第二章比例积分微分控制及其调节过程-课件.ppt

1、2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程1过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程2过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程3 过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程4FPID控制的优点控制的优点F负反馈控制的概念负反馈控制的概念F调节器正反作用的选择调节器正反作用的选择过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程5FPIDPID控制是比例积分微分控制的简称。控制是比例积分微分控制的简称。F在生产过程自动控制的发展历程中，在生产过程自动控制的

2、发展历程中，PIDPID控制是控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。历史最久、生命力最强的基本控制方式。FPID PID 控制的优点：控制的优点：1.1.原理简单，使用方便。原理简单，使用方便。2.2.适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸等各种生产部门。、炼油以及造纸等各种生产部门。3.3.按按PIDPID控制进行工作的自动调节器已商品化。控制进行工作的自动调节器已商品化。4.4.鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。化不大敏感。PIDPID控制的优点控制的优点过程控制工程过程控

3、制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程6)(sGc)(sGP)(sGd)(tr)(te)(tu)(tyD图图2.12.1生产过程简单控制系统方框图生产过程简单控制系统方框图)(ty过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程7F正作用方式是指调节器的输出信号正作用方式是指调节器的输出信号u(t)u(t)随随着被调量着被调量y(t)y(t)的增大而增大。的增大而增大。反作用方式是指调节器的输出信号反作用方式是指调节器的输出信号u(t)u(t)随随着被调量着被调量y(t)y(t)的增大而减小。的增大而减小。注意：由于仪表的偏差注意：由于仪表的偏差

4、e(t)=y(t)-r(t),e(t)=y(t)-r(t),所以调节器为正作用方式时，所以调节器为正作用方式时，K Kc c为负。为负。过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程8F调节器正反作用的调节器正反作用的选择原则选择原则：整个系统构成负：整个系统构成负反馈系统。反馈系统。F调节器正反作用的调节器正反作用的选择方法选择方法：闭环回路上所有：闭环回路上所有环节的增益之乘积是正数。环节的增益之乘积是正数。cK)(tr)(te)(tu)(tyvKKmK反作用调节器反作用调节器过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程9LC蒸

5、汽汽包省煤器给水调 节 阀：气关阀()被控对象：（+）测量变送器：（+）结论：调节器为（），即正作用 调节器分析：分析：H测量值测量值Ym（正作用调节器（正作用调节器）控制信号）控制信号U（气关阀）阀门开度（气关阀）阀门开度液位液位H过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程10 过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程11F比例调节的动作规律，比例带比例调节的动作规律，比例带F比例调节的特点，有差调节比例调节的特点，有差调节F比例带对于调节过程的影响比例带对于调节过程的影响过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比

6、例积分微分控制及其调节过程12F式中式中 称为比例增益。称为比例增益。F在过程控制中习惯用增益的倒数表示调节器输在过程控制中习惯用增益的倒数表示调节器输入于输出之间的比例关系：入于输出之间的比例关系：eKuccK 比例带比例带 的物理意义：如果的物理意义：如果 直接代表调节阀直接代表调节阀开度的变化量，那么比例带开度的变化量，那么比例带 就代表使调节阀就代表使调节阀开度改变开度改变100%100%即从全关到全开时所需要的被调即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。量的变化范围。ueu1过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程13F比例调节的显著特点就是有差

7、调节。比例调节的显著特点就是有差调节。负荷：指物料流或能量流的大小。负荷：指物料流或能量流的大小。01QQ AOB0A0A1001000蒸汽蒸汽D冷水冷水QCT过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程14F比例带比例带 临界稳定状态下的比例带为：临界稳定状态下的比例带为：crcrcrcrKK即,11稳定性变差稳定性变差稳态误差变小稳态误差变小e()K Kcrcr为对象临界稳定频率下的增益。为对象临界稳定频率下的增益。下面，我们以一个例题来说明比例带对控制系下面，我们以一个例题来说明比例带对控制系统的影响。已知，单位负反馈的开环传递函数统的影响。已知，单位负反

8、馈的开环传递函数为：为：)56()(2sssKsGP过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程15的仿真曲线0.26.12.18.04.0PK过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程16的仿真曲线171272PK过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程17的仿真曲线323020PK过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程18比例控制的优点：比例控制的优点：反应快，控制及时。偏差越大，输出的控制反应快，控制及时。偏差越大，输出的控制作用越强。作用越强。一般

9、来说，若对象的滞后较小、时间一般来说，若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以学的小写，以提高系统的灵敏比例度可以学的小写，以提高系统的灵敏度，是反映快些，过渡过程曲线的形状好度，是反映快些，过渡过程曲线的形状好些。反之，比例度大写意保证稳定。些。反之，比例度大写意保证稳定。过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程19 过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程20F积分调节动作规律积分调节动作规律F积分调节的特点，无差调节积分调节的特点，无差调节F积分速度对于

10、调节过程的影响积分速度对于调节过程的影响过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程21F式中式中 称为积分速度。称为积分速度。tedtSueSdtdu0000S二二.积分调节的特点，无差调节积分调节的特点，无差调节1.只有只有 时，时，（停止变化）；（停止变化）；2.可停止在任何数值上；可停止在任何数值上；3.稳定性比稳定性比P调节差。调节差。0)(te常数)(tu)(tu过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程22F积分速度积分速度0S稳定性变差，系统反应变快稳定性变差，系统反应变快最大偏差最大偏差A变小变小 下面，我们以

11、一个例题来说明积分速度对控制下面，我们以一个例题来说明积分速度对控制系统的影响。已知，单位负反馈的开环传递函系统的影响。已知，单位负反馈的开环传递函数为：数为：6717400)(2sssGp过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程23过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程24积分调节积分调节比例调节比例调节1pK8.00SP 与I调节过程的比较过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程25So=2 过大So=0.1 太小So=0.8 适当积分作用对调节过程的影响过程控制工程过程控制工程2

12、022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程26 过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程27F比例积分调节的动作规律比例积分调节的动作规律F比例积分调节过程比例积分调节过程F积分饱和现象与抗积分饱和的措施积分饱和现象与抗积分饱和的措施过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程28tItCedtTeuedtSeKu000)1(1或或etteeITu00eTI可衡量几分部分在总输出中占的比重：TI越小，积分部分所占的比重越大。过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程29F以下图中的热水

13、加热器为例，分析以下图中的热水加热器为例，分析PIPI调节过程调节过程的进行情况。的进行情况。CT蒸汽蒸汽D冷水冷水Q1.1.残差的消除是残差的消除是PIPI调节器调节器积分动作的结果。积分动作的结果。2.2.假定以假定以 代表调节过代表调节过程结束后阀门开度的变程结束后阀门开度的变化量，则有化量，则有IITedtedtT001或过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程30F已知，单位负反已知，单位负反馈的开环传递函馈的开环传递函数为：数为：)56(1)(2ssssG过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程31F应当注意应

14、当注意：PI调节是在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能。在比例带不变下，TI 是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。过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程32F积分饱和的概念积分饱和的概念F积分饱和产生的条件积分饱和产生的条件调节器具有积分控制规律调节器具有积分控制规律调节器输入偏差长期得不调节器输入偏差长期得不到校正到校正抗积分饱和的措施：抗积分饱和的措施：1.外反馈法；外反馈法；2.积分切除法；积分切除法；3.限幅法。（是针对串级系限幅法。（是针对串级系统来说，在第二篇讲）统来说，在第二篇讲）tttt1t3t2t010

15、0C/r000100MPau/0.100.14过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程33F在气动调节器和计算机上比较有效的办法是采用在气动调节器和计算机上比较有效的办法是采用外加积分反馈，即外加积分反馈，即调节器在开环状态下不选用调调节器在开环状态下不选用调节器自身的输出作反馈，而是用其他相应的信号节器自身的输出作反馈，而是用其他相应的信号作反馈以限制其积分作用的方法。作反馈以限制其积分作用的方法。reCK11sTIufb图图2.13积分动作由调节器输出通过积分动作由调节器输出通过 惯性惯性环节正反馈实现环节正反馈实现y过程控制工程过程控制工程2022-1

16、2-3第二章比例积分微分控制及其调节过程34reCK11sTIufbLSHShSauquhuKy间隙单元间隙单元)(11)()(sUsTsEKsUaIC（1）正常情况下，低选器）正常情况下，低选器的输出为的输出为u,即即f=u,则：则：)()11()(sEsTKsUICPI调节作用调节作用（2）非正常情况下，低选）非正常情况下，低选器的输出为器的输出为ua,即即f=ua,则则调节器切换成比例作用，防止了调节器切换成比例作用，防止了积分饱和现象的出现。积分饱和现象的出现。过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程35C2C1R1RIR2oEhESA8Ah+iEh

17、EiEoE0tiE0t0t1tiE正常情况下，开关正常情况下，开关S断开，断开，PI运算；运算；iahoEEASEE的反相器，：成为闭合。开关当11,8A8 比例积分运算比例积分运算放大器，放大器，Ah为比为比较放大器。较放大器。输出电压阶跃响应过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程36 过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程37F微分调节的特点微分调节的特点F比例微分调节规律比例微分调节规律F比例微分调节的特点比例微分调节的特点F比例积分微分调节规律比例积分微分调节规律过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章

18、比例积分微分控制及其调节过程38dtdeSu2二二.比例微分调节规律比例微分调节规律)(12dtdeTeudtdeSeKuDC或111)(SKTsTsGDDD工业上实际采用的工业上实际采用的PD调节调节器的传递函数是：器的传递函数是：式中式中 称为微分增益。称为微分增益。DK具有预见性具有预见性过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程39eu001)1(632.0DK/1DDKTDKtttteu00TDPD调节器的单位阶跃响应PD调节器的斜坡响应过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程40F微分时间微分时间适度增加适度增加

19、DT稳定性变好稳定性变好，系统反应变快，稳态误差变小系统反应变快，稳态误差变小 206717400)(23SsssG1.PD调节是有差调节；调节是有差调节；2.适度引入微分调节作用有利于提高控制系统的稳定性；适度引入微分调节作用有利于提高控制系统的稳定性；3.微分作用太强易导致调节阀开度向两端饱和；故微分只起辅助作用微分作用太强易导致调节阀开度向两端饱和；故微分只起辅助作用4.PD 调节器的抗干扰能力很差。调节器的抗干扰能力很差。过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程41微分调节TD=0.2，KP=0.8微分调节TD=0.2，KP=5比例调节KP=1过程控

20、制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程42太大DDTT,5太小DDTT,08.0适当DDTT,2.0过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程43tDItCdtdeTedtTeudtdeSedtSeKu002011 或sKTsTKsTsTKsGPIDsTsTsGDDIIDCDI1111)(111)(1调节器的传递函数为：工业上实际采用的过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程441.1.特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但有余差。但有余差。2.2.适用：控

21、制通道滞后较小，负荷变化不大适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。，允许被控量在一定范围内变化的系统。选择调节器的动作规律应根据对象特性、负荷选择调节器的动作规律应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等因素。还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等因素。1.比例调节器的选择比例调节器的选择过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程45(1)(1)特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性

22、降低。定性降低。(2)(2)适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统允许有余差的控制系统 。3 3、PDPD调节器的选择调节器的选择(1)(1)特点：具有超前作用，使系统反应变快。特点：具有超前作用，使系统反应变快。(2)(2)适用：适用：被控对象控制通道时间常数较大或容被控对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大的系统积迟延较大的系统 。过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程46(1)(1)特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。(2)(2)适用：被控对象控制通道时间常数较大或容积迟适用：被控对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大、负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求延较大、负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求很高的系统。很高的系统。5 5、复杂控制系统、复杂控制系统负荷变化大，纯滞后大，采用负荷变化大，纯滞后大，采用PIDPID达不到要求时采用达不到要求时采用复杂控制系统。复杂控制系统。过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程47过程控制工程过程控制工程2022-12-3第二章比例积分微分控制及其调节过程48 过程控制工程过程控制工程