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1、1,PID控制优点： （1）原理简单，使用方便。参数整定易。 （2）适应性强，广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。PID自动调节器早已商品化。机械式、液动式、气动式、电子式。过程控制计算机的基本控制功能是PID控制。 （3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。在模型失配，环境变化时系统能够保持良好的稳定性与控制性能的目的。,2,首先想到PID控制。大型的现代化生产装置的很多控制回路绝大部分都采用PID控制。 例外：被控对象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更简单的开关控制方式；被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况，可能采用更先进的控制方法。,
2、3,PID控制是一种负反馈控制 在反馈控制系统中，自动调节器和被控对象构成一个闭合回路。在连接成闭合回路 时，可能出现两种情况：正反馈和负反馈。 正反馈作用：加剧被控对象流入量流出量的不平衡，从而导致控制系统不稳定； 负反馈作用：则是缓解对象中的不平衡，这样才能正确地达间自动控制的目的。,4,GP(S)是包括调节阀、被控对象和回量变送元件在内的广义被控对象的传递函数；虚线框内部分是调节器GC(S)。r为设定值，y为被调量的实测值。,5,实现负反馈控制的需要：工业调节器都设置有正、反作用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或者反作用方式。 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
3、大，此时称整个调节器的增益为“十”。 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“一”。,6,举例1：被控对象是一个加热过程，如果蒸汽调节阀的开度随着控制信号U的加大而加大，温度y将会随着信号u的加大而升高。如果介质温度y降低了，自动调节器就应加大其输出信号U才能正确地起负反馈控制作用，因此调节器应置于反作用方式下。 举例2：如果被控对象是一个冷却过程，并假定冷却剂调节阀的开度随着U信号的加大而加大，那么被冷却介质温度将随着信号U的加大而降低。在这个应用中，调节器应置于正作用方式下。,7,用控制系统方框图确定调节器的正、反作用： 负反馈闭合回路上所有串联环节（包括调节器的运算部分
4、在内）的增益之乘积是正数。 K、Kv和Km分别代表被控过程、调节阀和测量变送装置的增益， Kc代表调节器运算部分的增益， 为调节阀的开度, Ym为被调量y的测量值。调节器置于正作用方式时Kc 为负，反之Kc为正。在该例子中， K、Kv和Km都是正数，因此负反馈要求KC为正，即要求调节器置于反作用方式。,8,2-2比例调节(P调节),一、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， KC称为比例增益（可为正或负）。 调节器输出u实际上是对其起始值u0的增量。 当偏差e为零因而u=0时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有u=u0。u0的大小通过调整调节器的工
5、作点加以改变。,9,称为比例带： 如果u直接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。只有当被调量（ y ）处在这个范围以内，调节阀的开度（变化）才与偏差成比例。超出“比例带”以外，调节阀已处于全关或全开的状态，此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，而调节器至少也暂时失去其控制作用了。,10,调节器的比例带习惯用它相对于被调量测量仪表的量程的百分数表示。例如，若测量仪表的量程为1000C，则 50%就表示被调量需要改变500C才能使调节阀从全关到全开。 根据P调节器的输入输出测试数据，很容易确定它的比例带的大小。,11,二、比例调节的特
6、点:有差调节 工业过程在运行中经常会发生负荷变化。 负荷：指物料流或能量流的大小。被控过程在进入稳态后，流入量=流出量，达到平衡的。根据调节阀的开度来衡量负荷的大小。 采用比例调节时，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，一定有残差。,12,例：一个水加热器的出口水温控制系统。 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也决于热水温度 。假定现在采用比例调节器，并将调节阀开度u。直接视为调节器的输出。图中的直线l是比例调节器的静特性，即调节阀开度随水温变化的情况。水温愈高，调节器应把调
7、节阀开得愈小，因此它在图中是左高右低的直线，比例带愈大则u直线的斜率愈大。 曲线2和3分别代表加热器在不同的热水流量下的静特性。它们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，,13,直线1与曲线2的交点O代表在热水流量为Q。，业已投入自动控制并假定控制系统是稳定的情况下，最终要达到的稳态运行点，那时的出口水温为0 ，调节阀开度为0。如果假定0就是水温的设定值（这可以通过调整调节器的工作点做到），从这个运行点开始，如果热水流量减小为Q1，那么在调节过程结束后，新的稳态运行点将移到直线1与曲线3的交点A。这就出现了被调量残差A-0，它是比例调节规律所决定
8、的。,14,不难看出，残差既随着流量变化幅度也随着比例带的加大而加大。比例调节虽然不能准确保持被调量恒定，但效果还是比不加自动控制好。在图2，4中可见，从运行点O开始，如果不进行自动控制，那么热水流量减小为Q1后，水温将根据其自平衡特性一直上升到B为止。,15,16,蒸汽带入的热量是流入量，热水带走的热量是流出量。 在稳态下，流出量=流入量。热水流量还是热水温度的改变，都意味着流出量的改变，此时必须相应地改变流入量才能重建平衡关系。因此，蒸汽调节阀开度必须有相应的改变。从比例调节器看，这就要求水温必须有残差。,17,加热器是具有自衡特性的工业过程，另有一类过程则不具有自衡特性，工业锅炉的水位控
9、制就是一个典型例子。 这种非自衡过程本身没有所谓的静特性，但仍可以根据流入、流出量的平衡关系进行有无残差的分析。为了保持水位稳定，给水量必须与蒸汽负荷取得平衡。一旦失去平衡关系，水位就会一直变化下去。因此当蒸汽负荷改变后，给水调节阀开度必须有相应的改变，才能保持水位稳定。如果采用比例调节器，这就意味着在新的稳态下，水位必须有残差。还可以注意到，水位设定值的改变不会影响锅炉的蒸汽负荷，因此在这种情况下水位也不会有残差。(p19),18,三、比例带对于调节过程的影响 比例调节的残差随着比例带的加大而加大。 减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系间激烈振荡甚至不稳定。比例带的设置必须
10、保证系统具有一定的稳定裕度。 对于典型的工业过程，对于调节过程的影响如图25所示。 很大：意味着调解阀的动作幅度很小，被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，调节时间也长。 减小：加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，残差相应减小。 的临界值：此时系统处于稳定边界，进一步减小系统就不稳定了。,19,P调节器只是一个简单的比例环节， 临界值cr的大小只取决于被控对象的动态特性。 据乃氏稳定准则：在稳定边界上有 ，Kcr为广义被控对象在临界频率下的增益。P调节器的相角为零，因此被控对象在临界频率cr必须提供一180”相角，由此可以计算出临界频率。 cr和cr
11、 可认为是被控对象动态特性的频率指标。,20,21,2-3 积分调节（I调节）,一、积分调节动作规律 在I调节中，调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，即 （25） （26） S。:积分速度，取正值或负值。上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。,22,例：图26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， 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。重锤W的重力使上部空腔产生一个恒定的压力P0（被调量的设定值，以通过改变 杆杆比l1l2或锤重w加以调整。,23,管道压力p等于设定值P0时，没有气流通过针形阀R，膜片以及与它连
12、接在一起的阀杆静止不动。否则有气流以正向或反向流过针形阀，使膜片带动阀杆上下移动。假定R是线性气阻，那么流过它的气量就与被调量偏差 成比例，因此阀杆的移动速度也就与被调量 偏差成正比，如式（25）所表明的关系。改变 针形阀的开度就可改变积分速度S0的大小。,24,二、积分调节的特点：无差调节,I调节的特点:无差调节,稳定作用比P调节差。 式 表明，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。调节器的输出却可以停在任何数值上。这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有残差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。,25,I调节也称为浮动调节: 其调节阀开度与当时被调量的
13、数值本身没有直接关系，因此互调节也称为浮动调节。 稳定作用比P调节差：对于非自衡的被控对象采用P调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；如果采用I调节则不可能得到稳定的系统(P20)。 I调节时其调节过程的进行总比采用P调节时缓慢，表现在振荡频率较低。用I调节取代P调节就会降低系统的振荡频率。在稳定边界上若采用P调节则被控对象须提供1800相角滞后。若采用I调节则被控对象只须提供900相角滞后。,26,三、积分速度对于调节过程的影响,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控制系统的开环增益与积分速度S。成正比。 如图27所示。如
14、因S0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡。但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。被调量最后都没有残差，这是I调节的特点。,27,对于同一被控对象若分别采用P调节和I调节，并调整到相同的衰减率0.75,在负荷扰动下的P与I的调节过程。,28,2-3比例积分调节（PI调节）,一、比例积分调节的动作规律 PI调节综合P与I两种调节的优点：P调节快速抵消干扰的影响，I调节消除残差。 调节规律： 调节器的阶跃响应：是由比例动作和积分动作两部分组成的。当tTI时，输出的积分部分正好等于比例部分。TI愈小，积分部分所占的比重愈大。,29,30,二、比例积分调节过程,以图23
15、中的热水加热器为例，分析PI调节过程的进行情况。 图210给出了热水流量阶跃减小后的调节过程，它显示出各个量之间的相互关系。现在可从出口水温开始观察，假定它的变化曲线如图所示。p是PI调节器阀位输出中的比例部分，它与曲线成镜面对称，因为调节器应置于反作用方式下。 I是调节器阀位输出的积分部分，它是曲线的积分曲线。调节器阀位总输出IP是I和P的叠加。,31,32,Qh1:是蒸汽带入的热流入量，其变化情况决定于 IP，并可假定它们之间成正比关系。 Qh2:是热水带走的热流出量，其变化情况决定于水流量和热水温度。在水流量阶跃变化后， Qh2与成正比。 Qh1 和Qh2又反过来决定水温的变化过程。由于
16、加热盘管的金属壁也是一个热容积，因此水温的变化速度d dt并不反映当时Qh1 和Qh2的差额，这中间存在着容积迟延。例如在t1瞬间， Qh1 和Qh2之间已取得平衡，但ddt却要拖到t2瞬间才等于零。,33,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。 Qh2是热水带走的热流,Qh2是热水带走的热流,Qh1:是蒸汽带入的热流入量,34,假定以代表调节过程结束后阀门开度的变化量,如图所示，那么: 可视为被控对象负菏变化的幅度，等号左侧则是评价调节过程品质的积分指标IE。上式表明IE除与负荷变化幅度成正比外，还与PI调节器参数的乘积TI成正比。这使IE成为非常易于计算的评价指标。 。,35,PI调
