过程控制-PID调节原理

14PID调节原理4PID调节原理2本章学习内容4.1PID控制概述4.2比例调节4.3积分调节4.4微分调节4.5比例积分微分调节（PID调节）4.6数字PID控制4.7PID调节器参数的工程整定4.8智能PID控制方法4PID调节原理34.1PID控制概述PID控制是比例积分微分控制（Proportional-Integral-Differential）历史最久、生命力最强的控制方式4PID调节原理4反馈控制给定（目标）输出（控制结果）——根据误差进行的控制4PID调节原理5反馈控制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PID4PID调节原理6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)(4.2)))()(1)(()(0dttdeTdtteTteKtuDtIP式中KP——比例系数TI——积分时间常数TD——微分时间常数4PID调节原理7PID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。4PID调节原理84.2.1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，即，u=Kpe（4.3）式中Kp称为比例增益4.2比例调节（P调节）4PID调节原理9P调节的阶跃响应tteu•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。u=Kpeu0u0+Kpe04PID调节原理10比例带为表示调节器输入和输出之间的比例关系，在过程控制中习惯用比例带（比例度）δ来代替比例增益：(4.5)%1001%100)/()/(minmaxminmaxminmaxminmaxeeuuKuuueeeP式中emax–emin-----偏差信号范围，即仪表量程umax–umin-----调节器输出信号范围，即控制器输出的工作范围4PID调节原理11习题4.7(p102)某电动比例调节器的测量范围为100~200oC，其输出为0~10mA。当温度从140oC变化到160oC时，测得调节器的输出从3mA变化到7mA。试求出该调节器比例带。%100)/()/(minmaxminmaxuuueee4PID调节原理12δ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。4PID调节原理13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。(4.6)%1001%100PKueminmaxminmaxuuee4PID调节原理144.2.2比例调节的特点，有差调节比例调节的显著特点就是有差调节。4PID调节原理15abeuKP•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，Kp大，余差小。4PID调节原理16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。4PID调节原理174.2.3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，振荡发散图4.4δ对比例调节过程的影响4PID调节原理18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。4PID调节原理19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：4PID调节原理20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%4PID调节原理214.3.1积分调节动作规律调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的积分成正比，即：4.3积分调节（I调节)(4.10)(4.9)tedtSueSdtdu0004PID调节原理22积分调节的阶跃响应tteu•I调节器的输出不仅与偏差信号的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。•只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化，直到偏差为零调节器的输出才稳定下来不再变化。•所以积分调节作用能自动消除余差。•注意I调节的输出不像P调节那样随偏差为零而变到零。tedtSu004PID调节原理23图示的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，它通过针形阀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。改变针形阀的开度可改变积分速度S0eSdtdu04PID调节原理244.3.2积分调节的特点，无差调节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。tedtSu00tteu4PID调节原理25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=0.24PID调节原理26-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20-1-0.500.51NyquistDiagramRealAxisImaginaryAxisNyquistDiagramRealAxisImaginaryAxis-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10-1-0.500.5105101520250123StepResponseTime(sec)Amplitude01234560123StepResponseTime(sec)AmplitudeZ=P-NK(s+1)(2s-1)KGK=2K=0.24PID调节原理2702468101214161820-2000020004000StepResponseTime(sec)Amplitude0123456789051015StepResponseTime(sec)Amplitude-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20-40-2002040NyquistDiagramRealAxisImaginaryAxis-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10-4-2024NyquistDiagramRealAxisImaginaryAxisZ=P-NKs(s+1)(2s-1)KGK=2K=0.24PID调节原理28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。tteu4PID调节原理29采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分速度S0成正比。增大积分速度降低系统的稳定程度。4.3.3积分速度对于调节过程的影响4PID调节原理30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4PID调节原理31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。4PID调节原理32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4PID调节原理33调节器的输出u与被调量或其偏差e对于时间的导数成正比，即(4.12)2dtdeSu式中，S2——微分时间。4.4微分调节（D调节）4PID调节原理34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。4PID调节原理35调节器在t=t0时刻，输入阶跃偏差e，偏差的变化速度为：dtde•之后，调节器的输出立即又回到零，理想的微分调节特性曲线为一垂直直线。4PID调节原理36如加热炉温度自动调节,当温度低于给定值时,则煤气阀门应开大,这是比例调节作用,但同时发现,温度降低的速度很快,说明出现了较大的扰动,则下一时刻的偏差将会更大,因此应预先采取措施,即提前动作,把煤气阀门的开度开得更大一些,这叫超前作用。4PID调节原理37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。4PID调节原理38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。4PID调节原理39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。4PID调节原理40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。4P