PID控制(一)

PID控制原理（一）1内容简介21，PID控制的特点2，比例调节3，比例控制的调节规律和比例带4，比例调节的特点5，比例带对于调节过程的影响PID控制的特点•PID控制是比例积分微分控制•（Proportional-Integral-Differential）•历史最久、应用最广，适应性最强的控制方式•在工业生产过程中，PID控制算法占85%～90%。3PID•反馈控制4控制器执行器被控对象测量/变送器-+目标误差输出广义对象PID控制的特点•常规PID控制系统的原理•输入：控制偏差e(t)=r(t)-y(t)•输出：偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合比例积分微分广义被控对象r(t)e(t)y(t)+-+++u(t)5PID控制的特点PID控制具有以下优点：①原理简单，使用方便。②适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。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。④对模型依赖少。•按PID控制进行工作的自动调节器早已商品化。6PID控制的特点在过程控制中，绝大部分都采用PID控制。例外的情况有两种。•一种是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。•另一种是被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况，这时如果PID控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控制方法。7PID控制的特点比例调节(P调节)•比例控制的调节规律和比例带•比例控制的特点•比例带对控制过程的影响8比例控制的调节规律和比例带•在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即•u＝Kce•式中，Kc称为比例增益(视情况可设置为正或负)。910•在实际应用中，由于执行器的运动（如阀门开度）有限，控制器的输出u(t)也就被限制在一定的范围之内，•换句话说，在Kc较大时，偏差e(t)仅在一定的范围内与控制器的输出保持线性关系。比例控制的调节规律和比例带11•图中说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围•图中偏差在-50%-50%范围变化时，•如果Kc=1，则控制器输出u(t)变化在0～100%范围（对应阀门的全关到全开），并与输入e(t)之间保持线性关系。•Kc1时，制器输出u(t)与输入e(t)之间的线性关系只在-50%/Kc～50%/Kc满足。比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带12•当|e(t)|超出该范围时，控制器输出具有饱和特性，保持在最小或最大值。•因此，比例控制有一定的应用范围，超过该范围时，控制器输出与输入之间不成比例关系。•这表明，从局部范围看，比例控制作用表示控制输出与输入之间是线性关系，但从整体范围看，两者之间是非线性关系。tteu•P调节的阶跃响应13•P调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。•输出u实际上是对其起始值的增量。因此，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的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。0u0+Kceu0u=Kce比例控制的调节规律和比例带比例控制的调节规律和比例带14%100||/||/minmaxminmaxuuueee],[maxminee],[maxminuu2．比例带及其物理意义①比例带的定义在过程控制中，通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入（偏差）的范围。因此，比例度又称为比例带，其定义为式中，为偏差信号范围，即仪表的量程；为控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范围。比例控制的调节规律和比例带•如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是统一的标准信号，即，则有•此时比例带（比例度）δ与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%的开度变化，相应的比例增益就大。|uu||ee|minmaxminmax15比例控制的调节规律和比例带②δ具有重要的物理意义•u代表调节阀开度的变化量，δ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。•例如，若测量仪表的量程为100℃，则δ＝50%就表示被调量需要改变50℃才能使调节阀从全关到全开。•当被调量处在“比例带”以内•调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。•超出这个“比例带”以外•调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保持比例关系。16比例调节的特点•比例调节的显著特点就是有差调节。•如果采用比例调节，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，它们之间一定有残差。•因为根据比例调节的特点，只有调节器的输入有变化,即被调量和设定值之间有偏差,调节器的输出才会发生变化。17abeuKc•这里的杠杆充当了比例调节器：液位变化e是其输入；阀杆位移△u是其输出；调节器的比例增益为：•该比例调节器是有余差的！•余差的大小与比例增益有关，Kc大，余差小。液位比例控制系统示意图比例调节的特点•余差（或静差）是指：•被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。•余差的大小与调节器的放大系数K或比例带δ有关•放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；•放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。19比例调节的特点比例带对于调节过程的影响a)δ大•调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长b)δ减小•调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差减小c)δ进一步减小•被调量振荡加剧d)δ为临界值•系统处于临界稳定状态e)δ小于临界值•系统不稳定，振荡发散20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。21比例带对于调节过程的影响•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。22比例带的一般选择原则：比例带对于调节过程的影响23