过控第六章PID控制器

1、主要内容主要内容6.1 PID控制原理6.2 PID控制参数的整定方法6.3 DDZ-III型PID控制器第六章 PID控制器设计及参数整定基本控制规律及特点基本控制规律及特点所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。差信号之间的关系。控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和内部人工设定的或外部输入的设定信号。设定信号内部人工设定的或外部输入的设定信号。设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号 e ，它，它是设定值信号是设定值信号 r 与测量信号与测量信号

2、 x 之差。之差。 y = f (e) e = r x 或或 e = x - r控制规律有断续控制和连续控制两类：控制规律有断续控制和连续控制两类：一、断续控制一、断续控制控制器输出断续信号，如双控制器输出断续信号，如双位控制、三位控制。位控制、三位控制。二、连续控制二、连续控制控制器输出连续信号，如比控制器输出连续信号，如比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。微分控制。双位控制双位控制双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。只有开和关两个极限位置，因

3、此又称开关控制。理想的双位控制器输出理想的双位控制器输出 y 与输入偏差与输入偏差 e 之间的之间的关系为关系为：e 0 0 （或（或e 0 0）时时= =ymaxyminye 0 0 0）时时理想的双位控制特性理想的双位控制特性ymaxyminey有中间区的双位控制特性有中间区的双位控制特性ymaxyminey 例例1：温度双位控制系统：温度双位控制系统： 温度低于给定值时，温控器输出高电平，继电温度低于给定值时，温控器输出高电平，继电器吸合，加热器通电加热；温度高于给定值时，温器吸合，加热器通电加热；温度高于给定值时，温控器输出低电平，继电器断开，加热器断电。控器输出低电平，继电器断开，加

4、热器断电。220V进水进水出水出水二位式控制器电路原理框图：二位式控制器电路原理框图：测量信号测量信号给定信号给定信号U0是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符号的正、负，输出只有两个位置，高电平或低电号的正、负，输出只有两个位置，高电平或低电平，可以当一个电子开关用。平，可以当一个电子开关用。有中间区的双位控制效果：有中间区的双位控制效果：被控温度在被控温度在T0 上下振荡，无法稳定。上下振荡，无法稳定。理想双位控制效果：理想双位控制效果：tyTT0ttyTT0t三位控制：三位控制： 控制器有三个输出位值，可以控制两个继电器。控制器有三个输出位值，可以控

5、制两个继电器。ymaxymineye2e1测量信号测量信号给定给定1U01U02给定给定2三位控制器电路原理框图：三位控制器电路原理框图： 例例2：温度三位控制系统：温度三位控制系统 温度低于温度低于T1时，温控器使继电器时，温控器使继电器1、2都吸合，都吸合，加热器加热器1、2都通电加热；温度高于都通电加热；温度高于T1低于低于T2时，温时，温控器使继电器控器使继电器1吸合、继电器吸合、继电器2断开，只有加热器断开，只有加热器1通通电；温度高于电；温度高于T2时，继电器时，继电器1、2都断开。都断开。J1J2T2T1122220V进水进水出水出水 温度三位控制效果：温度偏差大时，升温速度温度

6、三位控制效果：温度偏差大时，升温速度快；温度偏差小时，小幅调整。快；温度偏差小时，小幅调整。tyTT2T1t要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器。连续变化的调节器。6.1 PID控制原理PID :Proportional-Integral-Derivative(比例积分微分) 本质上是一种负反馈控制，特别适用于过程的动态性能良好而且控制性能要求不太高的情况。6.1 PID控制原理-比例控制控制器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系 0c)()(uteKtu=比例增益 控制器输出信号的起始值 )()(cteKtu=增量形式 浮球为水位传感

7、器，杠杆为控制器，活塞阀为浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使球带动活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。 如果如果e = 0，则活塞，则活塞无法提高，无法提高，Q1 无法加无法加大，调节无法进行。大，调节无法进行。例：自力式液位比例控制系统：例：自力式液位比例控制系统：比例控制过程比例控制过程Q2htepQ1tttt 原来系统处于平衡，原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。时进水阀有一开度。 t=0时，出水量阶跃增时，出

8、水量阶跃增加，引起液位下降，浮球加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。衡，液位也不再变化。 6.1 PID控制原理-比例控制%1001c=K比例带：调节阀开度改变100%（即对于气开型调节阀从全关到全开）时所需要的系统被控量的允许变化范围。 比例增益习惯上使用比例带表示比例控制作用的强弱。 在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度P来表来表示比例控制作用的强弱。示比例控制作用的强弱。所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值所谓比例度

9、就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。 式中式中e为输入偏差；为输入偏差；y为控制器输出的变化量；为控制器输出的变化量；（xmax - xmin）为测量输入的最大变化量，即控制器）为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；（的输入量程；（ymax ymin）为输出的最大变化量，）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。即控制器的输出量程。如果控制器输入、输出量程相等，则如果控制器输入、输出量程相等，则: 比例度比例度:yxxrxmaxxminyminymax比例度除了表比例度除了表示控制器输入和输示控制器输入和输出

10、之间的增益外，出之间的增益外，还表明比例作用的还表明比例作用的有效区间。有效区间。比例度比例度P的物理意义：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变时，所对应的偏差变化相对量。如化相对量。如P=50%表明：表明： 控制器输入偏差控制器输入偏差变化变化50% ，就可使控，就可使控制器输出变化制器输出变化100%，若输入偏差变化超过若输入偏差变化超过此量，则控制器输出此量，则控制器输出饱和，不再符合比例饱和，不再符合比例关系。关系。yxxr0100%50%xmaxxminP=50%P=100%例例 某比例控制器，温度控制范围为某比例控制器，温度控制范围为400800，

11、输出信号范围是输出信号范围是420mA。当指示指针从。当指示指针从600变变到到700时，控制器相应的输出从时，控制器相应的输出从8mA变为变为16mA。求设定的比例度。求设定的比例度。解解答答 温度的偏差在输入量程的温度的偏差在输入量程的50区间内区间内（即（即200）时，）时，e和和y是是2倍的关系。倍的关系。y/mAx/ e420800400P=50%6.1 PID控制原理-比例控制特特 点点（1）有差调节： -只有当偏差e不为零时，控制器才会有输出 -利用偏差实现控制 -只能使系统被控量输出近似跟踪给定值。6.1 PID控制原理-比例控制特特 点点（2）比例控制的稳态误差随比例带的增大

12、而增大 增大比例增益Kc，会使系统振荡加剧，稳定性变差，但是可以减小系统的稳态误差，加快系统的响应速度。 6.1 PID控制原理-比例控制特特 点点（3）定值控制系统：实现被控量对给定值的有差跟踪。 随动控制系统：跟踪误差会随时间的增大而增大。 适用于控制通道滞后小，负荷变化不大，控制要求不高，被控参数在一定范围内允许有余差的定值控制场合。00Id)()(ueStut=6.1 PID控制原理-积分控制控制器的输出信号u与输入偏差信号e的积分成比例关系 积分速度控制器输出信号的起始值 00Id)(T1)(uetut=积分时间q积分作用具有保持功能积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差，故积

13、分控制可以消除余差。q积分输出信号随着时间积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。故积分作用不单独使用。当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。eEtty6.1 PID控制原理-积分控制特特 点点（1）一种无差调节，提高系统的稳态控制精度。（2）使系统的相频特性滞后90o，造成控制作用不及时，使系统的动态品质变差，过渡过程比较缓慢。可见，积分控制是牺牲了动态品质来换取稳态性能的改善。（3）增大积分速度可以在一定程度上提

14、高系统的响应速度，但却会加剧系统的不稳定程度，使系统振荡加剧。 00Iccd)()()(ueTKetKtut=比例环节积分环节6.1 PID控制原理-比例积分控制增量形式 =tteTeeTKetKtu0I0Iccd)(11d)()()(传递函数 =sTsTKsEsUsGIIcc11111)()()(积分时间常数 若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差能消除余差 。 （eEtty6.1 PID控制原理-积分控制特特 点点（1）PI控制结合P控制的快速反应与I控制的消除稳态误差。 粗调：偏差出现时，比例作用迅速反应输入的变化； 细调：积分作用使输

15、出逐渐增加，最终消除稳态误差。（2）由于积分环节的存在，系统的相频特性存在相位滞后， 造成系统的稳定性和动态品质变差。 6.1 PID控制原理-积分控制特特 点点（3）比例增益随偏差的时间进程而不断变化的比例作用。 6.1 PID控制原理-积分控制特特 点点（4）存在积分饱和现象 一般采用接入外部积分反馈或在控制内自行切换PI-P控制方式等方法来防止积分饱和。 0Dd)(d)(utteStu=6.1 PID控制原理-微分控制控制器的输出信号u与输入偏差信号e对时间的导数比例关系 ttOeOe=A根据变化趋势提前动作。单纯的微分控制器是不能工作的，只能起辅助调节作用。q 微分作用能超前控制。微分

16、作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。芽状态之中。q微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和必须和P或或PI结合，组成结合，组成PD控制或控制或PID控制。控制。v 微分控制的特点微分控制的特点eEtty0Dccd)(d)()(utteTKteKtu=比例环节微分环节6.1 PID控制原理-比例微分控制增量形式 传递函数 微分时间

17、常数 =tteTtetteTKteKtud)(d)(1d)(d)()(DDcc)1 (1)1 ()()()(DDccsTsTKsEsUsG=111)()()(DDDc=sKTsTsEsUsG微分增益，取5-10 eAttyty 理想微分作用持续时间理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作一般使用实际的比例微分作用。用。 决定微分作用的强弱有2个因素： 1) 起始跳变幅度，用微分增益KD来衡量， 2) 衰减时间长短，用微分时间TD来衡量。 输出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越强。 微分时间TD越大，微分作用越强。 微分增益KD是固定不变的，

18、只与控制器的类型有关。 反微分控制器运用于噪音较大的系统，起滤波作用。6.1 PID控制原理-比例微分控制特特 点点（1）有差调节。 在稳态时，微分部分已不起作用，PD控制变成P控制。（2）微分环节的超前相位，提高了系统的稳定裕度，有利于 系统稳定性的提高，抑制过渡过程的动态偏差。（3）有利于减小系统稳态误差，提高系统的响应速度。6.1 PID控制原理-比例微分控制特特 点点6.1 PID控制原理-比例微分控制（4）微分时间常数过大，微分作用太强，会导致输出控制作用过大，使调节阀频繁开启，容易造成系统振荡。 0D0Icd)(dd )()()(utteStteSteKtut=比例环节积分环节微分

19、环节6.1 PID控制原理-比例积分微分控制增量形式 传递函数 tteTKtteTKteKtutd)(dd )()()(Dc0Icc=sTsTsEsUsGDIc111)()()(6.1 PID控制原理-比例微分控制特特 点点与PD相比，PID提高了系统的无差度；与PI相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。PID兼顾了静态和动态控制要求。 q PID控制作用中，控制作用中，比例作用是基础控制；比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用统控制速度；积分作用是用于消除静差。是用于消除静差。ettyq将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，将比例

20、、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。能消除余差，可得到满意的控制效果。1）广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，引入微分调节。若工艺容许有静差，可选用PD调节；若工艺要求无静差，可选用PID调节。2）广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差时，可以选择P调节。3）广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许无静差时，可以选用PI调节。4）广义过程控制通道时间常数很大、且纯时延较大、负荷变化剧烈时，不宜采用PID控制。6.1 PI

21、D控制原理-算法选择原则5）广义过程的传递函数表示为如下形式时则可根据0/T0的比值来选择调节规律。0/T00.2，选用P或PI调节规律。0.20/T01.0，PID不能满足控制要求。6.1 PID控制原理-算法选择原则sesTKsGo1)(ooo=调节规调节规律律优优 点点缺缺 点点应应 用用P灵敏、简单，只有一灵敏、简单，只有一个整定参数；个整定参数；存在静差存在静差负荷变化不显著，工艺指标负荷变化不显著，工艺指标要求不高的对象。要求不高的对象。PI能消除静差，又控制能消除静差，又控制灵敏灵敏对于滞后较大的对象，对于滞后较大的对象，比例积分调节太慢，效比例积分调节太慢，效果不好。果不好。应

22、用于调节通道容量滞后较应用于调节通道容量滞后较小、负荷变化不大、精度要小、负荷变化不大、精度要求高的调节系统。例如，流求高的调节系统。例如，流量调节系统。量调节系统。PD增进调节系统的稳定增进调节系统的稳定度，可调小比例度，度，可调小比例度，而加快调节过程，减而加快调节过程，减小动态偏差和静差小动态偏差和静差系统对高频干扰特别敏系统对高频干扰特别敏感，系统输出易夹杂高感，系统输出易夹杂高频干扰。频干扰。应用于调节通道容量滞后较应用于调节通道容量滞后较大，但调节精度要求不高的大，但调节精度要求不高的对象。对象。PID综合了各类调节作用综合了各类调节作用的优点，所以有更高的优点，所以有更高的调节质

23、量。的调节质量。对于滞后很大，负荷变对于滞后很大，负荷变化很大的对象，化很大的对象，PID调调节也无法满足要求，应节也无法满足要求，应设计复杂调节系统设计复杂调节系统应用于调节通道容量滞后较应用于调节通道容量滞后较大、负荷变化较大、精度要大、负荷变化较大、精度要求高的对象。求高的对象。6.2 PID控制参数的整定方法在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量

24、。整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。确定调节器的比例度、积分时间TI和微分时间TD。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性 相匹配，以改变系统的动态和静态指标，争取最佳控制效果。 控制指标：系统瞬态响应=0.75-0.9（衰减比n=4:1-10:1）6.2 PID控制参数的整定方法-概念6.2 PID控制参数的整定方法-概念最佳整定参数，在某种评价指标下，系统达到最最佳整定参数，在某种评价指标下，系统达到最佳控制状态时，调节器的调节规律所对应的一组参数佳控制状态时，调节器的调节规律所对应的一组参数值。值。对于单回路控制系统，较为通用的标准是对于单回路控制系统，较为通用的标准

25、是“典型典型最佳调节过程最佳调节过程”，即控制系统在阶跃扰动作用下，被，即控制系统在阶跃扰动作用下，被控参数的过渡过程呈控参数的过渡过程呈4:1（或（或10:1）的衰减振荡过程。）的衰减振荡过程。在这个前提下，尽量满足准确性和快速性要求，即绝在这个前提下，尽量满足准确性和快速性要求，即绝对误差时间积分最小。这样的系统具有适当的稳定性对误差时间积分最小。这样的系统具有适当的稳定性、快速性，又便于人工操作管理。、快速性，又便于人工操作管理。被控过程的特点及其控制器参数范围 6.2 PID控制参数的整定方法-原则项目时滞容量数周期噪声比例带积分作用微分作用流量液体压力无多容量110s有100500%

26、50200%重要不用气体压力无单容量0无05%不必要不必要液位无单容量110s有550%少用不用温度蒸汽压力变动36minh无10100%用重要成分恒定1100minh存在1001000%重要可用对数频率特性法 根轨迹法理论计算整定方法经验法 衰减曲线法 临界比例度法响应曲线法工程整定法需要知道数学模型需要知道数学模型不需要事先知道过程的数学模型，不需要事先知道过程的数学模型，可直接在系统中进行现场整定，比可直接在系统中进行现场整定，比较简单较简单6.2 PID控制参数的整定方法-分类6.2 PID参数的整定方法-临界比例度法一种闭环整定方法，即直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性；

27、方法简单、使用方便。 将控制器的积分时间TI置于最大（ TI =） ，微分时间TD 置零（TD=0），比例带置为较大的数值, 把系统投入闭环运行。 系统稳定后，施加一个阶跃输入；减小比例度，直到出现等幅振荡为止。6.2 PID参数的整定方法-临界比例度法 记录临界比例带和等幅振荡周期。 根据K和TK ，采用下表中的经验公式，计算控制器各参数。 按先P，后I，最后D的操作程序，将控制器整定参数调到计算值上；观察其运行曲线，作进一步调整。6.2 PID参数的整定方法-临界比例度法6.2 PID参数的整定方法-临界比例度法 受到一定的限制。如有些系统不允许进行反复振荡试验；如时间常数较大的单容过程，

28、采用比例控制时根本不可能出现等幅振荡。 过程特性不同，整定得到的控制器参数不一定能获得满意结果。如无自衡特性过程，整定参数往往会使系统响应的衰减率偏大（即0.75）；有自衡特性的高阶等容过程，整定参数使系统衰减率偏小（即DRDdTRIUnU=011的分压和为11 .9n0111UsCRsCnnIDDDD=0111UnnsCIRIDdDd=021UUF=sKTsTksUsUsWDDDp=1)1 ()()()(201022sCRPRPSUnnSUnsUDDDT=1)(1)(1)(0101)(11101sUsCRPsCnRPnDDDD=TFUU=)(11)(0102sUsCRPsCnRPnsUUDD

29、DDF=nKD=微分增益DDDDDDCRPKCRPnT=微分时间常数6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PD电路s打在左边时，断开微分作用电路只有比例作用，CD将与9.1k并联，则CD上的电压始终跟随9.1k电阻压降，保证s从”断“切到“通”时，输出保持不变，实现无扰切换。6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PD电路S1，S2：联动时间开关S3：积分时间换挡CM：积分电容RPI：积分电阻射极跟随器：射极输出近似跟随基极输入，且同相位。减少对上级的影响，隔离、提高带载能力。6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PI电路011030202=SCU

30、URUmUSCUUMFIFIF023330311 1111 USCRKCCKSCmRCCUKUMIMIIIMIF=02031111USTKSTCCUIIIMI=忽略, 11 1,10353=MIMICCKCCK6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PI电路S3接到x10位置实际电阻为积分时间常数积分增益比例增益IIIIMIRRCmRTCCKKCCKpPmIIM3I3=STKSTKpsWIII1111 )(33=min251 . 0,10min5 . 201. 0, 1150006210IIIMITmTmKRFCC6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PI电路)24(322BBTURRRUU=321434,RRRRR=245451=BTUU同相端反相端1034)(RUUURUUBFFf=)(515403UUUUBfF=6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-输出电路0030041244241( )4250FTf03fff03UUUUUI RUIIW sRU=VDCURf51,5 .6203=DCmAII=204006.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-传递函数STKSTSKTSTKpKpKpKpsWsWsWsWsWIIIDDD111111)()()(