2.1-5 PID及其调节.ppt

1、2020年8月17日星期一 08:07,No. 1,2-1 基本概念 基本控制算法,基本PID控制算法,PID调节的优点,调节器偏差的定义, 调节器正反作用定义,正反作用的判断方法 2-2 比例调节 比例调节规律(P调节),比例带,调节过程, 特点 ,KC变化对系统性能指标的影响 2-3 积分调节 积分调节规律(I), 过程 , 特点 , TI变化对性能指标的影响,与P调节比较 2-4 比例积分调节 比例积分调节规律(PI), 调节过程 , 比例积分调节的特点, 对系统控制性能指标的影响, 与P调节比较, 积分饱和现象 2-5 比例积分微分调节 微分调节(Derivative Control)

2、,比例微分调节(PD),比例微分调节特点,比例微分控制算法使用注意事项,比例积分微分调节(PID),PID控制作用对过渡过程的影响,2020年8月17日星期一 08:07,No. 2,控制仪表概述,控制仪表包括:调节器和执行器,调节器,气动执行器,控制仪表,模拟表,数字表,基地式仪表,DDZ仪表,智能调节器,可编程调节器,组件组装仪表,执行器,电动执行器,2020年8月17日星期一 08:07,No. 3,气动控制仪表的特点 (QDZ) ：,结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜； 并且具有本质安全防爆性能； 特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。,2020年8月17日星期一 08:07

3、,No. 4,电动控制仪表的特点：,可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。 由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所， 因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 5,单元组合式仪表(DDZ),按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；,2020年8月17日星期一 08:07,No. 6,具有比传统模拟

4、仪表更为丰富的运算和控制功能， 它可以提供多种软件功能模块，由用户根据生产控制的要求通过组态完成各种运算处理和复杂控制， 具有很大的应用灵活性， 但其软件系统比较复杂。,可编程调节器,2020年8月17日星期一 08:07,No. 7,信号制及供电方式,信号制-指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出间采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。,气动控制仪表：0.020.1MPa 气源压力: 0.14MPa,电动控制仪表， 电动型：采用010mA（DC）电流信号 电动型： 采用 420mA（DC）电流信号 供电: 24V（DC） 15V（DC）电压信号,传输方式：进出控制室的传输信号采用电流信号

5、， 控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号,2020年8月17日星期一 08:07,No. 8,调节规律概述,调节规律:指调节器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。在单回路定值控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即：e(t)= y(t)r(t) 式中e(t)偏差，y(t)被控变量的测量值， r(t)被控变量的给定值 调节器的输出信号是相对于调节器输入信号e的输出的变化量u。 如果输入e与输出u的变化方向相同，则称调节器为正作用调节器； 反之，如果输入e与输出u变化方向相反，则称调节器为反作用调节器。,2020年8月17

6、日星期一 08:07,No. 9,调节规律的表示形式例：双位调节,或者,2020年8月17日星期一 08:07,No. 10,2-1 PID：基本概念,控制器,统计表明生产过程80%的控制可以用PID控制器构成单回路反馈控制系统进行控制（简单控制系统）。,PID控制是比例积分微分控制的简称。是一种负反馈控制。即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用是对输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。,控制器包括求偏差和PID运算,2020年8月17日星期一 08:07,No. 11,1）比例（proportional）控制作用：控制作用u与偏差e成比例,2）积分（int

7、egral）控制作用：控制作用u与偏差e对时间的积分成比例,3）微分(derivative)控制作用：控制作用u与偏差e对时间的导数成比例,1.基本控制算法,2020年8月17日星期一 08:07,No. 12,2.基本PID控制算法,传递函数为：,理想PID,参数物理意义为：,2020年8月17日星期一 08:07,No. 13,实际PID的传递函数为：,实际微分,KC：比例系数 TI：积分时间 TD：微分时间 KD：微分增益,并联实现,串联 实现,2020年8月17日星期一 08:07,No. 14,3PID调节的优点 原理简单（适用和实现方便） 适应性强（应用面宽） 鲁棒性强（对过程变化

8、不敏感） 4调节器偏差的定义 （1）按仪表制造业的规定：,调节器偏差=测量值-给定值，即,（2）控制系统偏差的定义：,二者相反！,2020年8月17日星期一 08:07,No. 15,（1）控制规律与环节的正反作用, 常用控制一般都采用PID控制，通过适当调节比例常数、积分时间常数和微分时间常数可以实现多种控制规律 实际控制系统的每个环节都有正反作用规律： 测量环节：间接指标与直接指标反向对应； 控制环节：可以用被测参数减去设定值，也可以用设定值减去被测参数； 执行环节：控制信号加大执行结果加大(如气开阀)或减少(如气关阀),5.调节器正反作用,2020年8月17日星期一 08:07,No.

9、16,正作用：e* (y-r) (e (r-y) ) u，即KC为负 反作用：e * (y-r) (e (r-y) ) u，即KC为正,设置正反作用的目的 ： 使控制系统能够构成负反馈系统！,控制器(调节器),2）调节器正反作用的定义,e*和 u变化方向相同,e*和 u变化方向相反,2020年8月17日星期一 08:07,No. 17,（2）调节器正反作用的设置,设置的目的：保证控制系统构成负反馈系统 负反馈准则：控制系统的开环总增益为正 开环总增益：各环节的增益之积 环节增益为正：环节的输入增加时，输出也增加,2020年8月17日星期一 08:07,No. 18,6正反作用的判断方法:,e（

10、r-y）e*(y-r),y,对象K0为负，控制器作用应使u,正作用,例1：如图为过热蒸汽温度控制系统，选择控制器TC,2020年8月17日星期一 08:07,No. 19,确定调节器正反作用的步骤： 1）根据工艺安全性的要求，确定控制阀的作用方式，如气开阀的增益为正，气闭阀的增益为负； 2）根据对象的输入和输出关系确定对象增益的正负 3）根据检测变送环节的输入输出关系确定检测变送环节的增益正负 4）根据负反馈准则，确定调节器的正反作用,2020年8月17日星期一 08:07,No. 20,负反馈准则,2020年8月17日星期一 08:07,No. 21,气开阀,例二,+,+,+,调节器反作用,

11、+,2020年8月17日星期一 08:07,No. 22,蒸汽,气闭阀,例三：加热系统,+,+,调节器正作用,2020年8月17日星期一 08:07,No. 23,2-2 比例调节（ proportional Control）,比例调节规律 ( P调节),KC称为比例增益（proportional gain） 称为比例带( proportional band),u0是偏差e=0时调节器的输出初始值,方程为,传函为,实际输出为,阶跃响应,2020年8月17日星期一 08:07,No. 24,2. 比例带(比例度proportional band),即e和u为无量纲、单元组合仪表、数字控制装置时

12、则有,工程上常用比例度(或称比例带)表示比例作用的强弱, 越大，比例调节作用越弱，越小，比例调节作用越强,2020年8月17日星期一 08:07,No. 25,的物理意义：使调节阀开度改变100%(即从全关到全开)所需要的被调量的变化范围。,*比例作用的线性关系只在一定范围其作用,在Kc较大时，|e|达到50%/ Kc时，控制器输出将达到0%100%，e增大u将不再改变，进入饱和状态，是具有饱和区的比例特性，从局部看是线性，从整体看，是非线性,2020年8月17日星期一 08:07,No. 26,比例带指在这样偏差内u与e为线性关系,考虑仪表刻度不均匀性，比例度也可定义为,2020年8月17日

13、星期一 08:07,No. 27,3.调节过程：,2020年8月17日星期一 08:07,No. 28,比例度对控制过程的影响,比例度的选择原则: 若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 29,曲线1比例调节器静特性 曲线2热水流量Q0对象静特性 曲线3热水流量下降为Q1对象静特性,调节器为反作用,例：加热器出水控制系统,/P34,无调节,比例调节的特点:及时、快速，缺点是存在静态误差，因此亦称有差调节。,20

14、20年8月17日星期一 08:07,No. 30,例：水位调节系统,2020年8月17日星期一 08:07,No. 31,4.比例调节的特点,调节作用及时。KC 调节作用增强,调节有差,自衡对象：,非自衡对象：,比例调节也称为粗调,越小，稳态误差越小,2020年8月17日星期一 08:07,No. 32,5.KC变化对系统控制性能指标的影响,KC增加,2020年8月17日星期一 08:07,No. 33,1.积分调节规律(I 调节),，,S0为积分速度 ，表明积分作用的大小，即偏差为1时输出信号的变化率,工业调节器常用其倒数TI表示积分作用大小， TI称为积分时间，即,2020年8月17日星期

15、一 08:07,No. 34,pp0时，杠杆逆时针转动，带动阀杆向下移动，关小阀门，气体较少地通过阀门，导致阀后压力下降。阀杆的移动速度与压力偏差成正比,当压力逐步恢复到p=p0时，阀门停在一个新位置,改变针形阀的开度可改变积分速度S0(1/TI)的大小,2.调节过程/P36,针阀,2020年8月17日星期一 08:07,No. 35,3. 积分调节的特点, 无差调节，故也称为细调, 调节作用不及时, 浮动调节：调节阀开度与当时的被调量的数值本身没有直接关系, 积分作用使系统稳定性变差 TI 调节作用增强,2020年8月17日星期一 08:07,No. 36,4.TI变化对系统控制性能指标的影

16、响,2020年8月17日星期一 08:07,No. 37,5.与P调节比较,兰线为二阶对象比例调节,静态：I调节优于P调节，动态：P调节优于I调节,j,红线为二阶对象积分调节,2020年8月17日星期一 08:07,No. 38, 系统稳定性下降（加了一个位于原点的开环极点） 静态：无稳态误差； 动态：由于调节不及时较大 在相同的稳定裕度下，振荡频率低，调节过程加长,结 论 积分调节虽然可消除稳态误差，但调节缓慢，动态超调量加大，而且使系统的稳定性变差。工业上一般不单独使用积分调节作用,2020年8月17日星期一 08:07,No. 39,1.比例积分调节规律（PI）,PI输出响应由比例和积分

17、两部分组成 当 t=TI u= 2KCe0由此可确定积分常数。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 40,TI称为积分时间，或重定时间；,积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出 所经历的时间。 积分时间越短，表示积分项的上升速度越快，故积分作用越强;反之，积分作用越强。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 41,积分时间对过渡过程的影响,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

18、较理想。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 42,PI调节,2.调节过程：,t1,t2,2020年8月17日星期一 08:07,No. 43,控制器积分时间变化时的输出曲线,2020年8月17日星期一 08:07,No. 44,2020年8月17日星期一 08:07,No. 45,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,2020年8月17日星期一 08:07,No. 46,3 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

19、律的优点） 浮动调节,4. 对系统控制性能指标的影响,2020年8月17日星期一 08:07,No. 47,5.与P调节比较,在P调节的基础上加入积分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,2020年8月17日星期一 08:07,No. 48,6.积分饱和现象 (windup),有I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 积分饱和现象将导致调节滞后，对稳定、以及预期的控

20、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,2020年8月17日星期一 08:07,No. 49,仪表范围的最大(小)值(电动20mA和4mA，气动0.1MPa 和0.02MPa)，达到最大(小)极限值(如气动的 0.140.16MPa和0MPa)偏差反向时，调节器输出不能及时反向，要一定延时后，调节器输出才能从极限值回到仪表范围的最大(小)值，期间调节器不能发挥调节作用，造成调节不及时。 内因是调节器包含积分控制作用，积分输出达到某一限值； 外因是控制器长期存在偏差,控制器输出会不断增加或减小,直到极限值。如阀关闭或控制器未选中等,2020年8

21、月17日星期一 08:07,No. 50,积分饱和和积分过量： I和P作用一样，在一定范围内起作用，输出达到限值后就不再升或降，即积分作用的饱和特性； 常将积分过量称为积分饱和； 当偏差存在时由于I作用，调节器输出可在任意位置，可消除静差； e存在时因I输出在任意位置，当达某一限值使误差反向时，则积分饱和造成输出不能及时反向； 积分饱和造成执行机构不能及时改变方向的现象称为积分饱和现象,2020年8月17日星期一 08:07,No. 51,例：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0.1MP

22、a(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,2020年8月17日星期一 08:07,No. 52,P34图2.3/PI调节,气开式,反作用,2020年8月17日星期一 08:07,No. 53,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,2020年8月17日星期一 08:07,No. 54,如取一定值UB，则UB =0时积分为0，从而防止积分饱

23、和，在选择、串级控制系统中常采用积分外反馈,2020年8月17日星期一 08:07,No. 55,例如在正反馈回路中加入一个间隙单元, uuhLS选反馈信号f=u，正常积分(不考虑HS), 积分饱和时u=uh，则LS选f=ua，切换为比例作用,若负荷uh=0，无HS，则e较大时ua很小，当e减小时，u在零下将持续一段，调节速度变慢；,若使LS的输入为Sh，且Sh uq， uq为比例工作点，e=0时u=uq切为比例作用,2020年8月17日星期一 08:07,No. 56,1.微分调节（Derivative Control）,D调节仅根据e的变化速度来产生控制信号， e不变则没有控制输出。微分调

24、节不单独使用,实际微分传递函数,单位阶跃响应,2020年8月17日星期一 08:07,No. 57,2.比例微分调节（PD）,微分时间TD（derivative time constant）：在单位斜坡信号作用下，达到同样输出时PD比P作用提前达到，提前的时间就是微分时间。, 理想PD控制算法, 理想PD特点： 对高频信号放大系数大，频率越高放大系数越大 阶跃输入下输出脉冲，对控制无益且实施困难。,单位斜坡响应,比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间成正比。微分时间越长，微分作用越强。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 58,调节规律的表示形式比例微分调节(PD),对PID调

25、节器而言，当积分时间TI时，控制器呈PD调节特性。此时输出与输入的关系如式所示。,理想PD控制器的阶跃响应曲线,在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 59, 实际比例微分调节（PD）,单位阶跃响应,KD一般取510,2020年8月17日星期一 08:07,No. 60,面积为微分作用大小,频率特性,TD,2020年8月17日星期一 08:07,No. 61,3.比例微分调节特点,相同衰减率下, TD微分调节作用增强 有差调节，余差与比例调节相同； 超前调节，适当微分可减小超调量，减少振荡倾向。,PD系统和P系统的调节过程

26、,TD对PD控制过程的影响,2020年8月17日星期一 08:07,No. 62,微 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影 响,PD控制优点：提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。 PD控制不足之处： 一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次,当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启,易造成系统振荡。 PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 63,微分改善高阶对象控制品质 微分适当，过大过小都不好； 不能改善纯滞后对象品质；

27、 微分放大高频噪声，故流量、压力用反微分或先对测量值滤波 实际PD中KD=1为比例作用，KD1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。,4. 比例微分控制算法使用注意事项,微分先行,PD阶跃响应,2020年8月17日星期一 08:07,No. 64,5.比例积分微分调节(PID),实际PID传递函数为,理想PID算法为,理想PID传递函数为,2020年8月17日星期一 08:07,No. 65,PID阶跃响应曲线比较,理想PID,实际PID,2020年8月17日星期一 08:07,No. 66,调节规律的表示形式比例积分微分调节(PID),PID控制规律

28、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。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 67, 气动调节器常采用PI与PD串联连接，即,其中,2020年8月17日星期一 08:07,No. 68, 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

29、实际值，不带的为刻度值。F称为互干扰系数。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 69,PID电路例,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,2020年8月17日星期一 08:07,No. 70,DDZ-III调节器,DDZIII型调节器正面图 1位号牌 2内外给定指示 3内给定设定拨盘 4-A/M/H切换 5阀位表 6软手动操作扳键 7双针全刻度指示表,2

30、020年8月17日星期一 08:07,No. 71,DDZ-III调节器,DDZ-型PID调节器的特点,元器件以线性集成电路为主，大大提高了可靠性，降低了功耗；提高了控制器的操作性能；易于控制器功能的扩展；采用安全火花防爆措施，提高了稳定性和可靠性。同时，DDZ-型PID控制器中采用的运算放大器是高增益高输入阻抗的，因此具有较高的积分增益和良好的保持特性。 DDZ-型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器和偏差指示控制器。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 72,DDZ-型PID调节器组成原理,PID调节器组成框图,2020年8月17日星期一 08:07,No. 73,2020年

31、8月17日星期一 08:07,No. 74,DDZ-型调节器输入电路,主要作用: 对输入信号和给定信号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以10V参考电压为基准的输出电压信号。,图中以零伏（地）为基准的测量信号Vi和给定信号VS，反相地加到运算放大器IC1的两个输入端，电路的输出是已经进行了电平移动的以VB=10V为基准的电压信号VO1。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 75,DDZ-III调节器,同相端：设 为理想运放， ，开环增益为,反相端：,对于理想运放,IC1,输入电路,2020年8月17日星期一 08:07,No.

32、76,PD电路,比例微分电路对VO1进行比例微分运算。,无源比例微分网络 比例电路 微分电路构成,2020年8月17日星期一 08:07,No. 77,PI电路,PI电路的作用是对PD电路的输出信号VO2进行比例积分运算，然后输出以10V为基准的15V的电压信号至输出电路。,PI电路,PI电路的等效电路,硬手操信号,软手操信号,2020年8月17日星期一 08:07,No. 78,PID整机传递函数,2020年8月17日星期一 08:07,No. 79,PID整机传递函数,令干扰系数,比例度,微分增益,F相互干扰系数,2020年8月17日星期一 08:07,No. 80,输出电路,2020年8

33、月17日星期一 08:07,No. 81,手操电路,自动”A”, 软手动”M”、硬手动”H” 三种控制方式,M:积分输出 H:比例输出,2020年8月17日星期一 08:07,No. 82,指示电路,具有电平移动的差动输入比例电路,2020年8月17日星期一 08:07,No. 83,数字调节器,定程序调节器,可编程调节器,混合调节器,批量调节器,数字式调节器类型：,特点：,实现了模拟仪表与计算机一体化 将CPU引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。,2020年8月17日星期一 08:07,No. 84,DDZ-III调节器-数字调节器,运算控制功能强 数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。 通过软件实现所需功能 数字控制器的运算控制功能是通过软件