比例积分微分控制及其调节过程省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

ProcessControl

过程控制

清华大学自动化系

王京春1/51第二章百分比积分微分控制

及其调整过程§2-1控制系统动态过程品质指标§2-2调整器基本特征§2-3百分比控制器及其调整过程§2-4积分制器及其调整过程§2-5百分比积分控制器及其调整过程§2-6百分比积分微分控制2/51§2-1控制系统动态过程品质指标一.品质指标：1.要求：稳定，准确，快速。以稳定性为首要指标；三者相互联络，相互制约；评价系统好坏，应依据实际情况，综合考虑三个方面2.性能指标：稳定性指标：衰减率

，普通为75％～90％3/514/51准确性指标：稳（静）态偏差：新稳定值与设定值差值在干扰作用下在给定值作用下最大动态偏差：动态过程中被控量与设定值最大差值超调量：定值扰动下，经惯用它来描述动态准确性。5/51快速性指标：过程调整时间ts以稳定值5％或2％作一许可误差范围，从过程起点到被控量到达并保持在这一范围内所需要时间6/51综合指标：误差积分绝对误差积分平方误差积分时间与绝对误差乘积积分7/513.二阶系统性能指标

与特征参数关系

m是特征根实部与虚部之比，被称为系统相对稳定度，衰减率ψm阻尼比ζ0.750.2210.2150.90.3660.3440<ζ<1ζ↑→m↑→ψ↑系统趋向稳定。8/51§2-2调整器基本特征常规控制器组成：给定值设定机构，偏差比较机构，控制运算模块。9/51一.调整器正、反作用：调整器首要任务是要组成一个负反馈系统，以维持系统稳定。经过分析系统其它步骤正负号，正确选择调整器正反作用，使系统成为负反馈系统工业调整器正反作用定义正作用：测量值↑→控制作用↑反作用：测量值↑→控制作用↓测量值增大与减小基准是设定值10/51正反作用选择标准

广义过程为＋时， 选反作用控制器 广义过程为－时， 选正作用控制器+-ryuym++++11/51二.运算规律调整器以偏差e为输入，控制（操作）量为输出百分比作用(Proportionalcontrol,P)百分比调整器参数：百分比放大倍数Kc百分比带

；12/51积分作用(IntegralControl,I)

积分调整器参数:积分速度Ki，积分时间TiPI作用13/51微分作用(Derivative,D)理想微分实际微分PD作用14/51

传递函数：euMATLAB中PID控制器15/51§2-3百分比控制器及其调整过程一.百分比控制器动作规律：传递函数：百分比控制器调整参数：Kc:百分比放大倍数；δ：百分比带；

阶跃响应曲线yu16/51

二.控制实例：浮子水位控制以原始平衡点作为设定点。例：流入量0.5t/h;流出量0.5t/h,水位高度40cm;流出量?新水位高度？17/51杠杆水槽液位浮子+-r=40cmyuym+++进水阀D出水阀浮子水位控制系统框图18/51实例小结阀位与偏差一一对应：阀门位置与水位（浮子）位置一一对应。按百分比动作：阀芯移动数值与浮子上下移动数值成百分比，比值是杠杆比。百分比控制是有差控制：它必定存在静态偏差。百分比控制是一个有效控制作用。19/51三.百分比带定义：百分比带是一个无量纲纯数值其物理意义为：调整阀从全开到全关（输出作全量程范围改变时），输入（被控量）改变占其全量程改变范围百分数。输入输出是相对于控制器而言20/51例：一个温度控制系统，温度变送器量程为100－200℃，当温度改变4℃时，可使调整阀从50％到70％改变，百分比带百分比带＝输入/输出；百分比带越大，控制作用越弱；百分比带越小，控制作用越强。21/51四.百分比控制系统调整过程换热器采取百分比控制1.调整器正反作用讨论换热器蒸汽w

2D,1TC22/512.静特征：调整器静特征：偏差与控制信号对应关系过程静特征：在流入侧温度一定，入口流量一定时，蒸汽阀门开度与出口温度对应关系（不一样负荷流量下，有不一样静态特征曲线。

1

A

O

A

BQ1<Q2ABOC

C

B

O

C调整器与水温Q1流量下水温与调整阀Q2流量下水温与调整阀23/51系统静态工作点：系统静态工作点应在过程与调整器两条静态特征交点O上。调整动作：入口流量D↓→温度↑→调整器使阀门↓→正确控制使温度趋于↓，最终到达一个新平衡点A。终点：新温度高于O温度，新阀门位置低于

O温度偏差与控制器输出或阀门位置一一对应，控制结果必定有静态偏差24/513.动态过程：

温度控制系统动态过程分析基本思绪：能量平衡，进出热量不平衡引发温度改变，温度改变引发调整阀门动作t1t2t3t4D1D0

qoqi25/5126/51五.百分比带对系统性能指标影响给定通道分析27/51干扰通道分析28/51当Kc↑（δ↓)时，引发ω↑;ζ↓ψ↓稳定性变差；工作频率ω↑动作加紧；e(∞)↓稳态偏差减小;对给定通道，当Kc↑（δ↓)时，引发最大动态偏差增大（前向放大倍数增大)；对干扰通道，Kc↑（δ↓)时，引发最大动态偏差减小（因为控制作用强而有效抑制干扰）29/51§2-4积分控制器及其调整过程一.积分控制器动作规律Ki:积分速度；Ti:积分时间；积分时间越大，积分作用越弱。积分时间是指控制器在阶跃作用下，从起点到控制器输出累计到与输入量相等所需要时间Ti30/51PI作用31/51二.积分控制系统调整过程1.实例：自立式气压调整阀32/512.积分控制系统特点：a.无差控制：只要有偏差存在，控制器就会一直调整输出，直到偏差为零b.动作过程慢：积分步骤有90°相角滞后，增加一个滞后步骤，使过程变慢。c.积分作用对系统稳定性不利33/51三.积分控制器调整参数改变对系统性能指标影响34/51给定通道干扰通道35/51当Ki↑(Ti↓)时，引发ω↑;ζ↓ψ↓稳定性变差；工作频率ω↑动作加紧；若系统稳定，e(∞)稳态偏差为零;对给定通道，当Ki↑(Ti↓)时，引发最大动态偏差增大(前向放大倍数增大)；对干扰通道，当Ki↑(Ti↓)时，引发最大动态偏差减小(因为控制作用强而有效抑制干扰)36/51§2-5百分比积分控制器

及其调整过程一、百分比积分控制器动作规律TiQ

p

iQh1Qh237/51二、百分比积分控制过程特点无差控制百分比控制作用为主积分控制作用为辅（仅用于消除稳态偏差）百分比、积分作用参数要相互配合三、积分饱和与抗积分饱和办法38/51

u0.100.140.10->100%+-ruym++-39/51+-ruym++-+-KHSLSbuhuquaShf间歇单元EhAAhEoEiR1RIC1C2R2S40/51§2-6百分比积分微分控制一、微分作用及其特点理想微分实际微分微分时间Td；微分增益Kd提供0至90o导前角，改进系统动态特征微分作用在静态时输出为0，无控制作用41/51二.百分比微分控制器动作规律传递函数阶跃响应曲线调整器调整（特征）参数42/5143/5144/51三.微分作用对系统性能指标影响对稳定性影响适当引入微分，可提升系统稳定性对稳态性能影响无作用对其它性能指标影响引入Td

，可提升快速性，提升系统工作频率45/51特征方程：按Roth判据可得，稳定范围为1.32<Td<7.68Td太大或太小，都会破