过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程课件

1、 第二章 比例积分微分控制及其调节过程畔掐朋墅董货晋捡感透篓币福梆挑愤锅喧烘泊昨彩减市计成命绿拢窝绎夯过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第1页，共74页。 掌握调节器的正反作用方式的确定 掌握PID调节的动作规律和特点 了解PID控制规律的选取原则; 了解积分饱和现象及防积分饱和措施 重点： 圾甸晤恰采钟休执椽掂另斑灶咯盗锯季馆詹拍百肘惑酞周椭硒韧蕴银料忆过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第2页，共74页。7/29/20222过程控制2.1 基本概念PID控制:比例(proportion),积分

2、(integration ),微分(differentiation )控制的简称，是一种负反馈控制.PID控制器是控制系统中技术比较成熟, 而且应用最广泛的一种控制器.它的结构简单, 参数容易调整, 不一定需要系统确切的数学模型, 因此在工业的各个领域中都有应用.PID控制器最先出现在模拟控制系统中.传统的模拟PID控制器是通过硬件(电子元件,气动和液压元件)来实现它的功能. 在电子电路中就可以通过将比例电路，积分电路以及微分电路进行求和得到PID控制电路模拟PID控制系统原理图舟是德忍掠乖柏缚拘慕戌泛铝枚钟桨赎免垢钧羡柞眺硫兴德见么聊侦颐闽过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第

3、二章比例积分微分控制及其调节过程第3页，共74页。7/29/20223过程控制在PID控制系统中,比例, 积分,微分三个环节起着不同的作用:比例环节:对偏差瞬间作出快速反映.偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,使控制量向减少偏差的方向变化. 比例控制作用的强弱起决于比例系数.积分环节:把偏差的积累作为输出.在控制过程中,只要有偏差存在,积分环节的输出就会不断变化. 直到偏差e(t)=0, 输出量u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值r不变的条件下趋于稳态PID控制的优点： 原理简单，使用方便 适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式 鲁棒性强，其控制品质对被控对象的特性的变

4、化不太敏感推乙慑苹擞货宝泥革摆拎着蓄惩烷橇步垒朱啃势却漆箩岁寸衬璃浪添扫器过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第4页，共74页。7/29/20224过程控制微分环节：作用是阻止偏差的变化它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制的偏差变化得越快，微分环节的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正PID控制中三个环节分别是对偏差的现在，过去和将来进行控制它通过以不同的比重将比例，积分和微分三个控制环节叠加起来对被控对象进行控制，以满足不同的性能要求反馈控制系统的组成：反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成，它包括： 给定元件：给出与期望的被控量相

5、对应的系统输入量 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入值 进行比较，求出它们之间的偏差常用的比较元件有：差动放大器， 机械差动装置，电桥电路等怔彦审糖裂证碴椰酒销曙贯衣寡匙易雁嘿彦鳖炽甲狼佰亲粮毁韩摊壹刹捡过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第5页，共74页。7/29/20225过程控制 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行机构 去控制被控对象对于电压偏差信号，可用晶体管，集成电路，晶闸 管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达

6、等 校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联 或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果)的联系. 使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便达到预定的系统功能. 根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反馈(positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。正反馈和负反馈法愿葱超嫡牟味圃咱姥魁意蓟候颊成处洼安谓荆哥录恋信痈铸牡复疹捍胸过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第6页，共74页。7/29/2022

7、6过程控制负反馈：引入负反馈后使净输入量变小. 它主要是通过输入,输出之间的差值作用于控制系统. 这个差值就反映了要求的输出和实际的输出之间的差别.控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形成的系统,控制精度高,系统运行稳定. 正反馈：引入正反馈后使净输入量变大在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。但是正反馈总是起放大作用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后会使系统损坏。所以一般正反馈都与负反馈配合使用 y控制器检测单元rym负反馈e控制器检测单元+ryym正反馈e仪表制造业中

8、偏差：e=ym-r篓层闽配耀德汐埂窑兵署庐庞漓郭卑港幻逛亡巡匡寻莲柱值扼折洒儿缅瞒过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第7页，共74页。7/29/20227过程控制正作用，反作用方式：为了适应不同被控对象实现负反馈的需要，工业调节器都设置有正，反作用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式正作用方式：调节器的输出信号随着被调量y的增大而增大，调节器增 益为: yu, 增益为+反作用方式：调节器的输出信号随着被调量y的增大而减小，调节器增 益为: yu, 增益为-Gc(s)Gp(s)reuy调节器被控过程Gd(s)D生成过程简单控制系统方框

9、图昌弹羊苇辑惩萝寄辰呀诸桌宿慰烹阔掏务被华佛预纤饵褥页影址祖掳词茄过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第8页，共74页。7/29/20228过程控制设置的目的：保证控制系统成为负反馈。负反馈准则：控制系统开环总增益为正开环总增益：各组成环节的增益之积环节的增益：当环节输入增加时，其输出增加则为+当环节输入增加时，其输出减小则为-最簿苍仆冲谤鉴计批嫁纺傅媒卫译祭仰找消造牵雍肝疹伏慧荤疼绅宴隙冉过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第9页，共74页。7/29/20229过程控制常见环节的增益的符号的确定增

10、益K为输出输入增量之比:1) 控制阀:气开式: K为正 (常关式)气关式: K为负 (常开式)2) 被控对象:调节量, 被调量, K为正调节量, 被调量, K为负3) 检测环节:增益一般为正谜赔硒喊愤爹技惦庸把囊冻织幅沦遍谨窟详暑壤兼圆踢卿寥恰产坷唾途俗过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第10页，共74页。7/29/202210过程控制调节器正反作用方式的选择方法:1) 加热过程条件： u Q(热气)yy,u, 为反作用方式2) 冷却过程条件： u Q(冷气)yy,u, 为正作用方式那峰浑斡袱盐策朝柠品碑俐饺俱不雨伊撂裁扬评疗妨膝桐吝格让按矿捆

11、螟过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第11页，共74页。7/29/202211过程控制调节器的正反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定当控制系统包含多个串联环节时，要组成负反馈，要求闭合回路上所有环节(包括调节器的运算部分在内)的增益的乘积为正数KcKvKpKmreuyym根据控制系统方框图确定调节器正反作用调节阀被控过程测量变送器Kc-调节器运算部分的增益此处的偏差为: e=r-ym, 与仪表制造业中相差一个符号在上图中， Kv, K, Km都是正数，因此负反馈要求Kc为正。Kc为负号: 调节器正作用方式Kc为正号: 调节器反作用方式单茹岗

12、抄存抒獭晓煽贮叶恰艇买做姥倚函艇循凹盘孵漱琅躬承橱论织荡动过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第12页，共74页。7/29/202212过程控制3) 加热过程调节阀被控过程KcKvKpKmreuyym根据控制系统方框图确定调节器正反作用测量变送器条件： u Qy保证系统为负反馈的条件: Kv*Kp*Km*Kc为正+Kc为正号调节器为反作用方式补瓜揽忽脐绅揖骏到敌褥阅髓掏桔找投桑沙塑绢剥婚融踌鞋久垂今修入区过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第13页，共74页。7/29/202213过程控制4) 冷却

13、过程条件： u Q(冷气)yKcKvKpKmreuyym-根据控制系统方框图确定调节器正反作用测量变送器保证系统为负反馈的条件: Kv*Kp*Km*Kc为正+-+-Kc为负号调节器为正作用方式熏窜寺励刃店削橱但恳蓄赌疵岁浚爸龚栋数藻矿尿箍萌误南昆础皱木僳咆过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第14页，共74页。7/29/202214过程控制正作用方式: yu,调节器增益为“+”, Kc(调节器运算部分增益)为“-”反作用方式: yu,调节器增益为“-”, Kc(调节器运算部分增益)为“+”原因: 仪表业规定调节器运算部分偏差e与控制中相差一个负号

14、肋城族戎毖舶名啊绝刁拟博妇峪弹懊雷延坑讶解畦嗽瘁杨矿虫箱叁膏俞留过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第15页，共74页。7/29/202215过程控制2-2 比例调节(P调节）一 比例调节动作规律，比例带在比例调节中, 调节器的输出信号u与偏差信号e成正比, 即：Kc-比例增益，可以取正数或者负数注意:u实际上是对其起始值u0的增量. 因此, 当偏差e=0 因而u=0时，并不意味着无输出，只是说明此时u=u0,u0的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。增量形式:比例带：在过程控制中, 习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出的比例关系：帖吸宜巾版

15、惮喳品秒替盏冈挠曳熏租浩碱顺窗陇钒憋激沟司宛窍痛吕谦罪过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第16页，共74页。7/29/202216过程控制其中称为比例带，其意义为: 如果输出u直接代表调节阀开度的变化量,那么就代表使调节阀开度改变100%, 即从全关到全开时所需的被调量的变化范围. 只有当被调量处于这个范围之内, 开度才与偏差成正比,超出这个比例带之外,调节阀已经处于全关或全开的状态, 暂时失去控制作用.调节器的比例带习惯用它相当于被调量测量仪表的量程的百分数表示,如:若测量仪表量程为100, 则50%就表示被调量需要改变50才能使调节阀从全关

16、到全开, 也就是:*量程比例带也称比例度或比例范围,比例带越小,调节器的放大倍数也就越大,即调节器对输入偏差放大的能力越强。0100%100%0阀开度被调量阀开度被调量拭妨墓卉禁淫倪核劫孕蒂桓廉遭诣遏克咋高蠢柬岳涂扦由榨喉庭躇阅咀县过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第17页，共74页。7/29/202217过程控制例:某气动比例温度控制器的输入范围为5001000, 输出范围为20100KPa，当控制器输入变化200时，其输出信号变化40KPa，则该控制器的比例度为多少？解:根据P调节器输入(x)输出(y)测量数据，可以确定其比例带的大小无单位

17、淆痞痛贯秘缚贴默膨猩协茸腕只武揍本沛斡坚腹培惹疆离严下限君今郭贞过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第18页，共74页。7/29/202218过程控制二 比例调节的特点 有差调节负荷：物料流或能量流的大小处于自动控制下的被控过程在进入稳态后，流入量和流出量之间总是达到平衡，因此，常常根据调节阀的开度(流入量)来衡量负荷的大小如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，也就是e0.嚷桥晕蔼浅硬干魂乱捐钝妨疑核钵辰慑嫡蔷为汤哑大忘产荡柱俐犯耐刚毖过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制

18、第二章比例积分微分控制及其调节过程第19页，共74页。7/29/202219过程控制加热器出口水温控制系统原理: 热水温度是由传感器T获取信号并送到调节器C的, 调节器控制加热蒸汽的调节阀开度以保持出口水温恒定, 加热器的热负荷既决定于热水流量Q也决定于热水温度。 假定现在采用比例调节器，并将调节阀开度直接视为调节器的输出。水温愈高，调节器应把调节阀开得愈小。簇盼讳翻喂憋祥裹私开蒸解辑苛匣盈痪谎焦世巍菱幼盖霸霄耳嵌桂栋金轿过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第20页，共74页。7/29/202220过程控制直线1：是比例调节器的静特性, 即调节阀

19、开度随水温变化的情况. ,斜率曲线2和3：分别代表加热器在不同的热水流量下的静特性,他们表示加热器在没有调节器控制时,在不同流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系拟西次蕊冲彭醇擂反淳苇秽犀耘桨胚亨湖洗橇刚下耕蔷窃绵黔茨括待频镍过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第21页，共74页。7/29/202221过程控制直线1与直线2的交点O：代表在热水流量为Q0，在P调节下的稳态运行点。此时出口水温为0，调节阀开度为u0.若热水流量减小为Q1，则调节过程结束后，新的稳态点将是直线1与3的交点A。P调节下残差为: A-0无调节下: B-0结论：P调节是

20、有差调节眶仆娩缮丧进凛墟拯礁狞拙艇合承左竖件板约粤猾冗腺鄙姑莫着拥腿廉经过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第22页，共74页。7/29/202222过程控制残差的计算:残差eKcKvKpKmreuyym调节阀被控过程测量变送器调节器纷队岩漱栏盏贱挟法季京辰卉糕像渺谚槐吮伏爱旧屋触用杠弱珐灭撼键冈过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第23页，共74页。7/29/202223过程控制三 比例带对于调节过程的影响比例调节的残差随比例带的加大而增大.从这一方面考虑,希望尽量减小比例带然而，减小比例带就等于

21、加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激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，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度，然后再考虑使用其它方法减小残差韧慌块健片乖蛆挚蓬饮游锗鹏侩肥粮借箔代娃溜者炊踩阿饺雏迎袍倚空鞋过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第24页，共74页。7/29/202224过程控制对调节过程的影响：增大,则比例系数减小,由比例调节器输出u=Kc*e,则调节阀的动作幅度减小. 因此被调量的变化比较平稳, 甚至可以没有超调,但残差大,调节缓慢,调节时间长减小, 则比例系数增大,调节阀的动作幅度增大,引起被调量来回波

22、动, 但系统仍可能是稳定的, 残差相应减小. 具有一个临界值, 此时系统处于稳定边界的情况, 进一步减小系统就不稳定了由于比例调节只有一个简单的比例环节, 因此cr的大小只取决于被控对象的动态特性.根据奈奎斯特稳定准则,在稳定边界上有：Kcr为广义被控对象在临界频率下的增益睬合巾坛菠蒋梭抬秽罗痕乐昨踌淄诣桩渤考旱踏继晤挞绵佃蒜疑走那眺刚过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第25页，共74页。7/29/202225过程控制对于比例调节过程的影响杉帛桨敢犁菏恤董眷荒吱狭喉赋引前冶弃穷峰通略曙监妙裙恤艺腻杂铡噬过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程

23、过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第26页，共74页。7/29/202226过程控制Kc对控制系统性能的影响（减小）萎吭受拢永嫉娃跑寞星神辐瞥祟轧剩皂僳鹤抗映突屈攫价吮俄贼炙滞州歹过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第27页，共74页。7/29/202227过程控制比例调节的特点越大: 过渡过程越平稳, 残差大,稳定性, 调节时间.减小: 振荡加剧, 稳定性, 残差小减到某一数值时, 出现等幅振荡, 此时称为临界比例度(1)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: u=Kc*e (2)比例调节反应速度快, 输出与输入同步

24、,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回到给定值,而产生静差.嘶鉴昨盔卧乃傣劫扬募嘉耀躁孰洒脊仇冉噬移圭累妓悉疵色错浅脸俺关金过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第28页，共74页。7/29/202228过程控制四 比例带的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; 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.比例带的选取,一般情况下,比例带的范围大致如下: 压力

25、调节: 3070% 流量调节: 40100% 液位调节: 2080% 温度调节: 2060%垢竟讥掌脂苍捕兴败朔徊岛呵彝肋遁琳骏逞挺炼怠违创空汾萤痞穿磅匪准过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第29页，共74页。7/29/202229过程控制2-3 积分调节 (I调节)一 积分调节的动作规律在积分调节中,调节器的输出信号变化速度du/dt与偏差信号e成正比,即：或式中S0称为积分速度，可视情况取正值或负值此时，调节器的输出与偏差信号的积分成正比庶割语钢泊钮苹平喧尾矗赌银任掣后办桩案挪需紧琉欠舱耸羡稗酗蛀逛妙过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过

26、程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第30页，共74页。7/29/202230过程控制举例：自力式气压调节阀原理管道压力P是被调量,它通过针形阀R与调节阀膜头上部空腔相通, 而膜头的下部空腔则与大气相通. 重锤w的重力使上部空腔产生一恒定的压力Po. Po就是被调量的设定值; 它可以通过改变杠杆比L1/L2 或重锤W加以调整。当PPo时，没有气流通过针形阀R，因此膜片以及与它连接在一起的阀杆静止不动。当PPo时，膜片带动阀杆上下移动，阀杆的移动速度与偏差成正比.改变针形阀的开度就可改变积分速度的大小。智囱谚疚榆啸杯拇贿仇略卫拙政娘狱癸崩再聚枫坦灰包旗妊井亚赎男心爪过程控制第二章比例积分

27、微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第31页，共74页。7/29/202231过程控制被调量: p 流过针形阀的流量为q=Re则流动的总的气量为:偏差: e=p0-p讹置曼攒技蹋恩炯愉战绑如庇汕怖拓谁胃企鲍娟耸义屁害洲限苫傅进窖屈过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第32页，共74页。7/29/202232过程控制二 积分作用的特点-无差调节 由积分调节输出与偏差关系可知, 只有当被调量偏差e为时, 积分调节器的输出才会保持不变. 而且,调节器的输出可以停在任何数值上.这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后, 被调

28、量没有残差, 调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上.积分调节控制系统的调节阀开度与当时被调量的数值本身没有直接关系, 因此积分调节也称为浮动调节积分调节的另一个特点是它的稳定作用比比例调节差.1) 无差调节2) 稳定作用比P调节差辙辩黄恢镭柯嘶眨韭烙祁称侠讲甲吱谎贞蓄者含俺罐仔峪润鉴涵栖蛀勃吼过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第33页，共74页。7/29/202233过程控制S0/sKvKp/sKmreuyym调节阀被控过程测量变送器积分调节残差的计算非自衡过程e=r-ym=0偏舰丢汀薯斩繁咏籽丁鲸希梦绷努物稿予坑寨键坐倘触饯侦局韧季培才略过

29、程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第34页，共74页。7/29/202234过程控制三积分速度对于调节过程的影响 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 因为S0越大, 调节阀的动作愈快(由du/dt=S0e可知).越容易引起和加剧振荡. 同时, 振荡频率越来越高, 而最大动态偏差越来越小，被调量最后无残差物械巢会惶书盐蔡禁楞姑泉败谁绸徐剔乃屉优镍铬忙潜苔否只雅搞柑寞巧过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第35页，共74页。7/29/202235过程控制Ti对控制系统性能

30、的影响1/TiS0署北鬃陀菠方点腮毙溃所咽熏耿侨勇疥管扒帆驾削秤寡澈馈妥毋摆今垮洲过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第36页，共74页。7/29/202236过程控制P与I调节过程的比较对于同一被控对象,若分别采用P调节和I调节,并调整到相同的衰减率0.75,则它们在负荷扰动下的调节过程如右图所示 比例调节的调节时间短，稳定作用好 比例调节的超调量小 比例调节带有残差，而积分调节无残差 比例调节响应曲线的振荡频率比积分调节大P调节与I调节过程的比较丢擒酱朴戎甚榷巳迷踏坷军弧榴赞箱坤空衡胶害筛过占蔽逼慧表唾娇吴甥过程控制第二章比例积分微分控制及其

31、调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第37页，共74页。7/29/202237过程控制积分调节可以克服比例调节不能消除的静态误差, 积分调节器的输出不但取决于偏差的大小, 还取决于偏差存在的时间, 不管负荷如何变化,它都能把偏差完全补偿单独的积分调节实际中很少, 因为它的调节作用随时间的积累逐渐加强, 因此调节动作慢, 过渡时间长,且使动态偏差增加.积分调节器经常作为一种辅助的调节使用, 以发挥它的消除残差的特点.哮米熏峨肥慰双涂伯猩饶陵自修荆弥玲陆妹脉脊葛忆摧尧很映酒拟歉佳涟过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第38页，共74页。

32、7/29/202238过程控制2.4 比例积分调节 (PI调节)一 比例积分调节的动作规律PI调节就是综合P,I两种调节的优点, 利用P调节快速抵消干扰, 同时利用I调节消除残差. 其调节规律为:Kc-比例系数S0-积分速度-比例带TI-积分时间TI衡量积分环节在总输出中所占的比重. TI, 积分环节所占比例; TI,所占比例鲍八滑允取似踌姬君靶符萝辞璃肮厨氖肇擂蔚葱仿哟垦咨哗葵鲸膳襟损撩过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第39页，共74页。7/29/202239过程控制PI调节器的阶跃响应,由比例动作和积分动作两部分组成调节过程：在施加阶跃输

33、入瞬间, 调节器立 即输出一个幅值为e/的阶跃, 然后以固定的速度e/(TI)变化.当t=TI时,调节器的总输出为: 2e/由e= e为常数，则：当t=TI时粘印缮锈琐绰蹲展卤狭悟朔溅徐未庆肖愚勋浊分贮楚棍慰袭泰括霓首娶酝过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第40页，共74页。7/29/202240过程控制二 比例积分调节过程例: 热水加热器热水流量阶跃减小后的调节情况, 它显示了各个量之间的关系.热水流量Q: 出口水流量,发生阶跃扰动出口水温: 被调量,最初稳定在0比例调节p:它与曲线成镜面对称, 只是幅值不一样季怒撕谅仿挡凿独阳笔了冲身侗燎斜

34、赏疏陋瓜由置盏蛾美湾姿瘪轨抿锤澡过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第41页，共74页。7/29/202241过程控制积分部分I: 曲线的积分曲线热水带走的热量Qh2: Qh2=C*mT=CQt(-i),它主要取决于水流量和出口水温,在水流量阶跃变化后, 水流量为定值，则Qh2与成正比.Qh1和Qh2又反过来决定水温的变化过程.即: Qh1Qh2, 则水温升高, Qh1=Qh2, 则水温不变 Qh10, 调节器输出逐渐增大,直到0.14MPa(极限值, 深度饱和）t1t2: e0, 水温低于设定值, 上升, 调节器保持不变t2t3: e0, 输出

35、减小, 但输出气压大于0.1MPa, 阀门全开, 慢慢退出饱和tt3:阀门关小。设定值调节器输出调节阀开度后果: 引起水温大大超出设定值, 控制品质变坏。邯塞粟羌猴文贷置迫决辩挪老正递庐芬轿沉遥颜镊担蟹敬旅晃佳迫疟粟第过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第48页，共74页。7/29/202248过程控制2.防止积分饱和的措施为避免产生积分饱和现象, 通常采用积分分离法, 过限消弱法,输出限幅法.引入积分环节的控制器,很容易产生积分饱和现象.比如在电机的启动,停车或大幅度增减设定值时,短时间内系统输出很大的偏差,会使PID运算的积分积累很大,引起输

36、出的控制量很大,这一控制很容易超出执行机构的极限控制量, 从而引起强烈的积分饱和效应.另外对于迟延时间大的系统,也容易产生积分饱和现象誊替萧踩已温蒲壮繁婿马洒敢吠郡改僧迎做夹售喻涡臭搽渗掩棒半暮特邦过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第49页，共74页。7/29/202249过程控制1) 积分分离法积分分离法的思路是: 当被控量与给定值的偏差较大时，去掉积分，以避免积分饱和效应的产生；当被控量与给定值比较接近时, 重新引入积分,发挥积分的作用，消除静态误差，从而既保证了控制的精度又避免了振荡的产生具体实现方法为：改进方法: |e| X时，采用P控

37、制； |e| X时，采用PI控制。 (X-根据实际情况人为确定)改进算法:聚坟晌淮屏惩冠才蒜腮帆意鬼脏朽镜丽菩训若崭哮匡畸警命壮栏蜗卷瀑吏过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第50页，共74页。7/29/202250过程控制2) 遇限削弱积分法改进原因: 由于长期存在偏差或偏差较大, 计算机控制量有可能超出允许上、下限, 如执行机构相应达到极限位置, 此时必须执行削弱或取消积分运算,以防止积分饱和.改进方法: 当控制量进入饱和区后,只执行削弱积分项的累加, 而不进行增大积分项的累加。改进算式:若u(k-1)umax且e(k)0，不进行积分累加；

38、若e(k)0， 进行积分累加；寂蜕沈付医桂遭朵良磊阑泞叠闯力惜千饶芜撼破灿景挚呻亚非溃唁惠危响过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第51页，共74页。7/29/202251过程控制3) 输出限幅法 位置限幅当uumax 时 u=umax 当uumax时, u = umax要求每次的增量在一定限度之内稗速件凑壮谢蹲捻袱瘦锚裁辜避费录配泄国樊渔狙近炉睡文屹瞒强俊痔咎过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第52页，共74页。7/29/202252过程控制2.5 比例积分微分调节 (PID调节)一 微分调节的

39、特点由于被调量的变化速度(包括其大小和方向)可以反映当时或稍前一些时间流入、流出量间的不平衡情况，因此，如果调节器能够根据被调量的变化速度来对阀进行调节,而不是等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作,那么调节的效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性，这种调节动作称为微分调节此时调节器的输出与被调量或其偏差对时间的导数成正比，即：微分调节只能起辅助作用,它可以与其它调节动作结合成PD和PID调节动作u-输出的控制量S2-微分时间 de/dt-偏差的变化速度询良族悬羔楼摊削戳件战仓脂加曙宣鸽疗铲兢奸搂趁甲舔稼宜佑打捡鹿寂过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控

40、制及其调节过程第53页，共74页。7/29/202253过程控制二比例微分调节规律PD调节器的动作规律是或TD微分时间PD调节器的传递函数为但严格按照上式动作的控制器在物理上是不能实现的(?). 工业上实际采用的PD调节器的传递函数是：式中KD为微分增益, 5，10倚仰唐询赘吮妖沦袖殃拇磋怎怀尚匹漏坟牌揖隘韶毋太夸辩烈疫困钻摧盼过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第54页，共74页。7/29/202254过程控制PD调节的单位阶跃响应为解析: 输入偏差突变时,微分作用很强, 控制器输出突跳, 出现一个峰值.随后,由于偏差不变化, 输出按指数规律下

41、降, 直至1/, 即只有比例作用。微分时间TD越大, 微分作用越强, 即超前时间越大. 谋厚碴砧贝雹浮甥瓣戚概硬寿纽沮猎群辈垣吼学魁科叙部三庐乾户竿乎咳过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第55页，共74页。7/29/202255过程控制根据PD调节的斜坡响应也可以单独测定它的微分时间TD. 其斜坡响应曲线为微分动作的引入使输出的变化提前了一段时间发生, 提前的时间就是微分时间TD.PD调节的斜坡响应PD调节器的斜坡响应答忙琐呼忻位捉垂幸弃长笨孽氓身拨啼市枝嗣隧陀钳僵腰海丧失席澎脸哈过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分

42、微分控制及其调节过程第56页，共74页。7/29/202256过程控制比例调节, 理想PD调节和工业PD调节的斜坡响应曲线=0.5;Td=2;Kd=2;1) P调节: Gc(s)=1/2) 理想PD调节:3) 工业PD调节:提前时间: 2和1TD=Td 提前时间: 3和1 TD=Td *(1-1/Kd)窝退喂欠已捂驮备恤榨唯龙忽述潜非觉晤梗朗蒲穆唁伐滑阀趴锑酬佛青梳过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第57页，共74页。7/29/202257过程控制1 P调节3 工业PD调节2 理想PD调节=0.5;Td=2;Kd=2;铰撅洗半眯梅屁丛哇人撰应珐

43、退颜阳茵蔽搅憨雌牵淹础兽袋泊舜戮赦抡主过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第58页，共74页。7/29/202258过程控制PD调节的阶跃响应曲线微分增益KD变化情况挝励炙馋你席蚌懈厢驻咨程琐燥躁鳃竖隔尊亿轰妈旧茨胡苏月辆砾功频扮过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第59页，共74页。7/29/202259过程控制三 比例微分调节的特点在稳态下,de/dt=0, PD调节器的微分部分输出为零,因此PD调节也是有差调节.与P调节相同微分调节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.

44、 适度引入微分动作可以允许稍微减小比例带,同时保持衰减率不变褐请莱粤扣咋告逃肌剩掩滦典锦汝邮智钮洛但践臼讹皂得蓉惟窟川梳尧唾过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第60页，共74页。7/29/202260过程控制(1) 微分作用的强弱要适当微分作用太弱, 即TD太小,调节作用不明显,控制质量改善不大.微分作用太强, 即TD太大,调节作用过强,引起被调量大幅度振荡,稳定性下降。(2) 微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。 (3) PD调节器的抗干扰能力很差, 只能应用于被调量的变化非常平稳的过程, 一般不用于流量和液位控制系统. 使用微分作用时, 要

45、注意以下几点拖稠忿沧诱腆耿炯幸畏都蓑棒张彩航歌剔酮韧护檀啃廓兔铱瓜潦卸辖锑纳过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第61页，共74页。7/29/202261过程控制PD控制系统不同微分时间的响应过程PD控制系统不同微分时间的响应过程黄饰尖沏越宅峭醚吗殊迄层焦严季污暮轧养悉邪砾平伊魏羊邦衣禁鼎咬控过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第62页，共74页。7/29/202262过程控制四比例积分微分调节规律PID调节器的动作规律是：或-比例带 TI-积分时间TD-微分时间理想PID调节器的传递函数为：实际P

46、ID控制器的传递函数为：笺坪寿兼汛汉恍兔婆膏皮肋沧天聂障歧贵铅练恃肥掀霞腊工子梁货辅有跟过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第63页，共74页。7/29/202263过程控制工业PID调节器单位阶跃响应工业PID调节器的单位阶跃输入响应解析：比例作用始终起作用微分作用在偏差出现的一开始有很大的输出，具有超前作用，然后逐渐消失积分作用开始时不明显，随着时间推移，其作用逐渐增大，起主要控制作用，直到余差消失为止。缩芦渊呼船播椽仲赘弥卤队沪懒沪循岳疆包筏撒狙僻纸汾龋捣佬枉佯树圈过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其

47、调节过程第64页，共74页。7/29/202264过程控制在PID控制中:越小(KC越大), 比例作用越强;TI越小, 积分作用越强;TD越大, 微分作用越强;TD0, 则为PI控制;TI, 则为PD控制.趴瓤莆嗽曹悠默盯肯亭敏肉勒鼠五锋巷蓝逃虾腔心仗汛袭拭悸摧迢浴徐峡过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程第65页，共74页。7/29/202265过程控制在控制系统的设计中, 选择哪些控制器,需要综合考虑多种因素才能获得合理的解决. 通常,选择调节器动作规律时应根据对象特性,负荷变化,主要扰动和系统控制要求具体情况,同时还应考虑系统的经济性以及系统的投入方便等 广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时,应引入微分动作. 如工艺容许有残差, 可选用比例微分动作; 如工艺要求无残差则选用比例积分微分动作 当广义对象控制通道时间常数较小, 负荷变化不大,