过程控制第一篇 第二章

过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程§2-1基本概念§2-2比例调节§2-3积分调节§2-4比例积分调节§2-5比例积分微分调节本章重点回顾作业第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程§2-1基本概念1.基本控制算法2.基本PID控制算法3．PID调节的优点4．调节器偏差的定义5.调节器正反作用定义6．正反作用的判断方法过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程§2-2比例调节(ProportionalControl)1.比例调节规律（P调节）2.比例带3.调节过程4.比例调节的特点5.KC变化对系统控制性能指标的影响过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程§2-3积分调节(IntegralControl)1.积分调节规律（I）2.调节过程3.积分调节的特点4.TI变化对系统控制性能指标的影响5.与P调节比较过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程§2-4比例积分调节（PI调节）1.比例积分调节规律（PI）2.调节过程3比例积分调节的特点4.对系统控制性能指标的影响5.与P调节比较6.积分饱和现象过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程§2-5比例积分微分调节1.微分调节（DerivativeControl）2.比例微分调节（PD）3.比例微分调节特点4.比例微分控制算法使用注意事项5.比例积分微分调节（PID）6.PID控制作用对过渡过程的影响过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程PID广义被控对象给定值r被调量yeu§2-1基本概念控制器统计表明生产过程80%的控制可以用PID控制器构成单回路反馈控制系统进行控制（简单控制系统）。PID控制是比例积分微分（ProportionalIntegralDerivative，Proportional-Integrate-Differential）控制的简称,是一种负反馈控制。即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用是对输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。控制器包括求偏差和PID运算过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程1）比例（Proportional）控制作用：控制作用u与偏差e成比例，也称P作用，即2）积分（Integral）控制作用：控制作用u与偏差e对时间的积分成比例，也称I作用，即3）微分(Derivative)控制作用：控制作用u与偏差e对时间的导数成比例，也称D作用，即)()(PPteKtutteKtud)()(IItteKtud)(d)(DD1.基本控制算法式中Kp称为比例增益（proportionalgain）式中KI称为积分增益（integralgain）式中KD称为微分增益（derivativegain）过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程tteTtteTteKd)(dd)(1)(DIC2.基本PID控制算法)()()()(DIPtutututu理想PID算法传递函数为：理想PIDsTsTKsEsUsGCDIC11)()()(CDDICI,KKTKKT参数物理意义为：式中KC称为比例增益，TI称为积分时间（integraltime），TD称为微分时间（derivativetime）tteKtteKteKd)(dd)()(DIP理想PID控制算法对应的调节器输出为：过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程111)()()(DDDICsKTsTsTKsEsUsGC实际PID的传递函数为：实际微分KC：比例系数，反映比例作用的大小TI：积分时间，反映比例作用和积分作用之间的相对关系TD：微分时间，反映微分作用和比例作用之间的相对关系KD：微分增益，一般在5-1011)11()()()(DDDICsKTsTsTKsEsUsGC并联实现串联实现过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程3．PID调节的优点♠原理简单（使用和实现方便）♠适应性强（应用面广）♠鲁棒性强（对过程变化不敏感）4．调节器偏差的定义（1）仪表制造业偏差的规定：调节器偏差=测量值—给定值，即（2）控制系统偏差的定义：)()()(trtyte)()()(tytrtePID广义被控对象rye-u过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程（1）控制规律与环节的正反作用♠常用控制一般都采用PID控制，通过适当设置调节比例带δ、积分时间常数TI和微分时间常数TD等则可以实现多种控制规律。♠实际控制系统的每个环节都有正反作用规律：测量环节：间接指标与直接指标反向对应；控制环节：可以用被测参数减去设定值，也可以用设定值减去被测参数；执行环节：控制信号加大执行结果可加大（如气开阀）或减少（如气关阀）。5.调节器正反作用过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程正作用：e*↑(e↓)→u↑，即KC为负反作用：e*↑(e↓)→u↓，即KC为正设置正反作用的目的：使控制系统构成负反馈系统PID广义被控对象给定值r被调量yeu控制器（调节器）（2）调节器正反作用的定义过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程（2）调节器正反作用的设置设置的目的：保证控制系统构成负反馈系统负反馈准则：控制系统的开环总增益为正开环总增益：各环节的增益之积环节增益为正：环节的输入增加时，输出也增加过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程6．正反作用的判断方法:e=r-y↑y↓对象K0为负Kc为负正作用例1：过热蒸汽温度控制系统PIDryu-τsKeG(s)=Ts+1-PIDe1)(000sTeKsGs→e*=y-r↓→控制器作用应使u↓过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程确定调节器正反作用的步骤：1）根据工艺安全性的要求，确定控制阀的作用方式，如气开阀的增益为正，气闭阀的增益为负；2）根据对象输入和输出关系确定对象增益的正负；3）根据检测变送环节的输入输出关系确定检测变送环节的增益正负；4）根据负反馈准则，确定调节器的正反作用。过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程负反馈准则0mpvcKKKK例二液位控制系统0cK0cK0vK0vK过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程气开阀例三：压力控制系统+++调节器反作用+过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程蒸汽气闭阀例四：加热控制系统++——调节器正作用输入冷介质输出热介质过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程§2-2比例调节（proportionalControl）1.比例调节规律（P调节，粗调）e(t)tΔu(t)tKcKC称为比例增益（proportionalgain）δ称为比例带(proportionalband)u0是偏差e=0时调节器的输出初始值)()(teKtuC11)()()(SKsEsUsGCC0)(1)(utetu比例算法的方程为其传函为调节器的实际输出为阶跃响应过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程%100minmaxminmaxuuueee2.比例带δ（也称比例度，proportionalband）eueuKCdd:根据放大系数定义minmaxminmaxuuee当%1001CK即e和u为无量纲、单元组合仪表、数字控制装置时，则有比例带指调节器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数，即过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程δ的物理意义：使调节阀开度改变100%（即从全关到全开）所需要的被调量的变化范围。*比例作用的线性关系只在一定范围其作用在Kc较大时，|e|达到50%/Kc时，控制器输出将达到0%—100%，|e|增大u将不再改变，进入饱和状态，是具有饱和区的比例特性，从局部看是线性，从整体看，是非线性。过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程比例度的示意图。当比例度为50％、100%、200％时，分别说明只要偏差e变化占仪表全量程的50％、100%、200％时，控制器的输出就可以由最小pmax变为最大pmin。过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程♠比例带指在这样偏差内u与e为线性关系%100控制器输出范围控制器输出变化全量程的距离指针移动的距离☆考虑仪表刻度不均匀性，比例度也可定义为过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程例：已知一电动比例调节器的量程为100～300℃，输出信号为4～20mA，当输入从140℃变化到200℃时，相应的调节器输出由6mA变化到12mA,求该调节器的比例带。解：根据调节器的比例度定义，可知δ为%100minmaxminmaxuuueee%100)420()612(100)(300)140200(%80%10016620060过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程3.调节过程：ryu-KCe1)(000sTeKsGs单位圆Kc1Kc2响应的曲线误差例1例2过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程G=tf(1,[120,60,20,1]);%广义对象传函为1/(120s^3+60s^2+60s+1)forKc=[0.5:1:6.5]%Kc取值范围0.5-6.5，间隔1H=feedback(Kc*G,1);%求比例作用下系统的闭环传函step(H);%求闭环系统的单位阶跃响应holdon;Endfigure;rlocus(G,[0,25])%绘制根轨迹ryu-KCe)(sG例1过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程02040608010012014016018020000.20.40.60.811.21.4StepResponseTime(sec)AmplitudeKc=0.5Kc=1.5Kc=2.5Kc=6.5Kc=4.5Kc=5.5Kc=3.5过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程μ100μμ0oQ0Q1θθ1θ012曲线1—比例调节器静特性曲线2—热水流量Q0对象静特性TTTC冷水Q蒸汽D冷凝水热水调节器为反作用θBAμA例2加热器出水控制系统曲线3—热水流量下降为Q1对象静特性3θA稳态误差ryu-KCe100sTeKsB调节阀气开K00KC0过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程2Q1Q2Qh2Qhh1Q2Q21QQ1Qh例3：水位调节系统过程控制(processcontrol）第二章比例积分微分控制及其调节过程4.比例调节的特点♠调节作用及时。KC↑→调节作用增强♠调节有差自衡对象：非自衡对象：)()(1)()(0sGsGsRsEC011)(lim00KesEesss01111lim)(lim000sTesEessss比例调节也称为粗调响应的曲线误差过程控制(processco