PID调节原理

—过程控制工程—中北大学分校电工程系PID调节原理回忆—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—PID控制的优点①原理简单，使用方便；②适应性强；③鲁棒性强；控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。④对模型依赖少。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—比例调节的特点：（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，而产生余差。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，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，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大–则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。比例带的一般选择原则：—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—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：30~70%–流量调节：40~100%–液位调节：20~80%–温度调节：20~60%—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—积分调节的特点是无差调节–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–而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输出就会保持不变。–调节器的输出可以停在任何数值上,即:被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。tedtSu00tteu—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—积分调节的稳定性–它的稳定作用比P调节差，采用积分调节不可能得到稳定的系统。K(s+1)(2s-1)KGK=2K=0.2—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—积分调节的滞后性–它的滞后特性使其难以对干扰进行及时控制，所以一般在工业中，很少单独使用I调节，而基本采用PI调节代替纯I调节。tteu—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响：–增大积分速度调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低当积分速度大到超过某一临界值时，整个系统变为不稳定，出现发散的振荡过程。S0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来愈小。–减小积分速度调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程。–无论增大还是减小积分速度，被调量最后都没有残差图4.7积分速度S0对调节过程的影响—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—图4.8P与I调节过程的比较结论：•P调节有余差•I调节没有余差，但超调大，不如P稳定—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—比例调节和积分调节的比较：比例调节是有差调节，积分调节是无差调节比例调节能立即响应偏差变化积分调节调节过程缓慢∴当被调参数突然出现较大的偏差时–比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大–但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小∴如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力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。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—D调节的阶跃响应tteu0t0t微分调节的思想：微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—微分调节的特点P和I是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作(即偏差的方向和大小进行调节)。微分调节是根据偏差信号的微分,即偏差变化的速度而动作的。–只要偏差一露头,调节器就立即动作，以求更好的调节效果–偏差没有变化,微分调节不起作用。微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—注意：1.微分调节不能消除余差。∵微分调节只对偏差的变化做出反应，而与偏差的大小无关。2.单纯的微分调节器也是不能工作的。∵实际的调节器都有一定的失灵区，若调节误差的变化速度缓慢，以至于调节器不能察觉，纯微分调节器将不会动作，此时调节误差会不断累积却得不到校正。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—PID是比例、积分、微分的缩写Proportional-Integral-Differential比例作用的输出与偏差大小成正比；积分作用的输出变化速度与偏差成正比；微分作用的输出与偏差变化速度成正比。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—pK(s+1)(2s+1)KKG01234567800.20.40.60.811.21.41.61.8StepResponseTime(sec)AmplitudeK=0.2K=1K=10K=1001()1+peKK比例调节K的变化对控制效果的影响—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—KI1s(s+1)(2s+1)GT0102030405060-8-6-4-2024681012StepResponseTime(sec)AmplitudeTi=0.502040608010012000.20.40.60.811.21.41.61.8StepResponseTime(sec)AmplitudeTi=1Ti=5Ti=10Ti=inf积分调节，Ti的变化对控制效果的影响—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—0102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.8StepResponseTime(sec)AmplitudeTd=0.5Td=1Td=10Td=0dKs(s+1)(2s+1)TGkk()()()1+()GsYsRsGsk0k()1()lim1+()sGsysGss微分调节，Td的变化对控制效果的影响—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—1、比例积分（PI）调节积分调节可以消除静差,但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。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。比例积分微分调节(PID调节)—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—残差的消除是PI调节器积分动作的结果。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。比例积分调节过程—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—PI调节引入积分动作消除了系统余差，却降低了原有系统的稳定性。调节过程中的超调趋势随比例增益的增大和积分时间的减小而增大，因此PI调节的比例增益要设置得比纯P调节小，对积分时间的设置也应有一定的限制。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—PI调节在比例带不变的情况下，减小积分时间TI，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。图4.12PI控制系统不同积分时间的响应过程—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—比例积分调节的特点：具有比例调节作用反应快、无滞后的优点，可以加快调整作用，缩短调节时间，又具有积分调节的优点，可以消除静差。对于一般调节对象，均可用比例积分调节，比例带和积分时间选择合适，基本可以满足生产工艺要求。—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—PD调节也是有差调节∵在稳态下，de／dt＝0，PD调节器的微分部分输出为零，因此，此时PD调节与P调节相同。微分调节有提高控制系统稳定性的作用∵微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡–引入微分动作要适度，当TD超出某一上限值后，系统反而变得不稳定适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带–这样可以减小残差、减小短期最大偏差、提高振荡频率同时保持衰减率不变。比例微分调节的特点—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—微分调节也有不利之处：–微分动作太强容易导致调节阀开度向两端饱和在PD调节中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅助调节作用。PD调节器的抗干扰能力很差–只能应用于被调量的变化非常平稳的过程，一般不用于流量和液位控制系统。微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。比例微分调节的特点（续）—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—图4.18P调节系统和PD调节系统过程的比较—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—图4.19PD控制系统不同微分时间的响应过程—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—调节器动作规律的选择–应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求、系统的经济性以及系统投入方便等进行选择。–如，对象时间常数（迟延）大小、有无余差要求、负荷变化大小等T大，加微分–如温度、成分、pH值控制等无余差，加积分–如管道压力和流量的控制T较小，负荷变化较小，工艺要求不高，纯比例–贮罐压力、液位的控制T大（延迟大）、负荷变化大–复杂控制—计算机控制系统—浙江大学控制科学与工程学系自动化系—过程控制工程—如果被控对象传递函数可用则可根据对象的可控比τ/T选择调节器的动作规律。–τ/T0.2，选择比例或比例积分动作;–0.2τ/T≤1.0，选择比例微分或比例积分微分动作;–τ/T1.0，应选用如串级、前馈等复杂控制系统1)(TsKesGsp