单回路PID控制器 省赛获奖

PID控制仪表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称为积分速度积分调节（I调节）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与调节阀膜头的上部空腔相通，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个恒定的压力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P＝Po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P≠Po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。二积分作用的特点---无差调节只有当被调量偏差e为０时，积分调节器的输出才会保持不变．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．2、稳定作用比P调节差．1、无差调节I调节不如P调节反应及时，具有滞后性。

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．三、积分速度对调节过程的影响积分作用对控制性能的影响积分时间Ti对系统性能的影响： 引入积分作用可以消除稳态余差，但控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti过小），可能使控制系统不稳定。P调节与I调节过程的比较P调节：反应及时，超调量小，有差调节I调节：滞后性，稳定性差，无差调节。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δ---比例带TI---积分时间比例积分调节（PI调节）调节过程：在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为△e/δ的阶跃，然后以固定的速度△e/δTI变化.当t=TI时，调节器的总输出为:2△e/δ由e=△e为常数，代入式中则：当t=TI时积分部分比例部分PI调节过程PI调节引入积分消除系统残差，却降低了原有系统的稳定性。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调节在比例带不变的情况下，减小积分时间TI，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。图PI控制系统不同积分时间的响应过程积分时间常数TI过大：积分环节作用微弱或者不起作用积分时间常数TI过小：出现振荡，系统趋于不稳定一微分调节的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．微分调节是根据偏差信号的微分,即偏差变化的速度而动作的.即：比例积分微分调节（PID调节）P和I是根据偏差的方向和大小进行调节的。U--输出的控制量S2--微分时间de/dt---偏差的变化速度微分控制的特点：微分控制作用是对偏差的变化速度加以响应的，因此只要有偏差变化，控制器就能根据变化速度的大小，改变输出信号。所以可及时克服干扰的影响，抑制偏差的增长，提高系统的稳定性，即微分具有超前作用。微分只与偏差变化速度成正比，与偏差大小无关，当偏差固定不变时，输出变化为零，所以不能消除余差，而且控制效果比纯比例控制更差，不能单独使用。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）理想PD调节器的传递函数为实际PD调节器的传递函数是：式中KD为微分增益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．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．使用微分作用时，要注意以下几点：（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，控制质量必改善不大。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，这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。四比例积分微分调节规律PID调节器的动作规律是：或δ---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PID控制器的传递函数为：理想的比例积分微分控制器微分时间Td对系统性能的影响 微分作用的增强（即Td增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响在P上加入微分，可减小过渡过程的最大偏差及控制时间。在P上加入积分，能消除余差，但使过渡过程的最大偏差及控制时间增大。各种调节动作对应的响应过程

δ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；

TD＝0，则为PI控制；

TI＝∞，则为PD控制；在PID控制中：工业PID控制器的选择*1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。PID工程整定法1-经验法 针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。

工程整定法2-临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比例增益KC为一个较小值，并投入闭环运行；2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况；3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡；4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax。临界比例度法(续)控制规律KcTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu根据等幅振荡曲线得到的振荡周期Pu和产生等幅振荡的控制器增益Kcmax，对所选择的控制规律查表得到控制器参数。工程整定法3-衰减曲线法按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的整定参数设置在调节器上，再观察运行曲线，若不太理想，还可作适当调整。临界比例度法的局限性： 生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。工程整定法3-衰减曲线法衰减曲线法的注意事项：（1）对于反应较快的控制系统，要认定4:1衰减曲线和读出Ts比较困难，此时，可认为记录指针来回摆动两次就达到稳定是4:1衰减过程。（2）在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数值。（3）若认为4:1衰减太慢，可采用10:1衰减过程。对于10:1衰减曲线法整定调节器参数的步骤与上述完全相同，仅仅所用计算公式有些不同。工程整定法4-响应曲线法响应曲线法PID参数整定步骤： （1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线； （2）根据单位阶跃响应曲线求取“广义对象”的近似模型与模型参数； （3）根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。响应曲线法阶跃响应测试法（续1）对象的近似模型：响应曲线法特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。整定公式：单回路系统的“积分饱和”问题问题：具有积分作用的调节器,只要被调量与设定值之间有偏差,即e=r-y≠0,其输出就会不停地变化．当存在大的外部扰动时(如阀门关闭，泵故障)

，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值，这种现象称为积分饱和现象

。

而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。危害：①使调节系统失去调节作用；②调节不及时易造成事故右图为加热器水温控制系统：采用了PI调节器，调节阀选用气开式．调节器为反作用方式。e=θr-θt0～t1:e>0,调节器输出逐渐增大，直到0.14MPa(极限值）t1～t2:e>0，调节器输出仍增加t2～t3:e＜0，输出减小，但输出气压大于0.1MPa，阀门全开t>t3:阀门关小。设定值调节器输出调节阀开度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．

改进方法：

|e(k)|>A时，采用PD控制；

|e(k)|A时，采用PID控制。

改进算法：其中PID控制PD控制(1)积分分离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．(2)过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；若e(k)<0，进行积分累加；若u(k-1)≤umin且e(k)≤0，不进行积分累加；若e(k)>0，进行积分累加；单回路系统的防积分饱和讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。手自动无扰动切换问题与实现实现方式：在Auto（自动）状态，使手