楼宇自动控制系统-06pid控制器

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1、最基本的控制方法 PID控制,控制器,受控对象,检测装置,给定 输入,反馈信号,控制量,误差,输出,反馈控制系统的常见结构,与人作对比： 检测装置人的感觉器官；控制器人的大脑；执行机构人的四肢。决定系统性能的最关键部分：控制器最简单的控制方式：开关控制最常用控制方式：PID控制,执行机构,什么是PID控制?,PID: Proportional-Integrel-Derivative （ 比例 -积分 -微分） PID控制的原理及结构简单，使用方便； PID控制的历史悠久，产生于20世纪初，先后有机械式、液动式、气动式、电子式等； PID控制的适应面广，生命力强，至今仍为工程应用的主流（80）。

2、,PID控制的结构,比例、积分、微分作用可根据需要进行不同组合，如 P控制、PI控制、PD控制、PID控制。,例：水温调节系统,控制输入：进水口的热水流量与冷水流量之比 受控变量：出水口的水温 控制目标：保持出水温度基本恒定 各种扰动：进水口水温和水压的波动、环境温度变化、用户的用水量变化等,水温反馈控制系统,总的控制思路：若水温偏低，则增大控制输入，即增大热/冷水流量的比值；反之，若水温偏高，则减小控制输入。,水温调节的比例控制作用,若水温偏低，则水温低得越多，就使控制输入增大得越多；反之，若水温偏高，则水温高得越多，就使控制输入减小得越多。即控制量的大小大致与偏差成比例。,比例控制的特点,

3、比例控制的结构最简单，只有一个比例系数，可以使输出在有扰动的情况下基本恒定。 比例系数的设置应适当，过小会调节作用太弱，系统变化过于缓慢，并产生较大误差；过大就会调节过头，偏差的一点点变化会对应产生很大的控制作用，容易引起系统输出上下波动，即发生振荡。 比例系数的确定是在响应的快速性与平稳性之间进行折衷。 比例调节基于偏差，不可能完全消除偏差。,水温调节的积分控制作用,若水温低于期望值，则将输入增大一些，如果还没有达到，就再增大一些，这样一点一点地调节，直到水温合适为止；控制输入包含对偏差的积分，即偏差在时间上的累积，可以最终消除偏差。,积分控制的特点,只要偏差不为零，偏差就不断累积，从而使控

4、制量不断增大或减小，直到偏差为零为止。 积分作用一般和比例作用配合组成PI调节器，并不单独使用，原因是积分控制作用比较缓慢。 例如，水温很低，也就是偏差很大，本应该大幅度增大输入量，使水温尽快上升，但若只有积分控制，则输入量只能逐渐增大，水温上升缓慢；而比例作用则是误差越大，控制作用越强。 比例控制是最基本的、不可缺少的控制作用，积分控制只是配合比例控制起作用。,水温调节的微分控制作用,若扰动使水温开始升高，则应降低热/冷水比值，且升温速度越快，降低越多；反之若水温要降低，则应增大热/冷水比值，且降低速度越快，增大越多。即控制作用与水温的变化率成正比。,微分控制的特点,微分控制是基于偏差的变化

5、率，水温还没有变，刚有变化的趋势，调节作用就开始了，所以微分控制具有“超前”或“预测”的性质，可以及时地抑制水温的变化。 微分控制只在系统的动态过程中起作用，系统达到稳态后微分作用对控制量没有影响，所以不能单独使用，一般是和比例、积分作用一起构成PD 或PID调节器。 微分会放大高频噪声信号，且频率越高，放大得越厉害，因此通常要配置一个能够过滤掉高频信号的低通滤波器。,PID控制的优、缺点,PID控制简单实用，工作原理简单，物理意义清楚，一线的工程师很容易理解和接受。 PID控制的设计和调节参数少，且调整方针明确。 PID控制是一种通用控制方式，广泛应用于各种场合，且不断改进和完善，如偏差小到

6、一定程度才投入积分作用的“积分分离” 控制、能自动计算控制参数的参数自整定PID控制、能随时根据系统状态调整控制参数的自适应或智能型PID控制等。 PID控制是以简单的控制结构来获得相对满意的控制性能，控制效果有限，且对时变、大时滞、多变量系统等常常无能为力。,自动调节（控制）器的作用,自动控制系统是由控制器和控制对象组成的 控制器 也是系统方块图中的一个环节，研究控制器输出信号与输入信号之间的关系，也是分析控制系统的基础 PID调节器 是工业上使用最广泛的控制器， 介绍PID调节器的动作规律（即PID调节器的动态特性）作为后面研究控制系统的基础,PI、PD、PID调节器,P比例、 I积分、

7、D微分各有优缺点，在工程实际应用时，总是以比例调节为主， 根据对象特性适当加入积分和微分调节作用 具有以上调节作用的设备称为自动调节器 工业上常用的有比例调节器(简称P调节器)、比例积分调节器(简称PI调节器)、比例微分调节器(简称PD调节器)和比例积分微分调节器(简称PID调节器),调节器的组成,比例作用 是调节器的主要调节作用，一般只有比例调节能独立完成调节任务，但仅采用比例调节，系统会存在稳态误差 积分作用的引入可实现无差调节，但又容易使调节过程产生振荡 微分作用能减小动态偏差，用于克服对象的延迟、防止产生过调比较有效，但不能单独采用,小结（续1）,自动控制系统中的典型环节有：,比例环节

8、,惯性环节,积分环节,微分环节,振荡环节,延迟环节,(比例微分: ),6.7 PID控制器的工程整定,工程整定传递函数已知的系统可用分析法进行分析、校正，但实际控制的对象特征往往是近似的或未知的，这就需要根据校正原理，在定性分析的基础上，利用经验公式或图解表进行近似计算和试验整定。,6.7.1热工调节对象动态特性的特点,热工调节对象,有自平衡能力对象：在阶跃输入扰动下，调节对象不需要外界的帮助，能通过被调量的变化来抵消输入扰动的作用重新达到平衡状态。 （自衡，稳定的）大部分温度、湿度、压力和流体对象,无自平衡能力对象：在阶跃输入扰动下被调量在最后阶段是以一定的速度不断变化，不能稳定下来。 （非

9、自衡，中性稳定的）液位对象,热工调节对象动态特性的基本特点： 1）热工对象是不振荡环节 2）有一定的延迟和惯性 3）阶跃响应特性曲线的最后阶段，被调量可能达到新的平衡（自衡）,也可能以一定速度不断变化不再稳定下来（非自衡）,根据试验得到的阶跃响应特性，可以通过数学处理的方法写出近似的传递函数，为调节系统的模拟研究和整定计算提供必要的数学模型。对于下图所示的阶跃响应特性曲线，通常可以用多容环节的传递函数来近似描述。其一般形式为：,有自平衡能力的对象无自平衡能力的对象,对于典型的热工对象，表示其动态特性的特征参数按如下的方法选取 ：,（1）无自平衡能力的多容对象,和 两个特征参数来表示这类对象的动

10、态特性,（2）有自平衡能力的多容对象,可用,三个特征参数来表示它的动态特性。,6.7.2控制器参数的整定,控制器参数整定的方法概括起来有两大类： 一是理论计算整定法：依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改 二是工程整定方法：主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。控制器参数PID的工程整定方法，主要有临界比例带法（稳定边界法）、响应曲线法（动态特性参数法）、衰减曲线法法和经验法（试凑法）。,几种控制器参数整定常用的方法：,1.经验法（试凑法） 这种方法实质上是一

11、种试凑法。它是由工人和技术人员在生产实距中总结出来的、行之有效的方法。在现场得到广泛应用。,经验法的整定步骤： （1）由大到小改变比例带。用改变给定值作为系统扰动。观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。 （2）将比例带增大1.2倍，由大到小改变积分时间Ti，利用给定值扰动以求得满意的控制过程。 （3）积分时间保持不变，改变比例带，观察控制过程是否有所改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例带减小一些，再调整积分时间，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例带和积分时间为止。 （4）引入微分时间Td，此时可适当减少比例带和积分时间，设置微分时间Td数值一般可取积分时间

12、Ti的1/61/4为宜（调节器型不同Td/Ti比值有差别），试凑过程中应使Td/Ti比值尽量保持不变（保比），这样可使调节器干扰系数不变，从而保证不会由于Ti、Td改变对比例带有所影响。和前面一样，积分和微分时间须反复调整，直到控制过程满意为止。,2.临界比例带法（稳定边界法）此法又称稳定边界法。它的特点是不需要专门求取被控对象的动态特性，而是直接在闭环控制进行整定。,采用临界比例法进行 PID控制器参数的整定原则如下：,增大比例系数K一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 增大积分时间TI有利于减小超调，减小

13、振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 增大微分时间TD有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。 在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤：,首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。 如在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原

14、值的0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。 如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。,3.衰减(曲线)法衰减曲线法是在临界比例带法的基础上发展起来的。安既不像经验法那样经过大量的试凑，也不需要得到临界的被动过程，而是直接利用纯比例作用条件下衰减率=0.75时的比例带和衰减周期（两相邻波峰之

15、间的时间）；或者衰减率=0.9时的比例带和上升时间，求取调节器的整定参数。,具体作法如下： (1) 将调节器的积分时间，微分时间，比例带放在较大的数值，将控制系统投入闭环运行。 (2) 待系统稳定运行后，加给定值阶跃振动，观察控制过程。逐渐减小比例带。重复做给定值拢动，直到控制过程（或）的控制过程为止，记下时的比例带。 (3) 从控制过程曲线上求取时的工作周期，或时的上升时间。按表计算调节器参数先将调节器比例带先置略大于值，后按求得的数值设置好，后再将比例带减小到值。做给定值阶跃拢动试验，观察控制过程，适当修改整定参数，直到控制过程满意为止。,4.响应(反应)曲线法（动态特性参数法）是在系统开

16、环状态下试验得到阶跃响应曲线，求取初始对象动态参数。然后按公式计算调节器整定参数。,响应曲线法不足之处： 该法是根据被控对象的阶跃响应曲线。计算调节器整定参数在实际工业被控对象上作试验时不容易获得准确的阶跃响应曲线，甚至有时不准许做阶跃拢动试验。,附: 工程上控制器参数整定常用的口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低4比1 一看二调多分析，调节质量不会低,