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1、PID调节原理,控制系统的设计归根到底就是调节器的设计 就是调节规律的确定和调节器参数的整定。,本章内容,4.1PID控制概述 4.2过程控制系统的动态特性 4.3比例调节(P调节) 4.4积分调节(I调节) 4.5比例积分微分调节（PID调节） 4.6PID调节器的参数工程整定,4.1PID控制概述,P- Proportional，比例 I- Integral，积分 D- Differential，微分 PID控制是比例积分微分控制的简称,PID控制的优点,原理简单，使用方便 适应性强 鲁棒性强(Robust),图4.1生产过程简单 控制系统方框图,广义被控对象,一般包括调节阀、被控对象和测
2、量变送元件,偏差信号e,按仪表制造业的规定，进入调节器运算部分的偏差信号e定义为 e =y - r 式中 r设定值； y被调量的实测值。 控制工程中的定义为 e = r - y,正、反作用方式,所谓正作用方式是指调节器的输出信号u随着被调量y的增大而增大，此时称整个调节器的增益为“+”。 处于反作用方式下，u随着被调量y的增大而减小，调节器的增益为“-”。,图4.2根据控制系统方框图确定调节器正反作用,4.2过程控制系统的动态特性,(1) 对象的动态特性是单调、不振荡的 (2) 对象动态特性的延迟性和时间常数大 (3) 对象的动态特性具有纯时间滞后 (4) 被控对象的自平衡与非自平衡特性 (5
3、) 被控对象的动态特性往往具有非线性特征,图4.3工业对象的幅频和相频特性,图4.4纯时间滞后的效应,图4.5单容水槽图,图4.6自平衡过程的阶跃响应,图4.7具有纯时间滞后的自平衡过程的阶跃响应,4.8单容积分水槽及其阶跃响应,图4.9列管式换热器,图4.10中和反应器及其静特性,4.3比例调节(P调节),4.3.1比例调节的动作规律和比例带 4.3.2比例调节的特点有差调节 4.3.3比例带对于调节过程的影响,4.3.1比例调节规律和比例带,4.3.2比例调节的特点有差调节,图4.11所示加热器水温控制系统,图4.12比例调节是有差调节,4.3.3比例带对于调节过程的影响,图4.13对于比
4、例调节过程的影响,4.4积分调节(I调节),4.4.1积分调节规律和积分速度 4.4.2积分调节的特点无差调节 4.4.3积分速度对于调节过程的影响,4.4.1积分调节规律和积分速度,图4.14自力式气压调节阀,4.4.2积分调节的特点无差调节,4.4.3积分速度对于调节过程的影响,图4.15积分速度对调节过程的影响,图4.16P与I调节过程的比较,4.5比例积分微分(PID)调节,4.5.1关于微分调节 4.5.2比例积分（PI）调节 4.5.3比例微分（PD）调节 4.5.4比例积分微分调节规律及其基本特征,4.5.1关于微分调节,4.5.2比例积分（PI）调节,图4.17PI调节器的阶跃
5、响应,图4.18加热器水温PI控制系统在热水流量阶跃扰动下的调节过程,图4.19PI控制系统不同积分时间的响应过程,图4.20温度比例积分控制系统积分饱和,图4.21积分动作由调节器输出通过,图4.22利用间隙单元抗积分饱和,图4.23间歇反应器温度控制系统对设定值的响应曲线,图4.24调节器 抗积分饱和电路,4.5.3比例微分（PD）调节,PD的传递函数,图4.25PD调节器的单位阶跃响应,图.26 PD调节器的斜坡响应,图4.27P调节系统和PD调节系统调节过程的比较,图4.28PD控制系统不同微分时间的响应过程,图4.29工业PID调节器单位阶跃响应,图4.30各种调节动作对应的响应过程
6、,4.5.4比例积分微分调节 规律及其基本特征,PID传递函数,调节器选择,选择调节器动作规律时应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。,调节器定性选择原则,广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分动作 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 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 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。,调节器定量选择原则,/T0.2，选择比例或
7、比例积分动作； 0.2/T1.0，选择比例微分或比例积分微分动作； /T10，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。,4.6PID调节器的参数工程整定,4.6.1PID参数整定的基本原则 4.6.2PID参数的工程整定方法,4.6.1PID参数整定的基本原则,单项性能指标 误差积分性能指标,单项性能指标,衰减率(或衰减比) 最大动态偏差 调节时间(又称回复时间) 振荡周期等,误差积分性能指标,IE IAE ISE ITAE,图4.31不同误差积分指标对应 的闭环响应曲线,4.6.1PID参数整定的基本原则,理论计算整定法 工程整定法,理论计算整定法,根轨迹法
8、频率特性法,4.6.2PID参数的工程整定方法,(1) 动态特性参数法 (2) 稳定边界法 (3) 衰减曲线法,(1) 动态特性参数法,这是一种以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。,(2) 稳定边界法,这是一种闭环的整定方法。它基于纯比例控制系统临界振荡试验所得数据，即临界比例带cr和临界振荡周期Tcr，利用一些经验公式，求取调节器最佳参数值。,图4.32系统的临界振荡过程,(3) 衰减曲线法,与稳定边界法类似，不同的只是本法采用某衰减比(通常为41或101)时设定值扰动的衰减振荡试验数据，然后利用一些经验公式，求取调节器相应的整定参数。,图4.33系统衰减振荡曲线,图4.34表示其阶跃响应曲线,图4.35简单控制系统的组成环节,图4.36由Gp(s)和G*c(s)组成的简单控制系统,作业,4.12 4.13,考勤,电脑情况 自己有电脑 合买 合用+机房 将MATLAB安装及使用情况发给我 已安装 未安装,程序,可找我要，发电子邮件,平时成绩,完全正确5 基本正确4 方法正确、结果错误3 方法不完整2 只答出次要点1 未来或未答出0,
