比例積分微分控制及其調節(jié)過程課件

1、2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程1過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程2過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程3 過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程4FPID控制的優(yōu)點控制的優(yōu)點F負反饋控制的概念負反饋控制的概念F調節(jié)器正反作用的選擇調節(jié)器正反作用的選擇過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程5FPIDPID控制是比例積分微分控制的簡稱?？刂剖潜壤e分微分控制的簡稱。F在生產過程自動控制的發(fā)展歷程中，在生產過程自動控制的發(fā)展歷程中，PIDPID控制是

2、控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。歷史最久、生命力最強的基本控制方式。FPID PID 控制的優(yōu)點：控制的優(yōu)點：原理簡單，使用方便。原理簡單，使用方便。適應性強，可以廣泛應用于化工、熱工、冶金適應性強，可以廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙等各種生產部門。、煉油以及造紙等各種生產部門。按按PIDPID控制進行工作的自動調節(jié)器已商品化?？刂七M行工作的自動調節(jié)器已商品化。1.1.魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不大敏感?；淮竺舾?。PIDPID控制的優(yōu)點控制的優(yōu)點過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程6

3、)(sGc)(sGP)(sGd)(tr)(te)(tu)(tyD圖圖2.12.1生產過程簡單控制系統(tǒng)方框圖生產過程簡單控制系統(tǒng)方框圖)(ty過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程7F正作用方式是指調節(jié)器的輸出信號正作用方式是指調節(jié)器的輸出信號u(t)u(t)隨隨著被調量著被調量y(t)y(t)的增大而增大。的增大而增大。 反作用方式是指調節(jié)器的輸出信號反作用方式是指調節(jié)器的輸出信號u(t)u(t)隨隨著被調量著被調量y(t)y(t)的增大而減小。的增大而減小。 注意：由于儀表的偏差注意：由于儀表的偏差e(t)=y(t)-r(t),e(t)=y(t)-r(t),所

4、以調節(jié)器為正作用方式時，所以調節(jié)器為正作用方式時，K Kc c為負。為負。過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程8F調節(jié)器正反作用的調節(jié)器正反作用的選擇原則選擇原則：整個系統(tǒng)構成負：整個系統(tǒng)構成負反饋系統(tǒng)。反饋系統(tǒng)。F調節(jié)器正反作用的調節(jié)器正反作用的選擇方法選擇方法：閉環(huán)回路上所有：閉環(huán)回路上所有環(huán)節(jié)的增益之乘積是正數(shù)。環(huán)節(jié)的增益之乘積是正數(shù)。cK)(tr)(te)(tu)(tyvKKmK反作用調節(jié)器反作用調節(jié)器過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程9LC蒸汽汽包省煤器給水調 節(jié) 閥：氣關閥 ()被控對象： （+）測量變送器： （

5、+）結論：調節(jié)器為（），即正作用 調節(jié)器分析：分析：H測量值測量值Ym（正作用調節(jié)器（正作用調節(jié)器）控制信號）控制信號U（氣關閥）閥門開度（氣關閥）閥門開度液位液位H過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程10 過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程11F比例調節(jié)的動作規(guī)律，比例帶比例調節(jié)的動作規(guī)律，比例帶F比例調節(jié)的特點，有差調節(jié)比例調節(jié)的特點，有差調節(jié)F比例帶對于調節(jié)過程的影響比例帶對于調節(jié)過程的影響過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程12F式中式中 稱為比例增益。稱為比例增益。F在過程控制中習

6、慣用增益的倒數(shù)表示調節(jié)器輸在過程控制中習慣用增益的倒數(shù)表示調節(jié)器輸入于輸出之間的比例關系：入于輸出之間的比例關系：eKuccK 比例帶比例帶 的物理意義：如果的物理意義：如果 直接代表調節(jié)閥直接代表調節(jié)閥開度的變化量，那么比例帶開度的變化量，那么比例帶 就代表使調節(jié)閥就代表使調節(jié)閥開度改變開度改變100%100%即從全關到全開時所需要的被調即從全關到全開時所需要的被調量的變化范圍。量的變化范圍。ueu1過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程13F比例調節(jié)的顯著特點就是有差調節(jié)。比例調節(jié)的顯著特點就是有差調節(jié)。 負荷：指物料流或能量流的大小。負荷：指物料流或能量流

7、的大小。01QQ AOB0A0A1001000蒸汽蒸汽D冷水冷水QCT過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程14F比例帶比例帶 臨界穩(wěn)定狀態(tài)下的比例帶為：臨界穩(wěn)定狀態(tài)下的比例帶為：crcrcrcrKK即,11穩(wěn)定性變差穩(wěn)定性變差穩(wěn)態(tài)誤差變小穩(wěn)態(tài)誤差變小e() K Kcrcr為對象臨界穩(wěn)定頻率下的增益。為對象臨界穩(wěn)定頻率下的增益。 下面，我們以一個例題來說明比例帶對控制系下面，我們以一個例題來說明比例帶對控制系統(tǒng)的影響。已知，單位負反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)統(tǒng)的影響。已知，單位負反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為：為：)56()(2sssKsGP過程控制工程過程控制工程2022-1-3

8、1比例積分微分控制及其調節(jié)過程15的仿真曲線0 . 26 . 12 . 18 . 04 . 0PK過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程16的仿真曲線171272PK過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程17的仿真曲線323020PK過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程18比例控制的優(yōu)點：比例控制的優(yōu)點：反應快，控制及時。偏差越大，輸出的控制反應快，控制及時。偏差越大，輸出的控制作用越強。作用越強。 一般來說，若對象的滯后較小、時間一般來說，若對象的滯后較小、時間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時，控制器

9、的常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時，控制器的比例度可以學的小寫，以提高系統(tǒng)的靈敏比例度可以學的小寫，以提高系統(tǒng)的靈敏度，是反映快些，過渡過程曲線的形狀好度，是反映快些，過渡過程曲線的形狀好些。反之，比例度大寫意保證穩(wěn)定。些。反之，比例度大寫意保證穩(wěn)定。過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程19 過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程20F積分調節(jié)動作規(guī)律積分調節(jié)動作規(guī)律F積分調節(jié)的特點，無差調節(jié)積分調節(jié)的特點，無差調節(jié)F積分速度對于調節(jié)過程的影響積分速度對于調節(jié)過程的影響過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)

10、過程21F式中式中 稱為積分速度。稱為積分速度。tedtSueSdtdu0000S二二.積分調節(jié)的特點，無差調節(jié)積分調節(jié)的特點，無差調節(jié)只有只有 時，時， （停止變化）；（停止變化）； 可停止在任何數(shù)值上；可停止在任何數(shù)值上；穩(wěn)定性比穩(wěn)定性比P調節(jié)差。調節(jié)差。0)(te常數(shù))(tu)(tu過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程22F積分速度積分速度0S穩(wěn)定性變差，系統(tǒng)反應變快穩(wěn)定性變差，系統(tǒng)反應變快最大偏差最大偏差A變小變小 下面，我們以一個例題來說明積分速度對控制下面，我們以一個例題來說明積分速度對控制系統(tǒng)的影響。已知，單位負反饋的開環(huán)傳遞函系統(tǒng)的影響。已知，

11、單位負反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為：數(shù)為：6717400)(2sssGp過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程23過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程24積分調節(jié)積分調節(jié)比例調節(jié)比例調節(jié)1pK8 . 00SP 與I調節(jié)過程的比較過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程25So=2 過大So=0.1 太小So=0.8 適當積分作用對調節(jié)過程的影響過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程26 過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程27F比例積分調節(jié)的

12、動作規(guī)律比例積分調節(jié)的動作規(guī)律F比例積分調節(jié)過程比例積分調節(jié)過程F積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和的措施積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和的措施過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程28tItCedtTeuedtSeKu000)1(1或或etteeITu00eTI可衡量幾分部分在總輸出中占的比重： TI越小，積分部分所占的比重越大。過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程29F以下圖中的熱水加熱器為例，分析以下圖中的熱水加熱器為例，分析PIPI調節(jié)過程調節(jié)過程的進行情況。的進行情況。 CT蒸汽蒸汽D冷水冷水Q殘差的消除是殘差的消除是PIPI調節(jié)器調節(jié)

13、器積分動作的結果。積分動作的結果。假定以假定以 代表調節(jié)過代表調節(jié)過程結束后閥門開度的變程結束后閥門開度的變化量，則有化量，則有IITedtedtT001或過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程30F已知，單位負反已知，單位負反饋的開環(huán)傳遞函饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為：數(shù)為：)56(1)(2ssssG過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程31F應當注意應當注意： PI調節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。 在比例帶不變下，TI 是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。過程控制工程過程控制工程2022-

14、1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程32F積分飽和的概念積分飽和的概念F積分飽和產生的條件積分飽和產生的條件調節(jié)器具有積分控制規(guī)律調節(jié)器具有積分控制規(guī)律調節(jié)器輸入偏差長期得不調節(jié)器輸入偏差長期得不到校正到校正抗積分飽和的措施：抗積分飽和的措施：外反饋法；外反饋法；積分切除法；積分切除法；限幅法。（是針對串級系限幅法。（是針對串級系統(tǒng)來說，在第二篇講）統(tǒng)來說，在第二篇講）tttt1t3t2t0100C/r000100MPau/0.100.14過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程33F在氣動調節(jié)器和計算機上比較有效的辦法是采用在氣動調節(jié)器和計算機上比較有效的辦法是

15、采用外加積分反饋，即外加積分反饋，即調節(jié)器在開環(huán)狀態(tài)下不選用調調節(jié)器在開環(huán)狀態(tài)下不選用調節(jié)器自身的輸出作反饋，而是用其他相應的信號節(jié)器自身的輸出作反饋，而是用其他相應的信號作反饋以限制其積分作用的方法。作反饋以限制其積分作用的方法。reCK11sTIufb圖圖2.13積分動作由調節(jié)器輸出通過積分動作由調節(jié)器輸出通過 慣性慣性環(huán)節(jié)正反饋實現(xiàn)環(huán)節(jié)正反饋實現(xiàn)y過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程34reCK11sTIufbLSHShSauquhuKy間隙單元間隙單元)(11)()(sUsTsEKsUaIC（1）正常情況下，低選器）正常情況下，低選器的輸出為的輸出為u

16、, 即即f=u, 則：則：)()11 ()(sEsTKsUICPI調節(jié)作用調節(jié)作用（2）非正常情況下，低選）非正常情況下，低選器的輸出為器的輸出為ua, 即即f=ua, 則則調節(jié)器切換成比例作用，防止了調節(jié)器切換成比例作用，防止了積分飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)。積分飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)。過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程35C2C1R1RIR2oEhESA8Ah+iEhEiEoE0tiE0t0t1tiE正常情況下，開關正常情況下，開關S斷開，斷開，PI運算；運算；iahoEEASEE的反相器，：成為閉合。開關當11,8A8 比例積分運算比例積分運算放大器，放大器，Ah為比為比

17、較放大器。較放大器。輸出電壓階躍響應過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程36 過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程37F微分調節(jié)的特點微分調節(jié)的特點F比例微分調節(jié)規(guī)律比例微分調節(jié)規(guī)律F比例微分調節(jié)的特點比例微分調節(jié)的特點F比例積分微分調節(jié)規(guī)律比例積分微分調節(jié)規(guī)律過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程38dtdeSu2二二.比例微分調節(jié)規(guī)律比例微分調節(jié)規(guī)律)(12dtdeTeudtdeSeKuDC或111)(SKTsTsGDDD工業(yè)上實際采用的工業(yè)上實際采用的PD調節(jié)調節(jié)器的傳遞函數(shù)是：器的傳遞函

18、數(shù)是：式中式中 稱為微分增益。稱為微分增益。DK具有預見性具有預見性過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程39eu001) 1(632. 0DK/1DDKTDKtttteu00TDPD調節(jié)器的單位階躍響應PD調節(jié)器的斜坡響應過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程40F微分時間微分時間適度增加適度增加DT穩(wěn)定性變好，穩(wěn)定性變好，系統(tǒng)反應變快，穩(wěn)態(tài)誤差變小系統(tǒng)反應變快，穩(wěn)態(tài)誤差變小 206717400)(23SsssGPD調節(jié)是有差調節(jié)；調節(jié)是有差調節(jié)；適度引入微分調節(jié)作用有利于提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；適度引入微分調節(jié)作用有利于提高控制

19、系統(tǒng)的穩(wěn)定性；微分作用太強易導致調節(jié)閥開度向兩端飽和；故微分只起輔助作用微分作用太強易導致調節(jié)閥開度向兩端飽和；故微分只起輔助作用PD 調節(jié)器的抗干擾能力很差。調節(jié)器的抗干擾能力很差。過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程41微分調節(jié)TD=0.2，KP=0.8微分調節(jié)TD=0.2，KP=5比例調節(jié)KP=1過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程42太大DDTT,5太小DDTT,08. 0適當DDTT,2 . 0過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程43tDItCdtdeTedtTeudtdeSedtS

20、eKu002011 或sKTsTKsTsTKsGPIDsTsTsGDDIIDCDI1111)(111)(1調節(jié)器的傳遞函數(shù)為：工業(yè)上實際采用的過程控制工程過程控制工程2022-1-31比例積分微分控制及其調節(jié)過程44 特點：抗干擾能力強，過渡過程時間短，特點：抗干擾能力強，過渡過程時間短，但有余差。但有余差。 適用：控制通道滯后較小，負荷變化不大適用：控制通道滯后較小，負荷變化不大，允許被控量在一定范圍內變化的系統(tǒng)。，允許被控量在一定范圍內變化的系統(tǒng)。 選擇調節(jié)器的動作規(guī)律應根據對象特性、負荷選擇調節(jié)器的動作規(guī)律應根據對象特性、負荷變化、主要擾動和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時變化、主要擾動和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時還應考慮系統(tǒng)的經濟性以及系統(tǒng)投入方便等因素。還應考慮