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1、本讲知识点PD运算规律表示方法、控制特点、参数的意义及测定 PID运算规律阶跃响应特性 基本控制规律的实现方法（补充）无源RC电路、运算放大器 PID控制器的构成控制器的构成、PID运算电路的构成方式v理想理想PDPD控制器的特性控制器的特性具有比例微分控制规律的控制器称为PD控制器。对PID控制器而言，当积分时间TI时，控制器呈PD控制特性。或理想PD控制器输出与输入的关系式为：PD运算规律图1-5 理想PD控制器的斜坡响应特性TDt0t0y=at y =Kp TDaD y =Kp tPa由于在偏差恒定不变时，微分作用输出为零。故微分作用也不能单独使用。 理想理想PDPD控制特性控制特性图1
2、-5 理想PD控制器的斜坡响应特性TDt0t0y=at y =Kp TDaD y =Kp tPa超前控制特性超前控制特性微分作用根据偏差变化速度进行控制，有超前控制之称。在温度、成分等控制系统中，往往引入微分作用以改善控制过程的动态特性。实际PD控制器的传递函数为：在阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器的输出为：t0t0y图1-6 实际PD控制器的阶跃响应特性v阶跃响应特性阶跃响应特性 实际实际PDPD控制器的特性控制器的特性KD愈大，微分作用愈趋于理想在阶跃偏差信号作用下，实际PD输出变化的初始值与最终值（即比例输出值）之比： 微分增益微分增益K KD D 微分时间微分时间T TD D在阶跃偏
3、差信号作用下，实际PD控制器的输出从最大值下降了微分输出幅度的63.2%所经历的时间，就是微分时间常数TD/KD。此时间常数再乘上微分增益KD就是微分时间TD。微分输出的大小与偏差变化速度和微分时间成正比，微分时间越长，微分作用就越强。t0yACBv微分时间TD 的测定的测定微分作用按偏差的变化速度进行控制，其作用比比例作用快，因而对惯性大的对象用比例微分作用可以改善控制质量减小最大偏差，节省控制时间。微分作用力图阻止被控变量的变化，有抑制振荡的效果，但如果加得过大，由于控制作用过强，反而会引起被控变量大幅度的振荡。TD太大时，系统振荡加剧，TD太小时，微分作用不明显。只有TD适当时，系统才比
4、较平衡。PID控制规律既能快速进行控制，又能消除余差，具有较好的控制性能。v微分时间对过渡过程的影响（3）微分）微分时间TD对系系统过渡渡过程的影响程的影响适当的微分作用：适当的微分作用：在在负荷荷变化化剧烈烈、扰动幅度幅度较大大或或过程容量滞后程容量滞后较大大的系的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系系统的控制的控制质量。当被控量。当被控变量一有量一有变化化时，根据，根据变化化趋势适当加大控制器的适当加大控制器的输出信号，将有利于克服出信号，将有利于克服扰动对被控被控变量的影响，抑制偏差的增量的影响，抑制偏差的增长，从而提高系，从而提高系统的
5、的稳定性。定性。 微微分分时间TD的的大大小小对系系统过渡渡过程程的的影影响响，如如上上图所所示示。若若取取TD太太小小，则对系系统的的控控制制指指标没没有有影影响响或或影影响响甚甚微微，如如图中中曲曲线1；选取取适适当当的的TD，系系统的的控控制制指指标将将得得到到全全面面的的改改善善，如如图中中曲曲线2；但但若若TD取取得得过大大，即即引引入入太太强的的微微分分作作用用，反反而而可可能能导致致系系统产生生剧烈的振烈的振荡，如，如图中曲中曲线3所示。所示。 微分作用的两面性：微分作用的两面性：保持原来的衰减比保持原来的衰减比n ：如如果果要要求求引引入入微微分分作作用用后后仍仍然然保保持持原
6、原来来的的衰衰减减比比n，则可可适适当当减减小小控控制制器器的的比比例例度度，一一般般可可减减小小15%左左右右，从而使控制系从而使控制系统的控制指的控制指标得到全面改善。得到全面改善。此此外外，当当测量量中中有有显著著的的噪噪声声时，如如流流量量测量量信信息息常常带有有不不规则的的高高频干干扰信信号号，则不不宜宜引引入入微微分分作作用用，有有时甚至需要引入反微分作用。甚至需要引入反微分作用。由于由于PID控制器有比例度控制器有比例度、积分分时间TI、微分微分时间TD三个参数可供三个参数可供选择，因而适用范，因而适用范围广，在温广，在温度和成分分析控制系度和成分分析控制系统中得到更中得到更为广
7、泛的广泛的应用。用。 适用适用场合：合： 用于用于时滞大的滞大的场合。合。理想和实际PID控制器的传递函数分别为：PID运算规律在实际PID控制器中，由于相互干扰系数F （ ）的存在,P、I、D的实际值（KPF、TIF、TD/F）与刻度值（ KP、TI、TD）有差异。同时在整定某个参数时，还将影响其他参数。v阶跃响应特性阶跃响应特性当偏差为阶跃信号时，实际PID控制器的输出为：t0yt0ADC 控制规律总结控制规律总结( (课后思考题课后思考题) )液位：液位：一般要求不高，用一般要求不高，用P或或PI控制控制规律；律；流流量量：时间常常数数小小，测量量信信息息中中杂有有噪噪音音，用用PI或或
8、加加反微分控制反微分控制规律；律；压力力：介介质为液液体体的的时间常常数数小小，介介质为气气体体的的时间常数中等，用常数中等，用P或或PI控制控制规律；律；温度：温度：容量滞后容量滞后较大，用大，用PID控制控制规律。律。 各各类化工化工过程常用的控制程常用的控制规律如下：律如下：例：某台例：某台PID控制器偏差控制器偏差为1 1mA时，输出表达式出表达式为 （t单位位为分分钟）。）。试问：（1 1）这是什么控制是什么控制规律？律？（2 2）求出控制器各个控制参数。）求出控制器各个控制参数。（3 3）画出其开）画出其开环输出特性出特性图。举例：例：(1) PD控制控制规律。律。(2) 由由题意
9、得：意得：解：解：解之得：解之得：KC=2，KD=5，TD=5。(3)开开环输出特性曲出特性曲线：因因为 KCA=2，KCKDA=10所以所以 曲曲线如右如右图所示所示基本控制规律的实现方法-无源无源无源无源RCRCRCRC电路电路电路电路UiUoRCUoUiRCCUiUoRR1R2R1R2UiUoRC电路传递函数阶跃响应运算种类PIDPD基本控制规律的实现方法-运算放大电路运算放大电路RIRFUiUoCFUiUoRI电路名称原理图运算规律比例运算电路积分运算电路电路名称运算规律微分运算电路比例积分运算电路R1R1R2CDRDUiR2Uo原理图CIRICFUiUoRIRFUiUo电路名称原理图
10、运算规律比例运算电路(同相输入)比例微分运算电路RDCDUiUi/nUo控制器对输入信号与给定信号的偏差进行PID运算，因此应包括偏差检测和PID运算两部分电路。偏差检测电路PID运算电路测量值偏差I0，U0给定值图1-8 控制器构成示意图偏差检测电路通常称为输入电路。偏差信号一般采用电压形式，所以输入信号和给定信号在输入电路内都是以电压形式进行比较。输入电路同时还必须具备内外给定电路的切换开关，正、反作用切换开关和偏差指示（或输入、给定分别指示）等部分。PID运算电路是实现控制器运算规律的关键部分。PID控制器的构成PIDPID运算电路的构成方式运算电路的构成方式放大器PID反馈电路输出I0,U0偏差Uf，（1） 由放大器和PID反馈电路构成的PID运算电路设放大器和反馈电路传递函数分别为K和Wf(s)，PID运算电路传递函数偏差PDPI输出I0,U0测量值PDPI输出I0,U0给定值（2）串联组成的PID运算电路 IC1RDCDR1R2R4R3IC2CIRICMUoUiUiIC1RRRR3R45RRIR1RCIIC2IC4IC3IC5RR2R1R2CDRDUo偏差PDI输出I0,U0（3） 并联组成的PID运算电路 IC1RR1IC2IC3IC4R1R2CDRDUiUoR4R3CM5RRICIR25R（4） 串并联混合式PID运算电路 偏差PID输出I0,U0P
