过程控制：第六讲 PI调节和PID调节

1、1 PI调节器2 PD调节器3 PID调节器第六讲 PI调节和PID调节主要讲解内容1.1 比例积分调节规律（PI）PI输出响应由比例和积分两部分组成 当 t=TI u= 2KCe0由此可确定积分常数。或者1 PI调节器TC冷水Q蒸汽D冷凝水热水例 11.2 PI调节过程： t1t2加热器水温PI控制系统在热水流量的阶跃扰动下的调节过程Qh2Qh1 上图可以看出，残差的消除是PI调节积分动作的结果。正式积分部分的阀位输出使得调节阀开度最终得以消除得以到达抵消扰动所需的位置。比例部分的阀位输出 在调节过程的初始阶段起较大作用，但是调节后又返回到扰动发生前的数值。设代表调节过程结束后阀门开度的变化

2、量，则有或者 上式表明，IE除与负荷变化幅度成正比外，还与PI调节器参数的乘积 成正比，这使得IE称为非常易于计算的评价指标。IE1.3 对稳定性的影响（从幅频特性分析）对象和控制器分别表示为积分作用引入相位向量 在KC不变时，TI，积分作用越强，稳定性越差，幅值裕量下降，相角裕量下降振荡频率下降.1.4 比例积分调节的特点 无差调节（吸收了积分规律的优点） 调节及时 （吸收了比例规律的优点） 浮动调节KC不变TI S0 衰减率 稳态误差ess=0超调量 振荡频率 TI 不变KC 衰减率 稳态误差ess 超调量 振荡频率 1.5 对系统控制性能指标的影响 与P调节相比较，在P调节的基础上加入积

3、分I，将使系统的稳定性下降，为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大。 PI控制系统不同积分时间的响应过程示例图示为同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线可以看出，TI过大时积分作用不明显，余差消除也慢，从图中曲线、可以看出，TI较小时易于消除余差，但TI过小，系统的振荡加剧。相比之下，曲线比较理想。 1.6 积分饱和现象和抗积分饱和的措施 有I的系统中，在某范围内I输出uI与e的时间积分成正比，若由于某种原因（如阀门），被调量偏差一时无法消除，然而调节器还是要试图校正这个偏差，而控制输出达到一定限值后就不再继续上升或下降，调节器将进入饱和状态，这种现象称为积分饱和。

4、 积分饱和现象将导致调节滞后，对稳定、以及预期的控制目标将产生不利的影响。在积分控制的应用中，积分饱和则是指积分过量 (windup )现象。例1：压力安全放空系统 当P高于设定值，应该放空。但在P达到设定值时(t2)，偏差反向，输出因积分作用未反向而一直上升到0.14MPa。但输出下降到0.1MPa(t3)，控制阀才开始打开，偏差反向后，输出不能及时反向，造成动态偏差加大，控制品质变差气关阀 反作用t1时刻p等速升误差反向0.1MPa以下控制阀开始打开 控制器未起作用 31 七月 2022 *No. 10给定值r被调量yeu-阀门TC冷水Q蒸汽D冷凝水热水yur调节滞后P34图2.3/PI调

5、节气开式反作用积分饱和的防止积分外反馈PI调节器内部切换实现防止积分饱和的策略：在偏差为零时，第一项不超限采用输出限幅：只对调节器的输出限幅采用对 限幅：方法 如取一定值UB，则UB =0时积分为0，从而防止积分饱和，在选择、串级控制系统中常采用积分外反馈（1）接入外部积分反馈 若在正反馈回路中加入一个间隙单元，可防止积分饱和现象的出现 u1称正微分，KD1称反微分微分先行：对测量值微分，又称测量微分，常用于随动系统。2.3 比例微分控制算法使用注意事项微分先行PD阶跃响应3 PID调节器PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，从控制效果看，是比

6、较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲线和PD阶跃响应曲线的叠加。 PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，但并非任何情况下都可采用PID三作用控制器。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。3.1 比例积分微分调节(PID)规律实际PID传递函数为理想PID算法为理想PID传递函数为PID阶跃响应曲线比较理想PID实际PID 气动调节器常采用PI与PD串联连接，即其中 电动调节器采用更复杂的形式，等效传函其中 其中带为调节器参数的实际值，不带的为刻度值。F称为互干扰系数。DDZ型调节器PID电路实例

7、求U2（s）/U1(s),并说明是什么控制器 U2(S) / U1(S) = (R1 + 1 / C1S) / (R0 / C0S ) / (R0 + 1 / C0S) = (R1 / R0 + C0 / C1 +1 / R0C1S+ R1C0S)此控制为PID控制 I调节PI调节P调节PD调节PID调节3.2 相同衰减率下，各调节规律比较PID的调节效果最好(从超调量、过度过程时间、稳态误差)，PI其次，PD次之(有差)，P再次之，I调节最差 调节规律的选择原则：尽量采用简单的控制规律。3.3 如何选择调节器的动作规律 总方针：PID的调节效果最好，但有三个参数要整定，如整定不合适，则导致系

8、统不稳定，适得其反。一般可按：先比例 ，再积分，然后才把微分加。对象T大或长，应引入D作用；允许有差则可选PD调节；系统要求无差，则选PID规律。对象的T 较小，受扰动影响不大，系统要求无差，则使用PI调节。（如锅炉水位控制等）对象的T 较小，受扰动影响不大，系统可有差，则使用P调节。 对象T大或很长，受扰动影响也很大，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统(如汽温控制系统)若广义对象的传函可近似为典型的自衡过程 ，选择P或PI调节，选择PD或PID调节 ，用复杂控制。P基本作用，输出、输入无相差。Kc ()作用增强，余差下降，超调减小,稳定性变差P引入I后消除余差,但幅值增加,相位滞后,稳定裕度下降，为保持稳定裕度,Kc减少10-20%(增加10-20%). TI 越短作用越强,TI 趋向无穷大无积分作用.应防积分饱和.P引入D后幅值增加,相位超前,使稳定裕度提高,为保持同样稳定性裕度,Kc应增加10-20%(减少10-20%).D能克服滞后,但对时滞无作用.Td 越大作用越强,Td =0无微分。小结No. 31 本章重点回顾 基本P、I、D特点及特征参数的物理意义； 实际P、PI、PD及PID调节规律，及各