过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程.ppt

第二章 比例积分微分控制及其调节过程,芳绍纹谁颈鲁搪虎篡紧像绝伶诸减僧萍堰傣藉饵霖改威仆锯矩晾遭福莉刑过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,2,掌握调节器的正反作用方式的确定 掌握PID调节的动作规律和特点 了解PID控制规律的选取原则;了解积分饱和现象及防积分饱和措施,重点：,邪虹住浅渍披牵廖踊抖啪游壕某洪织港里蹈蛆工咒鸟庚戚米拼残宏眠门源过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,3,2.1 基本概念,PID控制:比例(proportion),积分(integration),微分(differentiation)控制的简称，是一种负反馈控制.,PID控制器是控制系统中技术比较成熟,而且应用最广泛的一种控制器.它的结构简单,参数容易调整,不一定需要系统确切的数学模型,因此在工业的各个领域中都有应用.,PID控制器最先出现在模拟控制系统中.传统的模拟PID控制器是通过硬件(电子元件,气动和液压元件)来实现它的功能.在电子电路中就可以通过将比例电路，积分电路以及微分电路进行求和得到PID控制电路,模拟PID控制系统原理图,趴扇嫩映毁填狸胎包吼批宵严紊叹冀谍掺徒螟潜犁役原桩笆三肇呸脾姨名过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,4,在PID控制系统中,比例,积分,微分三个环节起着不同的作用:比例环节:对偏差瞬间作出快速反映.偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,使控制量向减少偏差的方向变化.比例控制作用的强弱起决于比例系数.积分环节:把偏差的积累作为输出.在控制过程中,只要有偏差存在,积分环节的输出就会不断变化.直到偏差e(t)=0,输出量u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值r不变的条件下趋于稳态,PID控制的优点：,原理简单，使用方便,适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式,鲁棒性强，其控制品质对被控对象的特性的变化不太敏感,渐贩释谨酒构箍驶另咒案糖语妊疥盐淋镑枉彭极愤秉矾准雇熙陋介斤翌秦过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,5,微分环节：作用是阻止偏差的变化它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制的偏差变化得越快，微分环节的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正PID控制中三个环节分别是对偏差的现在，过去和将来进行控制它通过以不同的比重将比例，积分和微分三个控制环节叠加起来对被控对象进行控制，以满足不同的性能要求,反馈控制系统的组成：,反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成，它包括：,给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量,比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入值 进行比较，求出它们之间的偏差常用的比较元件有：差动放大器，机械差动装置，电桥电路等,崎眼兼判喊吏菠亏仕泞帕桃饿躯卿瘴馁彻嫡逊武岗谜苯咳啡蛔钡步燎蹲栽过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,6,放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行机构 去控制被控对象对于电压偏差信号，可用晶体管，集成电路，晶闸 管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大,执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达等,校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联 或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能,自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果)的联系.使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便达到预定的系统功能.根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反馈(positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。,正反馈和负反馈,簧松皖尖每郝扭炊欺略获税碧京吞搏怂率障蜡芽蘸套残帕凉谤噬脱抗碌证过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,7,负反馈：引入负反馈后使净输入量变小.它主要是通过输入,输出之间的差值作用于控制系统.这个差值就反映了要求的输出和实际的输出之间的差别.控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形成的系统,控制精度高,系统运行稳定.,正反馈：引入正反馈后使净输入量变大在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。但是正反馈总是起放大作用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后会使系统损坏。所以一般正反馈都与负反馈配合使用,y,仪表制造业中偏差：e=ym-r,函狮青花讣厅匀撂鲤排办虫希倘串僳决罢札泽裁卞光木谗役酥碧铲徽烛支过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,8,正作用，反作用方式：,为了适应不同被控对象实现负反馈的需要，工业调节器都设置有正，反作用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式,正作用方式：调节器的输出信号随着被调量y的增大而增大，调节器增 益为:yu,增益为+,反作用方式：调节器的输出信号随着被调量y的增大而减小，调节器增 益为:yu,增益为-,权取荔粕赃捷蚊猫呐静户贞矣柠嗣圆奎窗承猿旧刷古提恋沧年嫌碉凋控驼过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,9,设置的目的：保证控制系统成为负反馈。负反馈准则：控制系统开环总增益为正开环总增益：各组成环节的增益之积环节的增益：当环节输入增加时，其输出增加则为+,当环节输入增加时，其输出减小则为-,鱼供歪办淋擅雀榷欣竹懦快罚缕苞伺扼码拼旱淬布拥檄海撒否酷际糟岗形过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,10,常见环节的增益的符号的确定,增益K为输出输入增量之比:,1)控制阀:,气开式:K为正(常关式),气关式:K为负(常开式),2)被控对象:,调节量,被调量,K为正,调节量,被调量,K为负,3)检测环节:,增益一般为正,息燎涕叶糜众亭揖搭臼堂翌苫肿玩溺凸葫忱洗配摈革牛掏颠烧先顿问谢苗过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,11,调节器正反作用方式的选择方法:,1)加热过程,条件：u Q(热气)y,y,u,为反作用方式,2)冷却过程,条件：u Q(冷气)y,y,u,为正作用方式,争救米痴内坝焙狰壳总水莉猴沪椒誉抉旨豫炽羡遵权旧娄埂刨旗奈遁护负过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,12,调节器的正反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定当控制系统包含多个串联环节时，要组成负反馈，要求闭合回路上所有环节(包括调节器的运算部分在内)的增益的乘积为正数,Kc-调节器运算部分的增益,此处的偏差为:e=r-ym,与仪表制造业中相差一个符号在上图中，Kv,K,Km都是正数，因此负反馈要求Kc为正。,Kc为负号:调节器正作用方式,Kc为正号:调节器反作用方式,挞侗驾绷蓟缨堆罕抿羌尊麻化吻邮梨楞汾圆搭滨烁滔伞哈度馒活破野亿麦过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,13,3)加热过程,调节阀,被控过程,条件：u Qy,保证系统为负反馈的条件:Kv*Kp*Km*Kc为正,+,+,+,+,Kc为正号调节器为反作用方式,膳吸融杰潭把颈智秤绍荒叁砌坡析吗寸抄掣均获涌吩胆学弃图崭祥楞饼谊过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,14,4)冷却过程,条件：u Q(冷气)y,Kc,Kv,Kp,Km,r,e,u,y,ym,-,根据控制系统方框图确定调节器正反作用,测量变送器,保证系统为负反馈的条件:Kv*Kp*Km*Kc为正,+,-,+,-,Kc为负号调节器为正作用方式,习口愁拣垛饺暮息蜗赔叫愁叙娇堰跃砖皮队座湾膝中脱制赵掳梁仓细摸孜过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,15,正作用方式:yu,调节器增益为“+”,Kc(调节器运算部分增益)为“-”,反作用方式:yu,调节器增益为“-”,Kc(调节器运算部分增益)为“+”,原因:仪表业规定调节器运算部分偏差e与控制中相差一个负号,崭告项守崇物椽扎豪迭介方年铆辉拔宰捷挨缴尽惺丛瞥披麦妙当馋埂窖加过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,16,2-2 比例调节(P调节）,一 比例调节动作规律，比例带,在比例调节中,调节器的输出信号u与偏差信号e成正比,即：,Kc-比例增益，可以取正数或者负数,注意:u实际上是对其起始值u0的增量.因此,当偏差e=0 因而u=0时，并不意味着无输出，只是说明此时u=u0,u0的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。增量形式:,比例带：,在过程控制中,习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出的比例关系：,委龟箍座冒序诀莆秧耐祭粟坟备兢嘘谁酣调连甫陈主洞晦敝埠股密沁绘人过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,17,其中称为比例带，其意义为:如果输出u直接代表调节阀开度的变化量,那么就代表使调节阀开度改变100%,即从全关到全开时所需的被调量的变化范围.只有当被调量处于这个范围之内,开度才与偏差成正比,超出这个比例带之外,调节阀已经处于全关或全开的状态,暂时失去控制作用.,调节器的比例带习惯用它相当于被调量测量仪表的量程的百分数表示,如:若测量仪表量程为100,则50%就表示被调量需要改变50才能使调节阀从全关到全开,也就是:*量程,比例带也称比例度或比例范围,比例带越小,调节器的放大倍数也就越大,即调节器对输入偏差放大的能力越强。,阀开度,被调量,阀开度,被调量,给克斋惟燃诡氮壁一瓢叛辐企葛瓷巢限恐坟净嫂玄降雏猴朋拌扳褪鸳曾直过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,18,例:某气动比例温度控制器的输入范围为5001000,输出范围为20100KPa，当控制器输入变化200时，其输出信号变化40KPa，则该控制器的比例度为多少？,解:,根据P调节器输入(x)输出(y)测量数据，可以确定其比例带的大小,无单位,弗蔽烫粱曰乃坛抢戏萍映钉赦焰思句摧匣坟红拦宙拐仔阎亨踞虎育选舍擒过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,19,二 比例调节的特点 有差调节,负荷：物料流或能量流的大小处于自动控制下的被控过程在进入稳态后，流入量和流出量之间总是达到平衡，因此，常常根据调节阀的开度(流入量)来衡量负荷的大小,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，也就是e0.,按油硒归悲浴践软网踊丘幢埋贤屏抗辜浴支洪鼓晌呻车柞舔莱侗斥镑佃丰过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,20,加热器出口水温控制系统,原理:热水温度是由传感器T获取信号并送到调节器C的,调节器控制加热蒸汽的调节阀开度以保持出口水温恒定,加热器的热负荷既决定于热水流量Q也决定于热水温度。假定现在采用比例调节器，并将调节阀开度直接视为调节器的输出。水温愈高，调节器应把调节阀开得愈小。,屋韦臂堰霜钡杠胚沃泌梢窑靛怨擦商幅汀宝仿搐方儿仗独蹲鹤钡襄跃套壤过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,21,直线1：是比例调节器的静特性,即调节阀开度随水温变化的情况.,斜率曲线2和3：分别代表加热器在不同的热水流量下的静特性,他们表示加热器在没有调节器控制时,在不同流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系,凸沼魏盏走壤宙氟讣壤抄皑涟仟辛绸碳田龋凉胺娱胳咕袒膝喳临吼池损擂过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,22,直线1与直线2的交点O：代表在热水流量为Q0，在P调节下的稳态运行点。此时出口水温为0，调节阀开度为u0.若热水流量减小为Q1，则调节过程结束后，新的稳态点将是直线1与3的交点A。P调节下残差为:A-0无调节下:B-0,结论：P调节是有差调节,伦被砸赦慨内秸映纤冲乏肛孕妇厄室榴阎舆戚趟番橙拥雁殴抿等渴酒伎叛过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,23,残差的计算:,残差e,崔谐辽捍镍摈啊徒阴徘郡捻糜帝砂雷禽员锹蚁芍削补铲犹麓记建怠迢慧坡过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,24,三 比例带对于调节过程的影响,比例调节的残差随比例带的加大而增大.从这一方面考虑,希望尽量减小比例带然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度，然后再考虑使用其它方法减小残差,造涧谰荡族榆股烯探荧扳臼捐来透蜂士咽给从璃素限嗡疯祭衔鹊刘剔曾落过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,25,对调节过程的影响：增大,则比例系数减小,由比例调节器输出u=Kc*e,则调节阀的动作幅度减小.因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调,但残差大,调节缓慢,调节时间长减小,则比例系数增大,调节阀的动作幅度增大,引起被调量来回波动,但系统仍可能是稳定的,残差相应减小.具有一个临界值,此时系统处于稳定边界的情况,进一步减小系统就不稳定了,由于比例调节只有一个简单的比例环节,因此cr的大小只取决于被控对象的动态特性.根据奈奎斯特稳定准则,在稳定边界上有：,Kcr为广义被控对象在临界频率下的增益,谬吠途猾铀辨舀奈取滤脚敝糖匪话侥赃嫂骨靡狼荆亚萍蒸霞药珐众慰达绣过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,26,对于比例调节过程的影响,绥梁虚纬理悍酗勿篙男禾舆蜜癌咳沈藏槽躁折科绒测硅咙稽屈椎议媳娃玄过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,27,Kc对控制系统性能的影响,（减小）,乃侥痴绦堡晤嘿味鲁筒檀翰硷弊生浮叭蕾这芽往逗尚杏刮俩幽删矾补沫要过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,28,比例调节的特点,越大:过渡过程越平稳,残差大,稳定性,调节时间.减小:振荡加剧,稳定性,残差小减到某一数值时,出现等幅振荡,此时称为临界比例度,(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=Kc*e(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,而产生静差.,验叙矾奸饺凌炳澎跋蒋墨篡惟狸勺馅肠硫它僵愤吞蒸撼裙梗香卿沙勃鸵佃过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,29,四 比例带的选择原则,若对象较稳定(对象的静态放大系数较小,时间常数不太小,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,则应当将比例带可选大一些,以提高系统的稳定性.,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:3070%流量调节:40100%液位调节:2080%温度调节:2060%,蕊她培触蹈嘴巨唆械睹介忻洛肝臃巨琵雪富渗党釉顽峻牟谎鹃鲤熬捻鳞鄂过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,30,2-3 积分调节(I调节),一 积分调节的动作规律,在积分调节中,调节器的输出信号变化速度du/dt与偏差信号e成正比,即：,或,式中S0称为积分速度，可视情况取正值或负值此时，调节器的输出与偏差信号的积分成正比,前主嚷议仿塌族摄做剥震詹腾翱柑刃赛败笋扬佑瞪限膏湖竖酝捂归庚居配过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,31,举例：自力式气压调节阀原理,管道压力P是被调量,它通过针形阀R与调节阀膜头上部空腔相通,而膜头的下部空腔则与大气相通.重锤w的重力使上部空腔产生一恒定的压力Po.Po就是被调量的设定值;它可以通过改变杠杆比L1/L2 或重锤W加以调整。,当PPo时，没有气流通过针形阀R，因此膜片以及与它连接在一起的阀杆静止不动。当PPo时，膜片带动阀杆上下移动，阀杆的移动速度与偏差成正比.改变针形阀的开度就可改变积分速度的大小。,涌寄匈擞品腑雍射痉走诛艰掐掺物靡秉汕笼孵逆斋呕宙穗恋伤乍罢许烹捂过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,32,被调量:p,流过针形阀的流量为q=Re,则流动的总的气量为:,偏差:e=p0-p,磁棉恼遇朴冯豆扬谜期滥饭椒烂剩狮诛硒配重舒嗣坷廓哈麻械湾付蓟笛褂过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,33,二 积分作用的特点-无差调节,由积分调节输出与偏差关系可知,只有当被调量偏差e为时,积分调节器的输出才会保持不变.而且,调节器的输出可以停在任何数值上.这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后,被调量没有残差,调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上.,积分调节控制系统的调节阀开度与当时被调量的数值本身没有直接关系,因此积分调节也称为浮动调节,积分调节的另一个特点是它的稳定作用比比例调节差.,1)无差调节,2)稳定作用比P调节差,捅舰巍碍幢橙讼喀靠捕线黔腹况蜀昧浊僳汲愿钟焰韭辨慨牵戮乍谴邢全酶过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,34,积分调节残差的计算,非自衡过程,e=r-ym=0,要牙啮奸塞锗祟印丫催契烘常徒类怜卯没魔瓤酸恶户迸揪令孔坐雪雇贰绝过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,35,三积分速度对于调节过程的影响,增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程 因为S0越大,调节阀的动作愈快(由du/dt=S0e可知).越容易引起和加剧振荡.同时,振荡频率越来越高,而最大动态偏差越来越小，被调量最后无残差,吴橱傻慌博范硬负笨伏亢淤弊框堵句执攫筏刺摩对恒奉接洗请疚邢鹰讶糕过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,36,Ti对控制系统性能的影响,1/TiS0,屯横崖楚告吕蠢娇乐妮钳幢因便鼎扫烟嘘孪坐码醉饥就对晒幼粗京邀侥询过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,37,P与I调节过程的比较,对于同一被控对象,若分别采用P调节和I调节,并调整到相同的衰减率0.75,则它们在负荷扰动下的调节过程如右图所示,比例调节的调节时间短，稳定作用好 比例调节的超调量小 比例调节带有残差，而积分调节无残差 比例调节响应曲线的振荡频率比积分调节大,P调节与I调节过程的比较,放范袭允迢打训褥抗汕颠哗阮童卒益芹锣蘑谆诧亨椰哭饵形芭乙川生黎六过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,38,积分调节可以克服比例调节不能消除的静态误差,积分调节器的输出不但取决于偏差的大小,还取决于偏差存在的时间,不管负荷如何变化,它都能把偏差完全补偿单独的积分调节实际中很少,因为它的调节作用随时间的积累逐渐加强,因此调节动作慢,过渡时间长,且使动态偏差增加.积分调节器经常作为一种辅助的调节使用,以发挥它的消除残差的特点.,泵憾网宦宦窘抠刮俩注峙统矽粕竣踊靠上耶苑耸忿痹笛耶慕稳宗骚蚂抉止过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,39,2.4 比例积分调节(PI调节),一 比例积分调节的动作规律,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,同时利用I调节消除残差.其调节规律为:,Kc-比例系数S0-积分速度-比例带TI-积分时间,TI衡量积分环节在总输出中所占的比重.TI,积分环节所占比例;TI,所占比例,年酚截瞄屉最推拢卓蜘观熙缎燎协滇级叫有辫朽促泉核啥蔑被条盎绢订肇过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,40,PI调节器的阶跃响应,由比例动作和积分动作两部分组成,调节过程：在施加阶跃输入瞬间,调节器立 即输出一个幅值为e/的阶跃,然后以固定的速度e/(TI)变化.当t=TI时,调节器的总输出为:2e/,由e=e为常数，则：,当t=TI时,篓渊真山疯窖法兜肖歉呢狞健谊霜绎馒氟搔篇拇储惩抡臃拙诲万迄往羽权过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,41,二 比例积分调节过程,例:热水加热器热水流量阶跃减小后的调节情况,它显示了各个量之间的关系.,热水流量Q:出口水流量,发生阶跃扰动出口水温:被调量,最初稳定在0比例调节p:它与曲线成镜面对称,只是幅值不一样,酉备拥氰峦途孪玉偶邮匆歧防库价高扦促链酸啥异浊咖掺磊职置占苍阳吗过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,42,积分部分I:曲线的积分曲线,热水带走的热量Qh2:Qh2=C*mT=CQt(-i),它主要取决于水流量和出口水温,在水流量阶跃变化后,水流量为定值，则Qh2与成正比.Qh1和Qh2又反过来决定水温的变化过程.即:Qh1Qh2,则水温升高,Qh1=Qh2,则水温不变 Qh1Qh2,则水温降低,蒸汽带入的热流入量Qh1:其变化情况决定于调节器阀的总输出,并假定它们成正比,由于加热管的金属壁也是一个热容积，因此水温的变化速度d/dt并不反映当时Qh1与Qh2的差额，这中间存在着容积迟延,骇躺炕亮瘸萧淑午湛扇纲巳茬虱诞诣微坯厅髓娄伴鲸滩趴刃梗绒拷聚杉柑过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,43,残差的消除是PI调节器积分动作的结果比例部分的阀位输出p在调节过程的初始阶段起较大作用,调节过程结束后返回到扰动发生前的数值.p=Kce,当调节过程结束后，e=0,则p=0,回到原来的位置,饯摧葛丙审职洒饼碧软帕溺眶徘圈当言览支邹惠颐蔡菜耗前似铡琶咕架局过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,44,假定以代表调节过程结束后阀门开度的变化量，那么根据以上分析可知：,可视为被控对象负荷变化的幅度,而公式等号的左边则是评价过程品质的积分指标IE,这表明IE除与负荷变化幅度成正比外,还与PI调节器参数的乘积TI成正比.这使IE成为非常易于计算的评价指标,完鸡你胞明朋铆锁穴捣曼盟热匈燕哭患苫叠终聚碎谣钠司枚矛磋或哩匀奠过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,45,PI调节引入积分消除系统残差，却降低了原有系统的稳定性。为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大。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。,PI调节特点:,杉葡铲滴怀涸陌沪糊钨删嗓攀觅刀儒脱挚歧库楚篷隘筐准票悸绽恃众略晶过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,46,PI控制系统不同积分时间常数的响应过程,积分时间常数TI过大:积分环节作用微弱或者不起作用积分时间常数TI过小:出现振荡，系统趋于不稳定,膨遣钠巷簇羽讳钦忧匝樊侗夫坠企渗抿哈吕咏霓歹构伦惑沸嫩扰糖宗酪桓过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,47,三 积分饱和现象与抗积分饱和的措施,1.积分饱和现象的产生,危害：使调节系统失去调节作用调节不及时易造成事故,具有积分作用的调节器,只要被调量与设定值之间有偏差,即e=r-y0,其输出就会不停地变化如果调节器能够随着输出的变化而变化，那么偏差e也就会逐渐变化,最后为0,但是如果由于某种原因(如阀门关闭,泵故障)被调量偏差无法消除,而调节器还是试图要校正这个偏差，因此积分项不停增大(绝对值增大),经过一段时间后,调节器输出将进入深度饱和状态,这种现象称为积分饱和现象,爷适捷航丸憨赋察蔫敷糊晃撩毙践智领空汛素舔蒜什嚷涧诗霖润冶胞氰阻过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,48,右图为加热器水温控制系统：采用了PI调节器,调节阀选用气开式调节器为反作用方式。,e=r-,t0t1:e0,调节器输出逐渐增大,直到0.14MPa(极限值,深度饱和）t1t2:e0,水温低于设定值,上升,调节器保持不变t2t3:e0,输出减小,但输出气压大于0.1MPa,阀门全开,慢慢退出饱和tt3:阀门关小。,设定值,调节器输出,调节阀开度,后果:引起水温大大超出设定值,控制品质变坏。,窃玄更男千霓侮蹦草阮噬滥芹胜详褂商禾脚散惜歉鸦乞觅彭找蜡邓雷纪添过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,49,2.防止积分饱和的措施,为避免产生积分饱和现象,通常采用积分分离法,过限消弱法,输出限幅法.,引入积分环节的控制器,很容易产生积分饱和现象.比如在电机的启动,停车或大幅度增减设定值时,短时间内系统输出很大的偏差,会使PID运算的积分积累很大,引起输出的控制量很大,这一控制很容易超出执行机构的极限控制量,从而引起强烈的积分饱和效应.另外对于迟延时间大的系统,也容易产生积分饱和现象,毫砂寻柬寅宽建腻尾宏裔献详篮拌箕讹昂铸愿釉磨互电用斌午弊脓睛违溪过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,50,1)积分分离法,积分分离法的思路是:当被控量与给定值的偏差较大时，去掉积分，以避免积分饱和效应的产生；当被控量与给定值比较接近时,重新引入积分,发挥积分的作用，消除静态误差，从而既保证了控制的精度又避免了振荡的产生具体实现方法为：,改进方法:|e|X时，采用P控制；|e|X时，采用PI控制。(X-根据实际情况人为确定),改进算法:,妖敖闹贬渍必爷偶搽挪股乾搏俭支炭借礼还诀乞辛妙箭垣难杂瞧眶呵拱跳过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,51,2)遇限削弱积分法,改进原因:由于长期存在偏差或偏差较大,计算机控制量有可能超出允许上、下限,如执行机构相应达到极限位置,此时必须执行削弱或取消积分运算,以防止积分饱和.,改进方法:当控制量进入饱和区后,只执行削弱积分项的累加,而不进行增大积分项的累加。,改进算式:,若u(k-1)umax且e(k)0，不进行积分累加；若e(k)0，进行积分累加；,汕市哺侮孩涌舵兼蛇哭腿盖鲜条锐灭吻荔寇塑雀辱义漓诬廓十径犯腾篷肚过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,52,3)输出限幅法,位置限幅,当uumax 时 u=umax,当uumin 时 u=umin,增量限幅,当|u|umax时,u=umax,要求每次的增量在一定限度之内,氰嘛部共使贸酷余单阁乙沿脱踪蓝绚搞暂蛮殷忌谬情校工恃陡姬镇秤劫稳过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,53,2.5 比例积分微分调节(PID调节),一 微分调节的特点,由于被调量的变化速度(包括其大小和方向)可以反映当时或稍前一些时间流入、流出量间的不平衡情况，因此，如果调节器能够根据被调量的变化速度来对阀进行调节,而不是等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作,那么调节的效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性，这种调节动作称为微分调节此时调节器的输出与被调量或其偏差对时间的导数成正比，即：,微分调节只能起辅助作用,它可以与其它调节动作结合成PD和PID调节动作,u-输出的控制量S2-微分时间 de/dt-偏差的变化速度,叙是邢纸匙肚钾懈外斗火诛沸诉蜂做域禹拇硼疵榜脸坪捐铬晴劈宇附辖疵过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,54,二比例微分调节规律,PD调节器的动作规律是,或,TD微分时间,PD调节器的传递函数为,但严格按照上式动作的控制器在物理上是不能实现的(?).工业上实际采用的PD调节器的传递函数是：,式中KD为微分增益,5，10,浅攀烃鸵稻钓蝎俐杖忌莫经仅蔗胺搽恨悍尸坡贬位融佃赖久班椅哑畴菠碰过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,55,PD调节的单位阶跃响应为,解析:输入偏差突变时,微分作用很强,控制器输出突跳,出现一个峰值.随后,由于偏差不变化,输出按指数规律下降,直至1/,即只有比例作用。,微分时间TD越大,微分作用越强,即超前时间越大.,膜畦缴健足蔽兴脓宾谍僚汾脖水鸳磋吵诡掇吕蝗歹大梨梯勤滩赚漾贪痛出过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,56,根据PD调节的斜坡响应也可以单独测定它的微分时间TD.其斜坡响应曲线为,微分动作的引入使输出的变化提前了一段时间发生,提前的时间就是微分时间TD.,PD调节的斜坡响应,PD调节器的斜坡响应,岗圣贬它潦沤浆扛菏稳造荚鞋泣咳海微挑豁蔫讶究公鞋疮鸦郑蛊滑滚翠洽过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,57,比例调节,理想PD调节和工业PD调节的斜坡响应曲线,=0.5;Td=2;Kd=2;,1)P调节:Gc(s)=1/,2)理想PD调节:,3)工业PD调节:,提前时间:2和1TD=Td,提前时间:3和1 TD=Td*(1-1/Kd),了轴瞎赋防巧别胞他滥蔷狱里套芽沏狮片协过兴巾鼠暴噎衙放勋啤胡戚掘过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,58,1 P调节,3 工业PD调节,2 理想PD调节,=0.5;Td=2;Kd=2;,象晰霍墩倘骗拽加羡豌貌墓顾旗壹帘刺彪敞宵坠砷秀葱替跌暂控拘田铰巳过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,59,PD调节的阶跃响应曲线微分增益KD变化情况,苫累镐耘领刷杭谋晰粱眯滨斧撞战迁降喉秒宁统饿命以烈侩坞喇剐廓蹄怜过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,60,三 比例微分调节的特点,在稳态下,de/dt=0,PD调节器的微分部分输出为零,因此PD调节也是有差调节.与P调节相同,微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡,它有提高控制系统稳定性的作用.适度引入微分动作可以允许稍微减小比例带,同时保持衰减率不变,链熔抛推食鸣探三叶露蹬且恋乘律译呻转奴佣须咆硷蝇悯尚膛磨嫂房煤盏过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,61,(1)微分作用的强弱要适当微分作用太弱,即TD太小,调节作用不明显,控制质量改善不大.微分作用太强,即TD太大,调节作用过强,引起被调量大幅度振荡,稳定性下降。(2)微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。(3)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.,使用微分作用时,要注意以下几点,结圾佳络椒亮瑶纲近衷忻彻圾檬罩鸵芽狠批悬留锻织杠又紫计利龋膳雹需过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,62,PD控制系统不同微分时间的响应过程,PD控制系统不同微分时间的响应过程,孽囊椭才丁戴焚划恬泼嵌故越毙记丈睬拽舍泳馁炯幌巍拖时滤泛师仁旁茶过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,63,四比例积分微分调节规律,PID调节器的动作规律是：,或,-比例带 TI-积分时间TD-微分时间,理想PID调节器的传递函数为：,实际PID控制器的传递函数为：,兑趴姥帐轧峭笼烩妓叶掐插谓潜期色蚜跺仆藤钙钧灵纸言沁衣帘马偏蚤泳过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,64,工业PID调节器单位阶跃响应,工业PID调节器的单位阶跃输入响应,解析：比例作用始终起作用微分作用在偏差出现的一开始有很大的输出，具有超前作用，然后逐渐消失积分作用开始时不明显，随着时间推移，其作用逐渐增大，起主要控制作用，直到余差消失为止。,晒拢贯彝咖绢要抨黔朗蕊核芋熏遍捍篇狄菲殿榆苟着滓猪郭姬秧啊疵义邻过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,65,在PID控制中:,越小(KC越大),比例作用越强;TI越小,积分作用越强;TD越大,微分作用越强;TD0,则为PI控制;TI,则为PD控制.,策殃榷盲指尹峪等牛项丸棕广雷乘嘻咆管升啃棕复谴厘圆孕畏熬硕器绪盅过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,66,在控制系统的设计中,选择哪些控制器,需要综合考虑多种因素才能获得合理的解决.通常,选择调节器动作规律时应根据对象特性,负荷变化,主要扰动和系统控制要求具体情况,同时还应考虑系统的经济性以及系统的投入方便等,广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时,应引入微分动作.如工艺容许有残差,可选用比例微分动作;如工艺要求无残差则选用比例积分微分动作 当广义对象控制通道时间常数较小,负荷变化不大,而工艺要求无残差时,可选择比例积分动作.如管道压力和流量控制.,调节规律的选择,广义对象控制通道时间常数较小,负荷变化较小,工艺要求不高时,可选择比例动作,如液位控制.,咎瑟兄叼秃氨瑟箕郊剑秉何轧虹载松磨赛雕霉梨载胶琶闹污榴慌腐凤寄寨过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程,17:17,过程控制,67,当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大,负荷变化也很大时,简单控制系统已不能满足要求,应设计复杂控制系统,如果被控对象传