pid调节

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1、1,4 PID调节原理,2,本章学习内容 4.1 PID控制概述 4.2 比例调节 4.3 积分调节 4.4 微分调节 4.5 比例积分微分调节（PID调节） 4.6 数字PID控制 4.7 PID调节器参数的工程整定 4.8 智能PID控制方法,3,4.1 PID控制概述,PID 控制是比例积分微分控制 （Proportional-Integral-Differential） 历史最久、生命力最强的控制方式,4,反馈控制,给定（目标）,输出（控制结果）,根据误差进行的控制,5,反馈控制,PID,6,常规PID控制系统的原理 输入：控制偏差e ( t ) = r ( t ) - y ( t )

2、 输出：偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合,式中 KP 比例系数 TI 积分时间常数 TD 微分时间常数,7,PID控制的优点 原理简单，使用方便； 适应性强； 鲁棒性强； 控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 对模型依赖少。,8,4.2.1 比例调节的动作规律，比例带 在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例， 即， u = Kp e （4.3） 式中Kp称为比例增益,4.2 比例调节（P调节）,9,P调节的阶跃响应,P调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。 输出u实际上是对其起始值的增量。因此，当偏差e为零，因而u0时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此

3、时有u=u0。 u0的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。,u = Kp e,u0,u0+Kpe,0,10,比例带 为表示调节器输入和输出之间的比例关系，在过程控制中习惯用比例带（比例度）来代替比例增益：,式中 emax emin -偏差信号范围，即仪表量程 umax umin -调节器输出信号范围，即控制器输出的工作范围,11,具有重要的物理意义 u代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。 例如，若测量仪表的量程为100则50% 就表示被调量需要改变50才能使调节阀从全关到全开。 当被调量处在“比例带” 以内调节阀的开度(变化

4、)才与偏差成比例。 超出这个“比例带”以外 调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保持比例关系。,12,如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是统一的标准信号，即 ，则有 此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%的开度变化，相应的比例增益就大。,13,4.2.2 比例调节的特点，有差调节,比例调节的显著特点就是有差调节。,14,这里的杠杆充当了比例调节器： 液位变化e是其输入； 阀杆位移u 是其输出； 调节器的比例增益为：,该比例调节器是有余差的！,余差的大小与比例增益有关，Kp大，余差小。,15,余差（或静差）是指： 被调参数

5、的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。 余差的大小与调节器的放大系数K或比例带有关 放大系数越小，即比例带越大，余差就越大； 放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。,16,4.2.3 比例带对于调节过程的影响,a)大 调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长 b)减小 调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差减小 c)进一步减小 被调量振荡加剧 d)为临界值 系统处于临界稳定状态 e)小于临界值 系统不稳定，振荡发散,图4.4 对比例调节过程的影响,17,比例调节的特点： （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 = K e

6、 （2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，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，而产生余差。,18,若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，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 则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。,比例带的一般选择原则：,19,比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下： 压力调节： 3070% 流量调节： 40100% 液位调节： 2080% 温度调节： 2060%,20,4.3.1 积分调节动作规律 调节器的输出

7、信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的积分成正比，即：,4.3 积分调节（I调节),21,积分调节的阶跃响应,I调节器的输出不仅与偏差信号的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。 只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化，直到偏差为零调节器的输出才稳定下来不再变化。 所以积分调节作用能自动消除余差。 注意I调节的输出不像P调节那样随偏差为零而变到零。,22,图示的自力式气压调节阀就是一个简单的积分调节器： 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。 改变针形阀的开度 可改变积分速度S0,23,4.3.2 积分调

8、节的特点，无差调节,积分调节的特点是无差调节 只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就要动作到把被调量的静差完全消除为止 而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输出就会保持不变。 调节器的输出可以停在任何数值上,即: 被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。,24,积分调节的稳定性 它的稳定作用比P调节差，采用积分调节不可能得到稳定的系统。,K=2 K=0.2,25,积分调节的滞后性 它的滞后特性使其难以对干扰进行及时控制，所以一般在工业中，很少单独使用I调节，而基本采用PI调节代替纯I调节。,26,采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分速

9、度S0成正比。 增大积分速度降低系统的稳定程度。,4.3.3 积分速度对于调节过程的影响,27,积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响： 增大积分速度 调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低 当积分速度大到超过某一临界值时，整个系统变为不稳定，出现发散的振荡过程。 S0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来愈小。 减小积分速度 调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢 当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程。 无论增大还是减小积分速度，被调量最后都没有残差,图4.7 积分速度S0 对调节过程的影响,28,比例调节和积分调节的比较：

10、比例调节是有差调节，积分调节是无差调节 比例调节能立即响应偏差变化 积分调节调节过程缓慢 当被调参数突然出现较大的偏差时 比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大 但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小 如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力 单独的积分调节系统较罕见，它作为一种辅助调节规律与比例调节一起组成比例积分调节规律。,29,图4.8 P与I 调节过程的比较,结论： P调节有余差 I调节没有余差，但超调大，不如P稳定,30,调节器的输出u与被调量或其偏差e对于时间的导数成正比，即,式中，S2 微分时间。,4.4 微分调节（D调节）,31,D调节的阶跃响应,微分调

11、节的思想： 微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。,32,调节器在t=t0时刻，输入阶跃偏差e，偏差的变化速度为：,之后，调节器的输出立即又回到零，理想的微分调节特性曲线为一垂直直线。,33,如加热炉温度自动调节,当温度低于给定值时,则煤气阀门应开大,这是比例调节作用,但同时发现,温度降低的速度很快,说明出现了较大的扰动,则下一时刻的偏差将会更大,因此应预先采取措施,即提前动作,把煤气阀门的开度开得更大一些,这叫超前作用。,34,微分调节的特点 P和I是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作(即偏差的方向和

12、大小进行调节)。 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。 只要偏差一露头,调节器就立即动作，以求更好的调节效果 偏差没有变化,微分调节不起作用。 微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后。,35,注意： 微分调节不能消除余差。 微分调节只对偏差的变化做出反应，而与偏差的大小无关。 单纯的微分调节器也是不能工作的。 实际的调节器都有一定的失灵区，若调节误差的变化速度缓慢，以至于调节器不能察觉，纯微分调节器将不会动作，此时调节误差会不断累积却得不到校正。,36,PID是比例、积分、微分的缩写 Proportional-Integral-Differential 比例

13、作用的输出与偏差大小成正比； 积分作用的输出变化速度与偏差成正比； 微分作用的输出与偏差变化速度成正比。,37,比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。 比例作用大，可以加快调节，减少误差 但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。,38,比例调节 K的变化对控制效果的影响,39,积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。 积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱。 加入积分调节可使系统稳定性下降，动

14、态响应变慢。 积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。,40,积分调节， Ti的变化对控制效果的影响,41,微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。 在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。 微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。 此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。 微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。,42,微分调节，

15、Td的变化对控制效果的影响,43,4.5.1 比例积分（PI）调节 积分调节可以消除静差,但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。 PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。,4.5 比例积分微分调节(PID调节),44,PI调节规律为：,式中 比例带（可视情况取正值或负值） TI 积分时间 和TI 是PI调节器的两个重要参数。,45,图4.10 PI调节器的阶跃响应,TI,46,在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为e的阶跃，然后以固定速度eTI变化。当t= TI时，调节器的总输出为2e。输出的积分部分正好等于比例部分。 TI

16、可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：TI愈小，积分部分所占的比重愈大。,47,残差的消除是PI调节器积分动作的结果。 积分部分的阀位输出使调节阀开度最终得以到达抵消扰动所需的位置。 比例部分的阀位输出Up在调节过程的初始阶段起较大作用，但调节过程结束后又返回到扰动发生前的数值。,比例积分调节过程,48,负荷变化前（tt0）被控系统稳定，控制偏差为零，调节器输出保持某恒定值。,图4.11 PI 调节器对过程负荷变化的响应,0,u0,49,图4.11 PI 调节器对过程负荷变化的响应,t=t0时刻，系统负荷发生阶跃变化, P调节立即响应偏差变化，产生正的跃变，I调节则从零开始累计偏差。 此后，在PI的共同作用下，调节的总输出持续增加。,50,图4.11 PI 调节器