自动化仪表-03

1、1Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:2 22022-4-302022-4-30内容提要内容提要第一节第一节 控制器的运算规律和构成方式控制器的运算规律和构成方式第二节第二节 基型控制器基型控制器 第三节第三节 特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:3 32022-4-302022-4-30 控制器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生控制器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的的偏差偏差进行比例进行比例 (P)、积分、积分(I)

2、、微分、微分(D) 运算，并输出运算，并输出统一的统一的标准信号（标准信号（4-20mA）, 去控制执行机构的动作，以去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。制。 本节先讨论控制器的运算规律和构成方式，然后阐述本节先讨论控制器的运算规律和构成方式，然后阐述基型控制器、特种控制器和附加单元的工作原理。基型控制器、特种控制器和附加单元的工作原理。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:4 42022-4-302022-4-30控制器的运算规律是指控制器的输

3、出信号控制器的运算规律是指控制器的输出信号y和和输入偏差之间输入偏差之间 随时间变化的规律。随时间变化的规律。一、概述一、概述控制器控制器对象变送器给定值偏差测量值被控变量扰动xsxiy图1-1 单回路控制系统方框图sixx Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:5 52022-4-302022-4-30 在研究控制器特性时，输出信号通常指的是变化量在研究控制器特性时，输出信号通常指的是变化量y，而对输入偏差而对输入偏差而言，由于其初值为零，因此而言，由于其初值为零，因此既是变化量既是变化量又是实际值。又是实际值。 习惯上称习惯上称 0

4、 为正偏差；为正偏差； 0 时时y 0 称控制器为称控制器为正作用正作用； 0 为为反作用反作用控制器对象变送器给定值偏差测量值被控变量扰动xsxiyZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:6 62022-4-302022-4-30基本运算规律有比例（基本运算规律有比例（P）、积分（）、积分（I）和微分）和微分（D）三种，各种控制器的运算规律均由这些基）三种，各种控制器的运算规律均由这些基本运算规律组合而成。本运算规律组合而成。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:7 72022-

5、4-302022-4-30二、二、PID控制器的运算规律控制器的运算规律（一）（一）PID运算规律的表示形式运算规律的表示形式PD0I1d(d)dtyKtTTt PDI( )1( )(1)( )Y sW sKT sE sT sZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:8 82022-4-302022-4-30需要说明以下两点：需要说明以下两点：n运算规律通常用增量形式来表示，若用实际输出值运算规律通常用增量形式来表示，若用实际输出值y表示，则应写成：表示，则应写成：0)1(ydtdTdtTKpyDtIu式中，式中，y为控制器的输出起始值，亦

6、即为控制器的输出起始值，亦即t0，d/dt0时的输出值。时的输出值。n式式1-1和式和式1-2是控制器正作用时的输出变化量和传递是控制器正作用时的输出变化量和传递函数。若函数。若KP前有负号，则为反作用。为方便起见，前有负号，则为反作用。为方便起见，在讨论各种运算规律时，设控制器处于正作用工况。在讨论各种运算规律时，设控制器处于正作用工况。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:9 92022-4-302022-4-30DIPDIID11( )( )1( )1TsFT sFY sW sK FTE ssK T sKF - -控制器变量之间的

7、相互干扰系数，可表示为控制器变量之间的相互干扰系数，可表示为DI1TFT KpF考虑相互干扰系数后的实际比例增益考虑相互干扰系数后的实际比例增益FTI考虑相互干扰系数后的实际积分时间考虑相互干扰系数后的实际积分时间TD/F考虑相互干扰系数后的实际微分时间考虑相互干扰系数后的实际微分时间KD微分增益微分增益KI积分增益积分增益Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:10102022-4-302022-4-30 只有比例控制规律的控制器称为只有比例控制规律的控制器称为P控制器控制器，其输出信号其输出信号y 与输入偏差与输入偏差 （当给定值不变

8、时，偏当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量差就是被控变量测量值的变化量）之间成比例关系。）之间成比例关系。（二）（二） P运算规律运算规律pyK ( )pW sK传递函数：传递函数： 对于对于PID控制器而言，当积分时间控制器而言，当积分时间TI，微分时间微分时间TD0时，控制器呈时，控制器呈P控制特性，控制特性，P控制控制器输出与输入的关系式为：器输出与输入的关系式为：Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:11112022-4-302022-4-30 在实际调节器中常用在实际调节器中常用比例度比例度（或称（或称比例带比例带）

9、来表示比例作用的强弱。来表示比例作用的强弱。maxminmaxmin100%yyyP1100%K 可见，可见，与与Kp成反比。成反比。越小，越小，Kp越大，比例作越大，比例作用就越强。用就越强。 比例度比例度maxminmaxminyyDDZZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:12122022-4-302022-4-30 P控制特性控制特性图1-2 P控制器的阶跃响应特性t0t0yKP P控制的特点：控制的特点：反应快，控制反应快，控制及时及时，但系统有余差但系统有余差。 比例度与系统稳定性的关系比例度与系统稳定性的关系: 越小，系统

10、控制越强，但并越小，系统控制越强，但并不是不是越小越好。越小越好。减小将使减小将使系统稳定性变差，容易产生系统稳定性变差，容易产生振荡。振荡。 P控制器一般用于干扰较小，控制器一般用于干扰较小，允许有余差的系统中。允许有余差的系统中。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:13132022-4-302022-4-30 P控制器控制器 P控制器又称控制器又称比例控制器比例控制器（Proportional controller；P controller）仅具有比例控制作用的）仅具有比例控制作用的控制器。控制器。 其控制规律是在一定界限内控制器

11、作用的变其控制规律是在一定界限内控制器作用的变化量与输入偏差成比例，对偏差反应快，但化量与输入偏差成比例，对偏差反应快，但控制控制结果存在静差结果存在静差(余差余差)。 实际的比例控制器通常采用改变比例度来改实际的比例控制器通常采用改变比例度来改变比例放大系数变比例放大系数Kp的数值，的数值，与与Kp间存在着反比间存在着反比关系。关系。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:14142022-4-302022-4-30 单独的比例控制也称单独的比例控制也称“有差控制有差控制”，输出的，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大变化与

12、输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。实际应用中，比例度的大小应视具体输出越大。实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，情况而定，比例度太大，控制作用太弱，不利于比例度太大，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；什么控制作用；比例度太小，控制作用太强，容比例度太小，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。易导致系统的稳定性变差，引发振荡。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:15152022-4-302022-4-30对于反应灵敏、放大能

13、力强的被控对象，为提对于反应灵敏、放大能力强的被控对象，为提高系统的稳定性，应当使比例度稍大些；高系统的稳定性，应当使比例度稍大些；而对于反而对于反应迟钝，放大能力又较弱的被控对象，比例度可选应迟钝，放大能力又较弱的被控对象，比例度可选小一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相应减小一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相应减小余差。小余差。单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。 Zheng

14、zhou University of Light IndustryPage:Page:16162022-4-302022-4-30n比例控制阀比例控制阀Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:17172022-4-302022-4-30（三）（三）PI运算规律运算规律 具有比例积分控制规律的控制器称为具有比例积分控制规律的控制器称为PI控制控制器器。对。对PID控制器而言，当微分时间控制器而言，当微分时间TD0时，时，控制器呈控制器呈PI控制特性。控制特性。Zhengzhou University of Light IndustryPag

15、e:Page:18182022-4-302022-4-30 理想理想PI控制器的特性控制器的特性P0I1(d )tyKtT PI( )1( )(1)( )Y sW sKE sT s或或 积分作用能消除余差。积分作用能消除余差。只要有偏差存在，积分作用的输只要有偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，控制器的输出才稳出就会随时间不断变化，直到偏差消除，控制器的输出才稳定下来定下来。 积分作用一般不单独使用积分作用一般不单独使用，而是和比例作用组合起来构，而是和比例作用组合起来构成成PI控制器。由于积分输出是随时间积累而逐渐增大的，故控制器。由于积分输出是随时间积累而逐渐增大的，

16、故控制作用缓慢，造成控制不及时，使系统控制作用缓慢，造成控制不及时，使系统稳定裕度稳定裕度下降。下降。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:19192022-4-302022-4-30阶跃响应特性阶跃响应特性图1-3 理想PI控制器的阶跃响应特性t0t0yKPy = yIPyPTIPI(1)tyKT 可表示为比例作用输出与积分作用输可表示为比例作用输出与积分作用输出之和。其中出之和。其中PIIKytTPPyK在阶跃偏差信号作用下，理想在阶跃偏差信号作用下，理想PI控制控制器的输出随时间变化的表达式为：器的输出随时间变化的表达式为：比例作

17、用输出比例作用输出积分作用输出积分作用输出Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:20202022-4-302022-4-30积分时间积分时间TI的意义的意义 TI愈短，积分速度愈快，积分作用愈短，积分速度愈快，积分作用就愈强。；反之，控制作用越弱。就愈强。；反之，控制作用越弱。 Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:21212022-4-302022-4-30当积分作用输出与比例作用输出相等时，当积分作用输出与比例作用输出相等时，IPyy 即即PPIKtKT可得可得ITt 也就是

18、说，积分作用的输出值变化到等于比也就是说，积分作用的输出值变化到等于比例作用的输出值所经历的时间就是积分时间。例作用的输出值所经历的时间就是积分时间。积分时间积分时间TI的测定的测定Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:22222022-4-302022-4-30 实际实际PI控制器的特性控制器的特性实际实际PI控制器的传递函数为：控制器的传递函数为：IPII11( )11T sW sKK T sZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:23232022-4-302022-4-30

19、在阶跃偏差信号作用下，在阶跃偏差信号作用下，利用拉普拉斯反变换可求得利用拉普拉斯反变换可求得实际实际PI控制器的输出随时间控制器的输出随时间变化的表达式为：变化的表达式为：I IPI1(1)(1)tK TyKKe 阶跃响应特性阶跃响应特性t0t0yKPKPKI图1-4 实际PI控制器的阶跃响应特性Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:24242022-4-302022-4-30积分增益积分增益KI的意义的意义 在阶跃偏差信号作用下，实际在阶跃偏差信号作用下，实际PI输出变化输出变化的最终值（假定偏差很小，输出值未达到控的最终值（假定偏差

20、很小，输出值未达到控制器的输出限幅值）与初始值（即比例输出制器的输出限幅值）与初始值（即比例输出值）之比：值）之比：I( )(0)yKyZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:25252022-4-302022-4-30 当积分增益当积分增益KI为无穷大时，将上式带回实际为无穷大时，将上式带回实际PI控制器输出表达式（控制器输出表达式（1-13）可得：）可得：开环增益开环增益K和积分增益和积分增益KI的关系为：的关系为：IPKKyK)( 通过与（通过与（1-11）比较，可以证明实际）比较，可以证明实际PI控制器的控制器的输出就相当于理想输

21、出。实际上，输出就相当于理想输出。实际上，PI控制器的控制器的KI一般一般都比较大（数量级在都比较大（数量级在102-105），可以认为实际），可以认为实际PI控制控制器的特性是接近于理想器的特性是接近于理想PI控制器特性的。控制器特性的。)1 (IPTtKyZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:26262022-4-302022-4-30 控制点偏差和控制精度控制点偏差和控制精度maxminmaxPIyyK KZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:27272022-4-3020

22、22-4-30 控制点最大偏差的相对变化值即为控制器的控制点最大偏差的相对变化值即为控制器的控制精控制精度（度（）。考虑到控制器输入信号（偏差）和输出信号。考虑到控制器输入信号（偏差）和输出信号的变化范围是相等的，因此，控制精度可以表示为：的变化范围是相等的，因此，控制精度可以表示为：PI1100%K K 控制精度是控制器的重要指标，表征控制器消除余差控制精度是控制器的重要指标，表征控制器消除余差的能力。的能力。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:28282022-4-302022-4-30 PI控制器控制器 PI控制器又称控制器又称

23、（Proportional & Integral controller；PI controller）具有比例）具有比例-积分控制作用的控制积分控制作用的控制器。器。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:29292022-4-302022-4-30 比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是的一种，其最大优点就是控制及时、迅速控制及时、迅速。只要有偏差产生，。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点

24、不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。上加上积分控制作用。积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这里的里的“积分积分”指的是指的是“积累积累”的意思。积分控制器的输出不的意思。积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停

25、止。越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制所以，积分控制可以消除余差。积分控制规律又称可以消除余差。积分控制规律又称无差控制规律无差控制规律。 Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:30302022-4-302022-4-30 积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。因为积分输出的累积是渐进

26、的，点。因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是其产生的控制作用总是落后于偏差的变化落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。所以，实用中一般不单独使用积分控使控制系统稳定下来。所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。这制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。这样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。因此，比例积分控制可又有积分控制作用消除余差的能力。因此，比例积分控制可以实

27、现较为理想的过程控制。以实现较为理想的过程控制。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:31312022-4-302022-4-30 比例积分（比例积分（PI）控制器是目前应用最为广泛的）控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。积分作用的引入，会使系统稳定性

28、变差。对于有较对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:32322022-4-302022-4-30n瑞士瑞士VECTOR PI双回路比例双回路比例积分控制器积分控制器 n拥有拥有2个控制回路。每个控制个控制回路。每个控制回路具有回路具有2个个PI控制单元和控制单元和4个个开关量控制单元。开关量控制单元。 Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:33332022-4-302022-4-30（四）（四）P

29、D运算规律运算规律 具有比例微分控制规律的控制器称为具有比例微分控制规律的控制器称为PD控制器。对控制器。对PID控制器而言，当积分时控制器而言，当积分时间间TI时，控制器呈时，控制器呈PD控制特性。控制特性。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:34342022-4-302022-4-30 理想理想PD控制器的特性控制器的特性或或PDd()dyKTt PD( )(1)W sKT s 微分作用是根据偏差变化速度进行控制的，微分作用是根据偏差变化速度进行控制的，有有超前控制超前控制之称之称。在温度、成分等控制系统中，。在温度、成分等控制系

30、统中，往往引入微分作用，以改善控制过程的动态特性。往往引入微分作用，以改善控制过程的动态特性。不过，在偏差恒定不变时，微分作用输出为零，不过，在偏差恒定不变时，微分作用输出为零，故微分作用也不能单独使用。故微分作用也不能单独使用。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:35352022-4-302022-4-30斜坡响应特性斜坡响应特性PD()yK a tT 可表示为比例作用输出与微分作用输可表示为比例作用输出与微分作用输出之和。其中出之和。其中DPDyK aTPPyK at当偏差为等速上升的斜坡信号时，理当偏差为等速上升的斜坡信号时，理

31、想想PD控制器为：控制器为：比例作用输出比例作用输出微分作用输出微分作用输出图1-5 理想PD控制器的斜坡响应特性t0t0yTD=at y =Kp TDaD y =Kp tPa达到相同的输出值时，微分作用比达到相同的输出值时，微分作用比单纯比例作用提前的时间就是微分单纯比例作用提前的时间就是微分时间时间TD。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:36362022-4-302022-4-30 实际实际PD控制器的特性控制器的特性实际实际PD控制器的传递函数为：控制器的传递函数为：DPDD1( )1T sW sKTsKZhengzhou U

32、niversity of Light IndustryPage:Page:37372022-4-302022-4-30在阶跃偏差信号作用下，在阶跃偏差信号作用下，实际实际PD控制器的输出为：控制器的输出为：DDPD1 (1)KtTyKKe 阶跃响应特性阶跃响应特性t0t0y图1-6 实际PD控制器的阶跃响应特性PPyKDPD(1)yKKPDK KZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:38382022-4-302022-4-30微分增益微分增益KDKD愈大，微分作用愈趋于理想。但在电动控制愈大，微分作用愈趋于理想。但在电动控制器中，为使控

33、制器在高频信号作用下输出幅度器中，为使控制器在高频信号作用下输出幅度不致过大，一般不致过大，一般KD取取5-10。在阶跃偏差信号作用下，实际在阶跃偏差信号作用下，实际PD输出变化的初始输出变化的初始值与最终值（即比例输出值）之比：值与最终值（即比例输出值）之比：D(0)( )yKyZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:39392022-4-302022-4-30Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:40402022-4-302022-4-30微分时间微分时间TD的测定的测定 实际

34、实际PD控制器的输出同样可看作是控制器的输出同样可看作是yP和和yD两部分之和。两部分之和。-1DDDPDPDDDy ()10.3681TTtKKeKKKK设，（）（） 在阶跃偏差信号作用下，实际在阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器的输控制器的输出从最大值下降了微分输出幅度的出从最大值下降了微分输出幅度的63.2%所经历的所经历的时间，就是微分时间常数时间，就是微分时间常数TD/KD。此时间常数再乘。此时间常数再乘上微分增益上微分增益KD就是微分时间就是微分时间TD。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:41412022-4-30202

35、2-4-30 PD控制器控制器Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:42422022-4-302022-4-30 比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。所谓所谓“时间滞后时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，被指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。为此，人容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。为此，人们设想：能否根据偏差的变

36、化趋势来做出相应的控制动作呢？们设想：能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的大小来改变阀门的犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的大小来改变阀门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然防患于未然”。这就。这就是具有是具有“超前超前”控制作用的微分控制规律。微分控制器输出控制作用的微分控制规律。微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。的大小取决于输入偏差变化的速度。Zhengzhou University o

37、f Light IndustryPage:Page:43432022-4-302022-4-30 微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小以微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小以及偏差是否存在与否无关。如果偏差为一固定值，不管多大，及偏差是否存在与否无关。如果偏差为一固定值，不管多大，只要不变化，则输出的变化一定为零，控制器没有任何控制只要不变化，则输出的变化一定为零，控制器没有任何控制作用。作用。 微分时间越大，微分输出维持的时间就越长，因此微分微分时间越大，微分输出维持的时间就越长，因此微分作用越强；反之则越弱。当微分时间为作用越强；反之则越弱。当微分时间为0时，就没有微分

38、控时，就没有微分控制作用了。同理，微分时间的选取，也是需要根据实际情况制作用了。同理，微分时间的选取，也是需要根据实际情况来确定的。来确定的。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:44442022-4-302022-4-30 微分控制作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功能，微分控制作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。因

39、此，不能单独使用微分控制规律。作用。因此，不能单独使用微分控制规律。比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是对对容量滞后大的对象容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。间，显著改善控制质量。 Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:45452022-4-302022-4-30（五）（五）PID运算规律运算规律理想和实际理想和实际PID控制器的传递函数分别为：控制器的传递函数分别为：PDI( )1( )(1)( )Y s

40、W sKT sE sT sDIPDIID11( )( )1( )1TsFT sFY sW sK FTE ssK T sKZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:46462022-4-302022-4-30当偏差为阶跃信号时，实际当偏差为阶跃信号时，实际PID控制器的输出为：控制器的输出为：DI IDPIDPDPI()(1)()00KttK TTyKFKFeKF etyK KtyK K 当时， （ ）当时， （ ）Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:47472022-4-30202

41、2-4-30阶跃响应特性阶跃响应特性图1-7 实际PID控制器的阶跃响应特性Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:48482022-4-302022-4-30PID控制器控制器 PID控制器又称控制器又称比例积分微分控制器比例积分微分控制器（Proportional Integral & Differential controller；PID controller）具有比例）具有比例-积分积分-微分控制作用的微分控制作用的控制器。控制器。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Pag

42、e:49492022-4-302022-4-30 最为理想的控制当属比例最为理想的控制当属比例-积分积分-微分控制规律。它集三微分控制规律。它集三者之长：既有者之长：既有比例作用的及时迅速比例作用的及时迅速，又有，又有积分作用的消除余积分作用的消除余差能力差能力，还有，还有微分作用的超前控制功能微分作用的超前控制功能。当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系由于比例作用是持久和起主

43、要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。得到较为理想的控制效果。 Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:50502022-4-302022-4-30n多回路多回路PID控制器控制器Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:51512022-4-302022-4-30三

44、、三、PID控制器的构成控制器的构成控制器对输入信号与给定信号的偏差进行控制器对输入信号与给定信号的偏差进行PID运算，运算，因此应包括偏差检测和因此应包括偏差检测和PID运算两部分电路。运算两部分电路。偏差偏差检测电路检测电路PID运算电路运算电路测量值偏差I0，U0给定值图1-8 控制器构成示意图Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:52522022-4-302022-4-30偏差检测电路通常称为输入电路。偏差信号一般采偏差检测电路通常称为输入电路。偏差信号一般采用用电压形式电压形式，所以输入信号和给定信号在输入电路，所以输入信号和

45、给定信号在输入电路内都是以电压形式进行比较。输入电路同时还必须内都是以电压形式进行比较。输入电路同时还必须具备内外给定电路的切换开关，正、反作用切换开具备内外给定电路的切换开关，正、反作用切换开关和偏差指示（或输入、给定分别指示）等部分。关和偏差指示（或输入、给定分别指示）等部分。PID运算电路是实现控制器运算规律的关键部分。运算电路是实现控制器运算规律的关键部分。它的构成方式有以下几种：它的构成方式有以下几种：Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:53532022-4-302022-4-30 由放大器和由放大器和PID反馈电路构成反馈

46、电路构成 放大器由晶体管（集成运算放大器）等器件构成的放大器由晶体管（集成运算放大器）等器件构成的直流放大器，直流放大器，PID反馈电路是由反馈电路是由RC微分和积分环节微分和积分环节串联串联组成的复合电路。组成的复合电路。DDZ型控制器以及一些基地式模型控制器以及一些基地式模拟控制仪表采用这种组成方式。这种运算电路构成简单，拟控制仪表采用这种组成方式。这种运算电路构成简单，但相互干扰系数大。但相互干扰系数大。放大器K0PID反馈电路输出I0,U0偏差Uf，Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:54542022-4-302022-4-3

47、0 由由PD和和PI电路串联构成电路串联构成 PD和和PI电路均由集成运算放大器和电路均由集成运算放大器和RC电路电路构成。构成。DDZ型控制器采用这种组成方式。型控制器采用这种组成方式。偏差PDPI输出I0,U0Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:55552022-4-302022-4-30测量值PDPI输出I0,U0给定值 这种电路稍加改变，可以构成微分先行的控这种电路稍加改变，可以构成微分先行的控制器。如下图所示。制器。如下图所示。 测量值经测量值经PD电路后再与给定值比较，差值电路后再与给定值比较，差值送入送入PI电路，这样给

48、定值不经过微分环节，故在电路，这样给定值不经过微分环节，故在改变给定值时，控制器输出不会发生大幅度变化，改变给定值时，控制器输出不会发生大幅度变化，从而避免了给定值扰动对系统的影响。从而避免了给定值扰动对系统的影响。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:56562022-4-302022-4-30注：注：PD、PI串联运算电路的相互干扰系数串联运算电路的相互干扰系数F较第较第一种运算电路要小，但由于电路串联，各级误差一种运算电路要小，但由于电路串联，各级误差将累积放大，为保证整机精度，对各部分电路的将累积放大，为保证整机精度，对各部分电

49、路的精度要求较高。精度要求较高。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:57572022-4-302022-4-30 由由P、I、D电路并联构成电路并联构成如下图所示由如下图所示由P、I、D三个运算电路并联连接，然三个运算电路并联连接，然后将它们的输出相加构成的后将它们的输出相加构成的PID电路，组装式仪表电路，组装式仪表中的电压整定型中的电压整定型PID控制组件采用这种电路。控制组件采用这种电路。偏差PDI输出I0,U0Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:58582022-4-

50、302022-4-30上述电路的传递函数为：上述电路的传递函数为：)111 (11)(sKTsKTsTKKsKTsTsTKsWDDPDIPPDDDIP这种运算电路的特点是：由于三个运算电路并联，避免了这种运算电路的特点是：由于三个运算电路并联，避免了级间误差累积放大，对保证整机精度有利。同时，并联结级间误差累积放大，对保证整机精度有利。同时，并联结构可消除构可消除TI、TD变化对控制器实际整定变量的影响，但从变化对控制器实际整定变量的影响，但从传递函数关系式可知，传递函数关系式可知，KP的改变将使实际的积分时间的改变将使实际的积分时间KPTI和实际的微分时间和实际的微分时间TD/KP发生变化。

51、发生变化。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:59592022-4-302022-4-30 由由P、I、D电路串、并联构成电路串、并联构成 为了消除为了消除KP、TI和和TD变量间的相互扰动，可采变量间的相互扰动，可采用下图所示的串、并联混合电路，在这种电路中，用下图所示的串、并联混合电路，在这种电路中，PI与与D电路并联后再与电路并联后再与KP可变的可变的P电路串联。电路串联。偏差PID输出I0,U0PZhengzhou University of Light IndustryPage:Page:60602022-4-302022-

52、4-30上述电路的传递函数为：上述电路的传递函数为：)111 ()(sKTsTsTKsWDDDIP这种构成方式具有与并联方式同样的优点，同时从上式可这种构成方式具有与并联方式同样的优点，同时从上式可知，它将不存在控制器变量间的相互影响。知，它将不存在控制器变量间的相互影响。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:61612022-4-302022-4-30四、四、PID控制器调试方法控制器调试方法PID控制器是使用最早的控制器之一，在工程上对控制器是使用最早的控制器之一，在工程上对PID系数的调试和整定对系统稳定性影响很大，下系数的调试和

53、整定对系统稳定性影响很大，下面简单介绍以下面简单介绍以下PID控制器的系数调试方法。控制器的系数调试方法。Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:62622022-4-302022-4-30 比例系数比例系数P的调节范围一般是：的调节范围一般是：0.1-100.如果增益值取如果增益值取 0.1，PID 调节器输出变化为十分之一的调节器输出变化为十分之一的偏差值。如果增益值取偏差值。如果增益值取 100， PID 调节器输出变化为一百调节器输出变化为一百倍的偏差值。倍的偏差值。可见该值越大，比例产生的增益作用越大。初调时，可见该值越大，比例

54、产生的增益作用越大。初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再该选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再该调节积分或微分系数。过大的调节积分或微分系数。过大的P值会导致系统不稳定，持值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的续振荡；过小的P值又会使系统反应迟钝。合适的值应该值又会使系统反应迟钝。合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。的迟缓要靠积分时间来调节。 比例系数调节比例系数调节Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:6

55、3632022-4-302022-4-30 积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。积分时间设为的时间。积分时间设为 1秒，则输出变化秒，则输出变化 100%所所需时间为需时间为 1 秒。初调时要把积分时间设置长些，秒。初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。然后慢慢调小直到系统稳定为止。积分系数调节积分系数调节Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:64642022-4-302022-4-30 微分值是偏差值的变化率。例如，如果输入偏差值线微分值是偏差值的变化率。例如，如果输

56、入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。大部大部分控制系统不需要调节微分时间。因为只有时间滞后的系分控制系统不需要调节微分时间。因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。统才需要附加这个参数。如果画蛇添足加上这个参数反而如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。如果通过比例、积分参数的调会使系统的控制受到影响。如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。初节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统

57、稳定。 微分系数调节微分系数调节Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:65652022-4-302022-4-30 参数整定找最佳，从小到大顺序查参数整定找最佳，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振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来曲线振荡频率快，先把微分

58、降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低四比一理想曲线两个波，前高后低四比一 一看二调多分析，调节质量不会低一看二调多分析，调节质量不会低参数整定方法口诀参数整定方法口诀Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:66662022-4-302022-4-30在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。调节效果修改。 对于温度系统：对于温度系统：P（%）20-60，I（分）（分）3-10，D（分）（分）0.5-3 对于流量系统

59、：对于流量系统：P（%）40-100，I（分）（分）0.1-1 对于压力系统：对于压力系统：P（%）30-70，I（分）（分）0.4-3 对于液位系统：对于液位系统：P（%）20-80，I（分）（分）1-5 工程整定参考值工程整定参考值Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:67672022-4-302022-4-30基型控制器对来自变送器的基型控制器对来自变送器的15V直流电压信号与给直流电压信号与给定值相比较后所产生的偏差进行定值相比较后所产生的偏差进行 PID 运算，并输出运算，并输出420mA的控制信号。该控制器还具有偏差指示、输

60、的控制信号。该控制器还具有偏差指示、输出指示、内外给定及软、硬手操和正、反作用切换等出指示、内外给定及软、硬手操和正、反作用切换等功能。功能。一、概述一、概述Zhengzhou University of Light IndustryPage:Page:68682022-4-302022-4-30基型控制器有两个品种：基型控制器有两个品种： 全刻度指示控制器和偏差指全刻度指示控制器和偏差指示控制器。示控制器。本节主要分析全刻度指示的基型控制器，其主要性能本节主要分析全刻度指示的基型控制器，其主要性能指标为：控制精度指标为：控制精度2V)。Zhengzhou University of Light Indust