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1、第四章 PID调节原理,PID控制概述 P、PI、PD、PID,4.1 PID控制概述,PID Propotional-Intigrate-Differential 比例积分微分控制 一 优点： 1、原理简单，使用方便 2、适应性强，适应于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等生产部门 3、鲁棒性强。,二、PID调节器正反作用,PID控制是一种负反馈控制。 闭环控制两种控制情况： 负反馈：缓解对象出现的不平衡 正反馈：加剧被控对象的不平衡 工业过程控制中的定值控制，要求闭环控制实现的是负反馈。 PID调节器的正反作用 调节器正作用：指调节器的输出信号u随着被调量y的增大而增大 调节器反作用：指
2、调节器的输出信号u随着被调量y的增大而减小,PID调节器的正反作用,加热器 控制器选用：反作用 冷却器 控制器选用：正作用,PID调节器正反作用的选择,根据控制系统方框图确定调节器正反作用 图中，Kc是调节器、Kv是调节阀，K是被控对象、Km是测量变送器件。 被控对象的正反作用：被控对象的正作用，当被控对象的输入（通过调节阀的物料或能量）增加时，其输出也增加，则为正作用，此时K取 “+”。反之为反作用，K取“-”。 调节阀Kv，气开式调节阀，Kv取“+”；气关式Kv取“-”。 调节器为正作用时，Kc取“-”；调节器为反作用时，Kc取“+” 原则闭合回路所有环节的增益乘积为正数 Ko=Kc*Kv
3、*K*Km0,对象的动态特性是单调、不振荡 对象动态特性的延迟性和时间常数大 对象的动态特性具有纯时间滞后 被控对象的自平衡与非自平衡特性 被控对象的动态特性往往具有非线性特征,4.2 过程控制系统的动态特性,4.3 PID调节原理,一、P 比例调节 P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即 u= Kc*e Kc比例增益，确定调节器的正反作用后确定正或负 过程控制中，习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系 u= e 称为比例带， 代表调节阀开度改变100%，即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。 超出此“比例带”，调节器已处于全关或全开的状态。调节器暂时失控。,比例调
4、节的特点 有差调节,有差调节：采用比例调节，在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值绝对相等，它们之间一定有残差 水加热器的出口水温控制系统,在这个控制系统中，热水温度是由传感器T获取信号并送到调节器C的，调节器控制加热蒸汽的调节阀开度以保持出口水温恒定，加热器的热负荷既决定于热水流量Q也决定于热水温度。 假定现在采用比例调节器，并将调节阀开度直接视为调节器的输出。水温愈高，调节器应把调节阀开得愈小。,比例调节的特点 有差调节,直线1:表示比例调节器的静特性,即调节阀开度随水温变化的情况。水温越高，调节器应该把调节阀开得越小，在图中是左高右低的直线，比例带越大，直线的斜率越大。,直线
5、2和3：在不同热水流量下的静特性，表示加热器在没有调节器控制时，在不同的热水流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系。,直线1和曲线2的交点O代表热水流量Q0，这是最终要达到的稳态运行点,如果热水流量减少为Q1，那么调节过程结束后，新的稳态平衡点将移到直线1和曲线3的交点A,于是出现残差：A-0,残差随着流量变化幅度也随着比例带的加大而加大,比例带对调节过程的影响,比例调节的残差随比例带的加大而加大 比例带越大，开环增益越小,很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，调节时间也很长。 减小就加大了调节阀的动作幅度， 引起被调量来回波动，但系统仍可
6、能是稳定的，残差相应减小。具有一个临界值，系统处于稳定边界的情况，进一步减小系统就不稳定了。 的临界值cr可以通过试验测定出来：如果被调对象的数学模型已知，根据控制理论计算出来。,比例带对调节过程的影响,（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=Ke （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，而产生残差。,比例调节的特点,比例带的一般选择原则,若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太小，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
7、较大，时间常数较小，滞后时间较大，则应当将比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。 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%,二、I积分调节,在I调节中，调节器的输出信号的变化速度 与偏差信号 e 成正比，即 So积分速度 调节器的输出与偏差信号的积分成正比 积分调节的特点:无差调节 1.根据式子，只有当被调量偏差e为零时，I调节器的输出才会保持不变。调节器的输出可以保持在任何一个数值上。 2.I调节的另一特点，稳定作用比P调节差。,积分速度对调节过程的影响,采用积分调节时，控制系统的开环增
8、益与积分速度S0成正比。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。 S0，积分速度越大，控制系统的稳定性越差,积分调节的特性,调节器的输出变化量与输入偏差值随时间的积分成正比，亦即输出的变化速度与输入偏差成正比。 对于积分调节器，输出变化量的大小，不仅决定于偏差的大小，而且取决于偏差存在的时间长短。 只要输入偏差存在，输出就一直在变化，只有输入偏差为零，输出才不再变化。 积分调节作用能自动消除静差。,积分调节的特性,对于同一偏差信号，积分常数越大，积分输出增加得越快，表示积分调节作用越强；相反，积分常数越小，积分输出增加得越慢，表示积分调节作用越弱；积分常数就表示了积
9、分作用的大小。 积分常数的倒数叫积分时间，用Ti表示。 积分调节的显著特点是它们执行机构的位置是“浮动”的，也就是，它和被调量之间没有一一对应的关系，因此这就解脱了产生静差的原因。 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，积分调节的特性就是无差调节。,比例调节和积分调节的比较,积分调节可以消除静差。但对比例调节来说，当被调参数突然出现较大的偏差时，调节器能立即按比例地把调节阀的开度开得很大，但积分调节器就做不到这一点，它需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小，因此，积分调节会使调节过程非常缓慢。 总之，比例调节能及时进行调节，积分调节可以消除静差。 但它的
10、输出有段积累过程，过渡过程进行的十分缓慢，如果系统干扰作用频繁，更显得十分乏力，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。,三、D微分调节,在微分调节中，调节器的输出与被调量或其偏差对时间的导数成正比，即 微分调节可以根据被调量的变化速度来修正偏差，有一定的预见性。微分调节只能起辅助的调节作用。与其他调节动作结合成PD或PID调节动作,四、比例积分PI调节,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。调节规律为： 或 PI调节器的阶跃响应如下图所示,PI调节器的阶跃响应，它是比例动作和积分动作两部分组成
11、的。在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为 的阶跃，然后以固定速度变化 。 当tTI时，调节器的总输出为 。这样，就可以根据图4.17确定 和 的数值。还可以注意到，当tTI时，输出的积分部分正好等于比例部分。由此可见，TI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。,出水口水温调节系统PI调节过程分析,残差的消除是PI调节器积分动作的结果。正是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。,积分饱和现象,具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之
12、间有偏差，其输出就会不停地变化。如果由于某种原因(如阀门关闭、泵故障等)、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，结果经过一段时间后、调节器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。进入深度积分饱和的调节器，要等被调量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。 水温控制系统的积分饱和 PI调节器积分部分的输出在偏差长期存在时会超过输出额定值，引起积分饱和,克服积分饱和的方法一,关键：偏差为零时，PI调节器的输出在额定值内 方法一：接入外部积分反馈,正常情况下，f=u，则有,如果加入一个间隙单元，如下图,当uuh时，低选器选择f=ua 通过间隙单元切换比例作用
13、，防止积分饱和现象的出现。,以上分析是在预置负荷uqo，即无高值选择器Hs的情况。 当调节器出现大偏差时，Ua会相当小，uUh。因而，当偏差e减小时，u可以在零以下持续很长的一段时间，其结果正好与积分饱和相反，使得被调量极其缓慢地趋向设定值。 为避免这种情况出现，可以限制间隙单元中低值选择器Ls的输入Sh，使Sh不至于低于uq。其中uq的值应为比例调节器的工作点。此时如果偏差e回到零调节器的输出u就等于uq。,1- 纯PI调节，有积分饱和 2- 有间隙单元，但uq=0 3- 有间隙单元，uq不为0,克服积分饱和的方法二,由调节器内实行PI-P调节动作的自动切换,A1为比例积分运算放大器 Ah比
14、例放大器,E0Eh 时，场效应管开关S断开 此时为正常PI调节 E0Eh时，Ah的输出使场效应管 开关s闭合，此时R1 C1 并联，R2 C2并联。且R1=R2 ，电路变为1：1 反向器，实施P调节,PD调节器的动作规律是 或 工业上实际采用PD调节器的传递函数为 PD调节器的单位阶跃响应,五、比例微分PD调节,如果TD = 0即没有微分动作，那么输出u将按虚线变化。微分动作的引入使输出的变化提前一段时间发生，而这段时间就等于TD。 PD调节器有导前作用，其导前时间即是微分时间TD。,比例微分PD调节,引入适当微分，可以采用较小的比例带，减小残差，减小了短期最大偏差和提高了震荡频率 微分的不利
15、之处：微分太强，容易导致饱和。引入微分调节，抗干扰能力差，只适合被调量变化平缓的过程。,六、PID调节,PID调节器的动作规律是 PID调节器的传递函数为 各种调节动作对应 的响应过程,PID调节规律选择的原则,（1）广义对象控制通道时间常数较大或容积延迟较大时，应引入微分动作。如工艺容许有残差，可选用比例微分动作，如工艺要求无残差时，则选用比例积分微分动作。如温度、成分、pH值控制等。 （2）当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分动作。如管道压力和流量的控制。 （3）广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择比例动作，如贮罐压力、液位的控制。 （4）当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷变化亦很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。如果被控对象传递函数可用 ： 则可根据对象的可控比T选择调节器的动作规律： 当T 1.0时，采用简单控制系统往往不能满足控制要求，应选用如串级、前馈等复杂控制系统。,
