《ID调节原理》ppt课件

1、第第4章章 PID调理调理原理原理v41 PID根本概念根本概念PID控制是比例积分微分控制。控制是比例积分微分控制。 历史最久、生命力最强的控制方式。历史最久、生命力最强的控制方式。 具有以下优点具有以下优点: 原理简单，运用方便。原理简单，运用方便。 顺应性强顺应性强. 鲁棒性强鲁棒性强. 控制质量对被控对象特性的变化不大敏感。控制质量对被控对象特性的变化不大敏感。 PID控制是一种负反响控制。控制是一种负反响控制。 v在反响控制系统中，自动调理器和被控对象构成一个闭合回路。 在衔接成闭合回路时，能够出现两种情况： 正反响和负反响. v正反响作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，导致控制系

2、统不稳定. v负反响作用那么缓解对象中的不平衡，正确地到达自动控制的目的。 45v4.2 消费过程的动态特性消费过程的动态特性v 过程控制系统在运转中有两种形状。过程控制系统在运转中有两种形状。 v稳态稳态: 系统没有遭到干扰，设定值坚持不变，被调量也不系统没有遭到干扰，设定值坚持不变，被调量也不随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。v动态动态: 当系统遭到外来干扰的影响或者在改动了设定值后，当系统遭到外来干扰的影响或者在改动了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化，尤其是被

3、调量也将偏离原稳出量都相继发生变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态。态值而随时间变化，这时就称系统处于动态。 经过一段调整时间后，假设系统是稳定的，被调量经过一段调整时间后，假设系统是稳定的，被调量将会重新到达新设定值或其附近，系统又恢复稳定将会重新到达新设定值或其附近，系统又恢复稳定平衡工况。平衡工况。 v过渡过程: 从一个稳态到达另一个稳态的历程。 评价控制系统的性能目的: 稳定性、准确性和快速性。 v实现消费过程自动化， 由工艺工程师提出被控对象的控制要求。 控制工程师的义务那么是设计出合理的控制系统以满足这些要求。 工业过程动态特性的特点 1 对象的动态

4、特性是不振荡的 阶跃呼应是单调曲线，被调量的变化比较缓慢。 工业对象的幅频特性M()和相频特性()，随着频率的增高都向下倾斜. 9v2对象动态特性有迟延 由于迟延的存在，调理阀动作的效果往往需求经过一段迟延时间后才会在被调量上表现出来。 迟延的主要来源是多个容积的存在，容积愈大或数目愈多，容积迟延时间愈长。 有些被控对象还具有传输迟延。 v3被控对象本身是稳定的 被控对象，当调理阀开度改动致使原来的物质或能量平衡关系遭到破坏后，随着被调量的变化不平衡量愈来愈小，因此被调量可以自动地稳定在新的程度上。这种特性称为自平衡，具有这种特性的被控对象称为自衡过程。 v 自平衡才干的大小用对象静态增益K的

5、倒数衡量，称为自平衡率，自平衡率 K1v也有一些被控对象，当调理阀开度改动致使物质或能量平衡关系破坏后，不平衡量不因被调量的变化而改动，因此被调量将以固定的速度不断变化下去而不会自动地在新的程度上恢复平衡。这种对象不具有自平衡特性，称为非自衡过程。 v 不稳定的过程是指原来的平衡一旦被破坏后，被调量在很短的时间内就发生很大的变化。 13自平衡过程1)(TsKeGss非自平衡过程TsKeGss)( T称为过程的时间常数， 是纯迟延时间。 单纯由迟延构成的过程是很难控制的,而单容过程，自衡的单容过程那么极易控制 17v输入、输出量用相对值表示，阀门开度以全行程的百分数表示，被调量那么以相对于丈量仪

6、表全量程的百分数表示。 经过一段迟延时间后，被调量开场以某个速度变化，这个起始速度称为呼应速度，以表示，有 v (适用于自平衡过程)TKv4被控对象具有非线性特性 换热器热量平衡方程： )(12TTQcHDQpsh20v以蒸汽流量为调理量，物料出口温度为被调量，列管式换热器温度对象的增益为 QcHdDTdKps2QcHDTTps12v换热器温度对象增益与其负荷成反比。 中和反响器是另一个典型的变增益对象。 被调量为生成物的PH值，调理量为中和用的酸液摩尔数。在pH=7附近，对象增益极高，在远离此点的大范围内，其数值减小。 非线性特性给控制带来极大的困难。 23v单容水槽的动态方程为一阶非线性微

7、分方程，即 v线形化单容水槽动态方程为v 其中水阻为kHkdtdHFkRHdtHdRFkHR02v在任务点H0附近才可近似为常数。 当负荷变化时水槽任务点随之改动，而负载阀在不同任务点上的水阻R不同。 对象的增益和时间常数均呈现非线性。 对象内部的延续非线性特性。 v在控制系统中还存有另一类非线性，如调理阀、继电器等元件的饱和、死区和滞环等典型的非线性特性。 v在过程控制工程中，把被控对象、丈量变送单元和调理阀三部分串联在一同统称为广义对象，因此它包含了这部分非线性特性。 v对于被控对象的非线性特性，假设控制精度要求不高或者负荷变化不大，那么可用线性化方法进展处置。 假设非线性不可忽略时，必需

8、采用其它方法，例如分段线性的方法、非线性补偿器的方法或者利用非线性控制实际来进展系统的分析和设计。 4.3 比例调理比例调理(P调理调理) 一、比例调理的动作规律，比例带一、比例调理的动作规律，比例带 在在P调理中，调理器的输出信号调理中，调理器的输出信号u与偏向信号与偏向信号e成成比例，比例， 即即 kc称为比例增益称为比例增益 ekucv当偏向e为零因此u0时，并不意味着调理器没有输出，它只阐明此时有uu0. 在过程控制中习惯用增益的倒数表示 调理器输入与输出之间的比例关系：eu1v二、比例调理的特点，有差调理二、比例调理的特点，有差调理比例调理的显著特点就是有差调理比例调理的显著特点就是

9、有差调理 32v三、比例带对于调理过程的影响三、比例带对于调理过程的影响比例调理的残差随着比例带的加大而加大。比例调理的残差随着比例带的加大而加大。 从这一方面思索，希望尽量减小比例带。从这一方面思索，希望尽量减小比例带。 减小比例带就等于加大调理系统的开环增益，减小比例带就等于加大调理系统的开环增益，其后果是导致系统猛烈振荡甚至不稳定。稳其后果是导致系统猛烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必需保证系统具有一定的稳定裕度。带的设置必需保证系统具有一定的稳定裕度。 34v很大意味着调理阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳

10、，甚至可以没有超调，但残差很大，调理时间也很长。减小就加大了调理阀的动作幅度， 引起被调量来回动摇，但系统仍能够是稳定的，残差相应减小。具有一个临界值，系统处于稳定边境的情况，进一步减小系统就不稳定了； 的临界值cr可以经过实验测定出来：假设被调对象的数学模型知，根据控制实际计算出来。 v比例调理的特点： 1比例调理的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系。即：u=Ke 2比例调理反响速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。 3比例调理的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生静差。 v4.4 积分调理积分调理I调理调理)一、积分调理动作规律一、积分调理动作规律 调理器的输出信号的

11、变化速度调理器的输出信号的变化速度dudt与偏向与偏向信号信号e成正比成正比. 二、积分调理的特点，无差调理二、积分调理的特点，无差调理积分调理的特点是无差调理，当被调量偏向积分调理的特点是无差调理，当被调量偏向e为零时，积分调理器的输出会坚持不变。为零时，积分调理器的输出会坚持不变。 调理器的输出可以停在任何数值上。调理器的输出可以停在任何数值上。 v被控对象在负荷扰动下的调理过程终了后，被调量没有残差，而调理阀那么可以停在新的负荷所要求的开度上。 v采用积分调理的控制系统，其调理阀开度与当时被调量的数值本身没有直接关系，积分调理也称为浮动调理。 积分调理的另一特点是它的稳定作用比P调理差。

12、 采用积分调理不能够得到稳定的系统。 v三、积分速度对于调理过程的影响三、积分速度对于调理过程的影响采用积分调理时，控制系统的开环增益与积采用积分调理时，控制系统的开环增益与积分速度分速度S0成正比。成正比。 增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。直到最后出现发散的振荡过程。 41v由于S0愈大，那么调理阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡， 振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏向那么愈来愈小被调量最后都没有残差，这是积分调理的特点。 v积分调理的特性积分调理的特性调理器的输出变化量与输入偏向值随时间的调理器的输出变化量与输入偏

13、向值随时间的积分成正比，亦即输出的变化速度与输入偏积分成正比，亦即输出的变化速度与输入偏向成正比，向成正比， 对于积分调理器，输出变化量的大小，不仅对于积分调理器，输出变化量的大小，不仅决议于偏向的大小，而且取决于偏向存在的决议于偏向的大小，而且取决于偏向存在的时间长短。时间长短。 v调理效果与运用调理效果与运用积分速度积分常数的大小对调理过程积分速度积分常数的大小对调理过程影响较大。影响较大。 积分速度大，调理阀的速度加快，但系统积分速度大，调理阀的速度加快，但系统的稳定性降低，当积分速度大到超越某一的稳定性降低，当积分速度大到超越某一临界值时，整个系统变为不稳定。临界值时，整个系统变为不稳

14、定。 反之，减小积分速度，调理阀的速度减慢，反之，减小积分速度，调理阀的速度减慢，结果是系统的稳定性添加了，但调理速度结果是系统的稳定性添加了，但调理速度变慢，当积分常数小到某一临界值时，调变慢，当积分常数小到某一临界值时，调理过程变为非振荡过程。理过程变为非振荡过程。 v比例调理和积分调理的比较：比例调理和积分调理的比较： 积分调理可以消除静差。但对比例调理来积分调理可以消除静差。但对比例调理来说，当被调参数忽然出现较大的偏向时，说，当被调参数忽然出现较大的偏向时，调理器能立刻按比例地把调理阀的开度开调理器能立刻按比例地把调理阀的开度开得很大，但积分调理器就做不到这一点，得很大，但积分调理器

15、就做不到这一点，它需求一定的时间才干将调理阀的开度开它需求一定的时间才干将调理阀的开度开大或减小，因此，积分调理睬使调理过程大或减小，因此，积分调理睬使调理过程非常缓慢。非常缓慢。 46v一、比例积分调理的动作规律 积分调理可以消除静差,但有滞后景象，比例调理没有滞后景象，但存在静差。 PI调理就是综合P、I两种调理的优点， 利用P调理快速抵消干扰的影响，同时利用I调理消除残差。 v比例积分调理有比例调理，即将输入偏向信号立刻放大输出，又有积分调理作用，即输入偏向使调理器输出变化按时间逐渐积累从而消除静差。v它的调理规律为 tcedtSeku00)1(10tIedtTeu49v二二 比例积分调

16、理过程比例积分调理过程残差的消除是残差的消除是PI调理器积分动作的结果。调理器积分动作的结果。 积分部分的阀位输出使调理阀开度最终得积分部分的阀位输出使调理阀开度最终得以到达抵消扰动所需的位置。以到达抵消扰动所需的位置。 比例部分的阀位输出比例部分的阀位输出Up在调理过程的初始在调理过程的初始阶段起较大作用，但调理过程终了后又前阶段起较大作用，但调理过程终了后又前往到扰动发生前的数值。往到扰动发生前的数值。 vPI调理引入积分动作带来消除系统残差，却降低了原有系统的稳定性。 为坚持控制系统原来的衰减率，PI调理器比例带必需适当加大。PI调理在比例带不变的情况下，减小积分时间TI，将使控制系统稳

17、定性降低、振荡加剧、调理过程加快、振荡频率升高。 52v比例积分调理的特点： 具有比例调理作用反响快、无滞后的优点，可以加快调整作用，缩短调理时间，又具有积分调理的优点，可以消除静差。 对于普通调理对象，均可用比例积分调理，比例带和积分时间选择适宜，根本可以满足消费工艺要求。 v三、积分饱和景象与抗积分饱和的措施三、积分饱和景象与抗积分饱和的措施具有积分作用的调理器，只需被调量与设具有积分作用的调理器，只需被调量与设定值之间有偏向，其输出就会不停地变化。定值之间有偏向，其输出就会不停地变化。 假设由于某种缘由假设由于某种缘由(如阀门封锁、泵缺点等如阀门封锁、泵缺点等)，被调量偏向一时无法消除，

18、然而调理器还被调量偏向一时无法消除，然而调理器还是要试图校正这个偏向，结果经过一段时是要试图校正这个偏向，结果经过一段时间后，调理器输出将进入深度饱和形状，间后，调理器输出将进入深度饱和形状，这种景象称为积分饱和。这种景象称为积分饱和。 进入深度积分饱和的调理器，要等被调量偏向反向以后才渐渐从饱和形状中退出来，重新恢复控制造用。 气动调理器的积分动作是经过一阶惯性环节的正反响实现的。调理器的输出 FsTEkUsIscs)()(1156v这为比例积分调理的动作规律 抗积分饱和的措施 一是接入外部积分反响,假设在正反响回路中参与一个间隙单元. 58v调理器的输出输入关系将成为调理器的输出输入关系将

19、成为第二项为常数，调理器切换为比例作用，防止积第二项为常数，调理器切换为比例作用，防止积分饱和景象。分饱和景象。 UsTEkUsIscs)( 0)(11v另一种方法是由调理器内部实现另一种方法是由调理器内部实现PI P调理动作的自动切换，调理动作的自动切换，EK系列调理系列调理器。器。 61比例积分 比较 开关开关 v开关S断开时，电路进展正常的比例积分运算。 如输入一个负的阶跃电压-Ei， 输出电压Eo变化为. 63v 比例积分微分调理比例积分微分调理(PID 调理调理)一、微分调理的特点一、微分调理的特点 P和和I是根据曾经构成的被调参数与给定值之是根据曾经构成的被调参数与给定值之偏向而动

20、作的偏向而动作的.(即偏向的方向和大小进展调理即偏向的方向和大小进展调理的的). v假设调理器可以根据被调量的变化速度来挪动调理阀. 而不要等到被调量曾经出现较大偏向后才开场动作，那么调理的效果将会更好，等于赋予调理器以某种程度的预见性，这种调理动作称为微分调理。 微分调理是根据偏向信号的微分,即偏向变化的速度而动作的. v微分调理就是根据偏向变化速度而进展调理的.只需偏向一露头,调理器就立刻动作,这样的调理效果更好.偏向没有变化,微分调理不起作用.微分调理主要用于抑制调理对象有较大的传送滞后和容量滞后. v微分调理器的输出与被调量或其偏向对于时间的导数成正比，即与输入偏向速度成正比. 67v

21、调理器在t=t0时辰，输入阶跃偏向e，偏向的变化速度为： 调理器的输出立刻又回到零，理想的微分调理特性曲线为一垂直直线。调理器的输出立刻又回到零，理想的微分调理特性调理器的输出立刻又回到零，理想的微分调理特性 曲线为一垂直直线。曲线为一垂直直线。dtdev单纯按上述规律动作的调理器是不能任务的。 微分调理只能起辅助的调理作用，与其它调理动作结合成PD和PID调理动作。 v二、比例微分调理规律二、比例微分调理规律 v PD调理器的动作规律是调理器的动作规律是 v v ( 为比例带，为比例带，TD为微分时间为微分时间 )按照上式，按照上式，PD调理器的传送函数应为调理器的传送函数应为dtdesek

22、uc2)(1dtdeTeuD)1(1)(sTGDscv工业上实践采用的PD调理器的传送函数是111)(sKTsTGDDDsc 72v根据PD调理器的斜坡呼应也可以单独测定它的微分时间TD，v假设TD = 0即没有微分动作，那么输出u将按虚线变化。微分动作的引入使输出的变化提早一段时间发生，而这段时间就等于TD。 PD调理器有导前作用，其导前时间即是微分时间TD。 v三、比例微分调理的特点三、比例微分调理的特点在稳态下，在稳态下，dedt0，PD调理器的微分部分输出调理器的微分部分输出为零，因此为零，因此PD调理也是有差调理，与调理也是有差调理，与P调理一样。调理一样。 微分调理动作总是力图抑制

23、被调量的振荡，它有提微分调理动作总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用。高控制系统稳定性的作用。 适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带，适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带， 同时坚持衰减率不变。同时坚持衰减率不变。 75v适度引入微分动作后，可以采用较小的比例带，减小了残差，减小了短期最大偏向和提高了振荡频率。 微分调理动作也有一些不利之处。 微分动作太强容易导致调理阀开度向两端饱和， 在PD调理中总是以比例动作为主， 微分动作只能起辅助调理作用。 vPD调理器的抗干扰才干很差，这只能运用于被调量的变化非常平稳的过程，普通不用于流量和液位控制系统。 微分调理动作对于纯迟延过程是无效的。 v引入微分动作要适度。在大多数PD控制系统随着微分时间Td增大，其稳定性提高，但某些特殊系统也有例外，当TD超出某一上限值后，系统反而变得不稳定了。 794.5 PID调理规律调理规律v比例带、积分时间、微分时间这三个特征参数表示比例积分微分的调理特性