动控制系统 测量单元 控制设备（控制器） 控制单元 执行单元在一般情况下，被控对象的动态特性是不便于人为地加以改变的。为了得到满意的控制过程，总是根据被控对象的动态特性选择合适控制器的控制规律。单回路控制系统方框图的一般形式如下图所示，它是由被控对象、执行器、调节器（控制器）和测量变送器组成一个单闭环控制系统。二、三种基本控制作用：P、I、D （一）比例控制作用 定义：比例控制作用是指控制器的输出与输入成比例关系。 动态方程式 (t)执行机构位移 e(t)给定值与被控量的偏差，e(t)=g-y(t)Kp比例系数或比例增益 比例带Kp越小，即越大，控制器的动作幅度越小，控制过程越稳定，但被控量的静态偏差越大；反之，Kp越大，即越小，动作幅度越大，静态偏差减小，但控制过程容易出现震荡，稳定性差。用传递函数表示为 e(t)t 1t(t) Kp 动作规律：Kp固定时，偏差愈大，执行机构输出位移(t)也愈大；偏差e(t)的变化速度d e(t)/dt愈大，执行机构输出位移的速度d(t) /dt也愈大控制特点：优点：动作速度快，对于干扰有及时和很强的控制作用；缺点：存在静态偏差，是有差调节，对于大多数惯性环节，Kp过大，会引起自激振荡。因此对于扰动较大，且惯性也较大的系统，很难兼顾动态和静态特性。（二）积分控制作用定义：积分控制作用是指执行机构的位移量的变化速度d(t) /dt与偏差信号e(t)成比例的作用。动态方程式 Ti积分时间常数（Ti在分母上。Ti表示积分速度的快慢，Ti越大，积分速度越慢，积分作用越弱；反之，Ti越小，积分作用越快，积分作用越强）用传递函数表示为 若e(t)为单位阶跃响应， （为一斜坡函数）e(t)t1Ti(t) 从上图可以看出，输出(t)经过Ti时间才达到与输入值大小相等，延迟了Ti个时间。动作规律：只要被控对象的被控量不等于给定值（即偏差e存在），那么执行机构就会不停动作，而且偏差e的数值越大，执行机构的移动速度d(t) /dt就越大，只有e0时，即偏差消失时，执行机构才停止动作。控制特点：优点：控制过程结束时，被控量一定是无差的，引用积分作用可消除被控量的偏差；缺点：积分作用是随时间而逐渐加强的，与比例作用相比过于迟缓，有延迟，输出对输入的反映是有“滞后”的，使控制不及时；同时由于误差调节的变化总是落后于误差的变化，因此会使控制过程变得振荡，甚至不稳定。（三）微分控制作用定义：指执行机构的位移量(t)与被控量的偏差e(t)的变化率成正比的作用。动态方程式 Td积分时间常数用传递函数表示为 1、 若e(t)为单位阶跃，则由于阶跃信号在t=0时刻有一个阶跃，其他时刻均不变化所以微分环节对阶跃信号的响应只在t=0时产生一个响应脉冲。te(t)t(t)Td 1 2、 若e(t)为匀速变化输入（起始点不为零的斜坡函数），则由 e(t)t 可得 t(t)Td 响应过程一开始，(t)就达到并保持为Td的数值，而e(t)需经过Td的时间才能上升到Td的数值。动作规律：在控制过程刚开始时，被控量的偏差很小，但其变化速度却很大，可预见偏差变化的趋势，使执行机构产生一个较大的位移，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。控制特点： 优点：与比例和积分控制作用相比，具有起始超前和加强控制的作用，能有效减少控制过程的动态偏差。缺点：当控制结束，即偏差e的变化速度等于0时，微分作用的输出也将为0，即执行机构的位置最后总是恢复到原来的数值，这就不能适应负荷的变化，不能满足控制的需要。（只有单纯微分作用的控制器是不能使用的，它只是控制器控制作用的一个组成部分。）（四）三种控制作用的比较 曲线1是配比例控制器的控制过程。由于比例控制规律具有控制及时的特点 ，所以控制过程时间较曲线2短，动态偏差也较小，因此控制过程结束存在静态偏差。通过减小控制器的比例系数可减小静态偏差，但会使系统的稳定性下降。曲线3是配比例积分控制器的控制过程。由于积分控制规律能消除静态偏差，所以控制作用能最终消除扰动对被调量的影响，实现无差控制。然而积分作用的控制不及时，又使控制过程的动态偏差加大，过渡过程时间加长（与曲线1相比），相对而言系统的稳定性下降。因此，积分作用引入到比例控制器后，控制器的比例带应适当加大（减少Kp），以弥补积分作用对控制过程稳定性的影响。曲线5是配比例积分微分控制器的控制过程。微分控制是一种超前控制方式，其实质是阻止被控量的一切变化。适当的微分作用可收到减小动态偏差，缩短控制过程时间的效果，这样在采用比例积分微分控制器时，又可适当减小比例带和积分时间。三、三种基本控制作用小结优 点缺 点比例作用动作速度快，能使控制过程趋于稳定单独使用时，产生静态偏差积分作用能使被控量无静态偏差单独使用时，会使控制过程变得振荡，甚至不稳定微分作用能有效的减少动态偏差不能单独使用比例控制作用是最基本的控制作用，而积分和微分作用为辅助控制作用。比例作用贯彻于整个控制过程之中，积分作用则体现在控制过程的后期，用以消除静态偏差，微分作用则体现在控制过程的初期。四、PID的整定口诀参数整定找最佳， 从小到大顺序查。先是比例后积分， 最后再把微分加。曲线振荡很频繁， 比例度盘要放大。曲线漂浮绕大弯， 比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢， 积分时间往下降。曲线波动周期长， 积分时间再加长。曲线振