过程控制系统4-1

1、 PID PID Propotional-Intigrate-Differential Propotional-Intigrate-Differential 一一 优点优点： 1 1、原理简单，使用方便、原理简单，使用方便 2 2、适应性强，适应于化工、热工、冶金、炼、适应性强，适应于化工、热工、冶金、炼 油以及造纸、建材等生产部门油以及造纸、建材等生产部门 3 3、鲁棒性强。、鲁棒性强。 PID控制是一种控制是一种负反馈负反馈控制。控制。 闭环控制两种控制情况：闭环控制两种控制情况： 负反馈：缓解对象出现的不平衡负反馈：缓解对象出现的不平衡 正反馈：加剧被控对象的不平衡正反馈：加剧被控对象的

2、不平衡 工业过程控制中的工业过程控制中的定值定值控制，要求闭环控制实现控制，要求闭环控制实现 的是的是负反馈负反馈。 PID的正反作用的正反作用 调节器调节器正作用正作用：指调节器的输出信号：指调节器的输出信号u随着被调量随着被调量 y的增大而增大的增大而增大 调节器调节器反作用反作用：指调节器的输出信号：指调节器的输出信号u随着被调量随着被调量 y的增大而减小的增大而减小 PID的的 加热器加热器 控制器选用：反作用控制器选用：反作用 冷却器冷却器 控制器选用：正作用控制器选用：正作用 加热器/冷却器 燃料 冷却剂 水 控制器 气开式调节阀，气开式调节阀，Kv取取“+” 1. 对象的动态特性

3、是单调、不振荡对象的动态特性是单调、不振荡 2. 对象动态特性的延迟性和时间常数大对象动态特性的延迟性和时间常数大 3. 对象的动态特性具有纯时间滞后对象的动态特性具有纯时间滞后 4. 被控对象的自平衡与非自平衡特性被控对象的自平衡与非自平衡特性 5. 被控对象的动态特性往往具有非线性特征被控对象的动态特性往往具有非线性特征 4.3 PID调节原理 一、P 比例调节 P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即 u= Kc*e Kc比例增益，确定调节器的正反作用后确定正或负 过程控制中，习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出之 间的比例关系 u= e 称为比例带， 代表调节阀开度改变100

4、%，即从全关 到全开时所需要的被调量的变化范围。 超出此“比例带”，调节器已处于全关或全开的状态。 调节器暂时失控。 1 有差调节有差调节：采用比例调节，在负荷扰动下的调节：采用比例调节，在负荷扰动下的调节 过程结束后，被调量不可能与设定值绝对相等，过程结束后，被调量不可能与设定值绝对相等， 它们之间一定有残差它们之间一定有残差 水加热器的出口水温控制系统水加热器的出口水温控制系统 在这个控制系统中，热水温度在这个控制系统中，热水温度 是由传感器是由传感器T获取信号并送到调获取信号并送到调 节器节器C的，调节器控制加热蒸汽的，调节器控制加热蒸汽 的调节阀开度以保持出口水温恒的调节阀开度以保持出

5、口水温恒 定，加热器的热负荷既决定于热定，加热器的热负荷既决定于热 水流量水流量Q也决定于热水温度也决定于热水温度。 假定现在采用比例调节器，并将假定现在采用比例调节器，并将 调节阀开度调节阀开度直接视为调节器的输直接视为调节器的输 出。水温愈高，调节器应把调节出。水温愈高，调节器应把调节 阀开得愈小。阀开得愈小。 直线直线1:表示比例调节器的静特性表示比例调节器的静特性,即调节阀开度随水温变化的情况。水温越高，调节器即调节阀开度随水温变化的情况。水温越高，调节器 应该把调节阀开得越小，在图中是左高右低的直线，比例带越大，直线的斜率越大。应该把调节阀开得越小，在图中是左高右低的直线，比例带越大

6、，直线的斜率越大。 直线直线2和和3：在不同热水流量下的静特性，表示加热器在没有调节器控制时，在不同的：在不同热水流量下的静特性，表示加热器在没有调节器控制时，在不同的 热水流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系。热水流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系。 直线直线1和曲线和曲线2的交点的交点O代表热水流量代表热水流量Q0，这是最，这是最 终要达到的稳态运行点终要达到的稳态运行点 如果热水流量减少为如果热水流量减少为Q1，那么调节过程结，那么调节过程结 束后，新的稳态平衡点将移到直线束后，新的稳态平衡点将移到直线1和曲线和曲线 3的交点的交点A 于是出现残差：于是出现残差：A-A-0

7、 0 比例带对调节过程的影响比例带对调节过程的影响 比例调节的残差随比例带的加大而加大 比例带越大，开环增益越小 很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此 被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超 调，但残差很大，调节时间也很长。调，但残差很大，调节时间也很长。 减小减小就加大了调节阀的动作幅度，就加大了调节阀的动作幅度， 引起引起 被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的， 残差相应减小。残差相应减小。具有一个临界值，系统处具有一个临界值，系统处 于稳定边界的情况，进一步减小于稳定边界的情况，进

8、一步减小系统就不系统就不 稳定了。稳定了。 的临界值的临界值cr可以通过试验测定出来：如可以通过试验测定出来：如 果被调对象的数学模型已知，根据控制理果被调对象的数学模型已知，根据控制理 论计算出来。论计算出来。 比例带对调节过程的影响比例带对调节过程的影响 （1）比例调节的输出增量与输入增量呈一）比例调节的输出增量与输入增量呈一 一对应的比例关系。即：一对应的比例关系。即：u=Ke （2）比例调节反应速度快，输出与输入同）比例调节反应速度快，输出与输入同 步，没有时间滞后，其动态特性好。步，没有时间滞后，其动态特性好。 （3）比例调节的结果不能使被调参数完全）比例调节的结果不能使被调参数完全

9、 回到给定值，而产生残差。回到给定值，而产生残差。 比例带的一般选择原则比例带的一般选择原则 若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太 小，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的小，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的 灵敏度，使反应速度加快一些；灵敏度，使反应速度加快一些； 相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间 较大，则应当将比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。较大，则应当将比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。 比例带的选取，一般情况下，比例带的范

10、围大致如下：比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下： 压力调节：压力调节： 3070% 流量调节：流量调节： 40100% 液位调节：液位调节： 2080% 温度调节：温度调节： 2060% 在在I I调节中，调节器的输出信号的变化速度调节中，调节器的输出信号的变化速度 与偏差信与偏差信 号号 e e 成正比，即成正比，即 S So o积分速度积分速度 调节器的输出与偏差信号的积分成正比调节器的输出与偏差信号的积分成正比 积分调节的特点积分调节的特点: :无差调节无差调节 1.1.根据式子，只有当被调量偏差根据式子，只有当被调量偏差e e为零时，为零时，I I调节器调节器 的输出才会保

11、持不变。调节器的输出可以保持在的输出才会保持不变。调节器的输出可以保持在 任何一个数值上。任何一个数值上。 0 du S e dt du dt 积分速度对调节过程的影响 调节器的输出变化量与输入偏差值随时间调节器的输出变化量与输入偏差值随时间 的积分成正比，亦即输出的变化速度与输的积分成正比，亦即输出的变化速度与输 入偏差成正比。入偏差成正比。 对于积分调节器，输出变化量的大小，不对于积分调节器，输出变化量的大小，不 仅决定于偏差的大小，而且取决于偏差存仅决定于偏差的大小，而且取决于偏差存 在的时间长短。在的时间长短。 只要输入偏差存在，输出就一直在变化，只要输入偏差存在，输出就一直在变化，

12、只有输入偏差为零，输出才不再变化。只有输入偏差为零，输出才不再变化。 积分调节作用能自动消除静差。积分调节作用能自动消除静差。 对于同一偏差信号，积分常数越大，积分输出增对于同一偏差信号，积分常数越大，积分输出增 加得越快，表示积分调节作用越强；相反，积分加得越快，表示积分调节作用越强；相反，积分 常数越小，积分输出增加得越慢，表示积分调节常数越小，积分输出增加得越慢，表示积分调节 作用越弱；积分常数就表示了积分作用的大小。作用越弱；积分常数就表示了积分作用的大小。 积分常数的倒数叫积分时间，用积分常数的倒数叫积分时间，用Ti表示。表示。 积分调节的积分调节的显著特点显著特点是它们执行机构的位

13、置是是它们执行机构的位置是 “浮动浮动”的，也就是，它和被调量之间没有一一的，也就是，它和被调量之间没有一一 对应的关系，因此这就解脱了产生静差的原因。对应的关系，因此这就解脱了产生静差的原因。 只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就要动只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就要动 作到把被调量的静差完全消除为止，积分调节的作到把被调量的静差完全消除为止，积分调节的 特性就是特性就是无差调节无差调节。 三、D微分调节 在微分调节中，调节器的输出与被调量或其偏差对时间的在微分调节中，调节器的输出与被调量或其偏差对时间的 导数成正比，即导数成正比，即 微分调节可以根据被调量的变化速度来修正偏差，有一

14、定微分调节可以根据被调量的变化速度来修正偏差，有一定 的预见性。微分调节只能起辅助的调节作用。与其他调节的预见性。微分调节只能起辅助的调节作用。与其他调节 动作结合成动作结合成PDPD或或PIDPID调节动作调节动作 2 de uS dt PI 调节就是综合调节就是综合P、I两种调节的优点，利用两种调节的优点，利用 的影响，同时利用的影响，同时利用I调节消除残差调节消除残差。调节规律为：。调节规律为： 或或 PI调节器的调节器的如下图所示如下图所示 0 0 t c uK eSedt 0 11 () t I ueedt T e I e T 2 e I T 出水口水温调节系统PI调节过程分析 具有

15、积分作用的调节器，只具有积分作用的调节器，只 要被调量与设定值之间要被调量与设定值之间有偏有偏 差差，其，其输出就会不停地变化输出就会不停地变化。 如果由于某种原因如果由于某种原因( (如阀门关如阀门关 闭、泵故障等闭、泵故障等) )、被调量偏差、被调量偏差 一时无法消除，然而调节器一时无法消除，然而调节器 还是要试图校正这个偏差，还是要试图校正这个偏差， 结果经过一段时间后、调节结果经过一段时间后、调节 器输出将进入深度饱和状态，器输出将进入深度饱和状态， 这种现象称为积分饱和。进这种现象称为积分饱和。进 入深度积分饱和的调节器，入深度积分饱和的调节器， 要等被调量偏差反向以后才要等被调量偏

16、差反向以后才 慢慢从饱和状态中退出来，慢慢从饱和状态中退出来， 重新恢复控制作用。重新恢复控制作用。 水温控制系统的积分饱水温控制系统的积分饱 和和 PIPI调节器积分部分的输调节器积分部分的输 出在偏差长期存在时会出在偏差长期存在时会 超过输出额定值，引起超过输出额定值，引起 积分饱和积分饱和 正常情况下，f=u，则有 当uuh时，低选器选择f=ua 通过间隙单元切换比例作用，防 止积分饱和现象的出现。 )() 1 1 ()( 1 )(sE sT KsE sT sT KsU I c I I c 以上分析是在预置负荷以上分析是在预置负荷uqo，即，即无高值选择器无高值选择器Hs的情况。的情况。

17、 当调节器出现大偏差时，当调节器出现大偏差时，Ua会相当小，会相当小，uUh。因而，当偏差。因而，当偏差e减小时，减小时，u可以在零可以在零 以下持续很长的一段时间，其结果正好与积分饱和相反，使得被调量以下持续很长的一段时间，其结果正好与积分饱和相反，使得被调量极其缓慢地趋向极其缓慢地趋向 设定值设定值。 为避免这种情况出现，可以限制间隙单元中低值选择器为避免这种情况出现，可以限制间隙单元中低值选择器Ls的输入的输入Sh，使，使Sh不至于低不至于低 于于uq。其中。其中uq的值应为比例调节器的工作点的值应为比例调节器的工作点。此时如果偏差。此时如果偏差e回到零调节器的输出回到零调节器的输出 u

18、就等于就等于uq。 1- 纯纯PI调节，有积分饱和调节，有积分饱和 2- 有间隙单元，但有间隙单元，但uq=0 3- 有间隙单元，有间隙单元，uq不为不为0 由调节器内实行PI-P调节动作的自动切换 A1为比例积分运算放大器 Ah比例放大器 E0Eh 时，场效应管开关S断开 此时为正常PI调节 E0Eh时，Ah的输出使场效应管 开关s闭合，此时R1 C1 并联，R2 C2并联。且R1=R2 ，电路变为1：1 反向器，实施P调节 PD调节器的动作规律是 或 工业上实际采用PD调节器的传递函数为 PD调节器的单位阶跃响应 2c de uK eS dt 1 () D de ueT dt 11 ( )

19、 1 D c D D T s G s T s K 如果如果TD = 0即没有微分动作，那么输即没有微分动作，那么输 出出u将按虚线变化。微分动作的引入将按虚线变化。微分动作的引入 使输出的变化提前一段时间发生，而使输出的变化提前一段时间发生，而 这段时间就等于这段时间就等于TD。 PD调节器有导调节器有导 前作用，其导前时间即是微分时间前作用，其导前时间即是微分时间TD。 PID调节器的调节器的动作规律动作规律是是 PID调节器的调节器的传递函数传递函数为为 各种调节动作对应各种调节动作对应 的响应过程的响应过程 dt de Tedt T eu dt de SedtSeKu D t I t c 0 2 0 0 11 , 或 sT sT esG D I 11 )( （1）广义对象控制通道时间常数较大或容积延迟较大时，应引入微）广义对象控制通道时间常数较大或容积延迟较大时，应引入微 分动