PID調(diào)節(jié)原理PPT課件

1、2021/3/912021/3/92PI D調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制:e(t) = r(t) c(t) PID調(diào)節(jié)器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為 u(t)=kp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s) 其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)2021/3/93PID控制的優(yōu)點(diǎn)

2、原理簡(jiǎn)單，使用方便；適應(yīng)性強(qiáng)；魯棒性強(qiáng)；控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。對(duì)模型依賴少。 2021/3/94比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：（1）比例調(diào)節(jié)的輸出增量與輸入增量呈一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系，即：u = K e（2）比例調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，輸出與輸入同步，沒有時(shí)間滯后，其動(dòng)態(tài)特性好。（3）比例調(diào)節(jié)的結(jié)果不能使被調(diào)參數(shù)完全回到給定值，而產(chǎn)生余差。2021/3/95F若對(duì)象較穩(wěn)定（對(duì)象的靜態(tài)放大系數(shù)較小，時(shí)間常數(shù)不太大，滯后較?。?則比例帶可選小些，這樣可以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)速度加快一些；F相反，若對(duì)象的放大系數(shù)較大，時(shí)間常數(shù)較小，滯后時(shí)間較大 則比例帶可選大一些，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比例帶的一般選擇原

3、則：比例帶的一般選擇原則：2021/3/96F比例帶的選取，一般情況下，比例帶的范圍大致如下： 壓力調(diào)節(jié)： 3070% 流量調(diào)節(jié)： 40100% 液位調(diào)節(jié)： 2080% 溫度調(diào)節(jié)： 2060%2021/3/97F積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無差調(diào)節(jié) 只要偏差不為零，控制輸出就不為零，它就要?jiǎng)幼鞯桨驯徽{(diào)量的靜差完全消除為止 而一旦被調(diào)量偏差e為零，積分調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)保持不變。 調(diào)節(jié)器的輸出可以停在任何數(shù)值上,即:u被控對(duì)象在負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量沒有余差，而調(diào)節(jié)閥則可以停在新的負(fù)荷所要求的開度上。tedtSu002021/3/98F積分調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性它的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差，采用積分調(diào)節(jié)不可能得到

4、穩(wěn)定的系統(tǒng)。K(s+1)(2s-1)KGK=2K=0.22021/3/99F積分調(diào)節(jié)的滯后性它的滯后特性使其難以對(duì)干擾進(jìn)行及時(shí)控制，所以一般在工業(yè)中，很少單獨(dú)使用I調(diào)節(jié)，而基本采用PI調(diào)節(jié)代替純I調(diào)節(jié)。2021/3/910u調(diào)節(jié)閥的速度加快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低u當(dāng)積分速度大到超過某一臨界值時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。uS0愈大，則調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩，而最大動(dòng)態(tài)偏差則愈來愈小。u調(diào)節(jié)閥的速度減慢，結(jié)果是系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加了，但調(diào)節(jié)速度變慢u當(dāng)積分常數(shù)小到某一臨界值時(shí)，調(diào)節(jié)過程變?yōu)榉钦袷庍^程。無論增大還是減小積分速度，被調(diào)量最后都沒有殘差圖圖4.7 積分速度積分

5、速度S S0 0 對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響2021/3/911圖圖4.8 P4.8 P與與I I 調(diào)節(jié)過程的比較調(diào)節(jié)過程的比較2021/3/912F比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)F比例調(diào)節(jié)能立即響應(yīng)偏差變化積分調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)過程緩慢當(dāng)被調(diào)參數(shù)突然出現(xiàn)較大的偏差時(shí) 比例調(diào)節(jié)能立即按比例把調(diào)節(jié)閥的開度開得很大 但積分調(diào)節(jié)器需要一定的時(shí)間才能將調(diào)節(jié)閥的開度開大或減小如果系統(tǒng)干擾作用頻繁，積分調(diào)節(jié)會(huì)顯得十分乏力F單獨(dú)的積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)較罕見，它作為一種輔助調(diào)節(jié)規(guī)律與比例調(diào)節(jié)一起組成比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律。2021/3/913FD調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)微分調(diào)節(jié)的思想：微分調(diào)節(jié)的思想：微分調(diào)節(jié)只與偏差的變化成比微

6、分調(diào)節(jié)只與偏差的變化成比例，偏差變化越劇烈，由微分例，偏差變化越劇烈，由微分調(diào)節(jié)器給出的控制作用越大，調(diào)節(jié)器給出的控制作用越大，從而及時(shí)地抑制偏差的增長(zhǎng)，從而及時(shí)地抑制偏差的增長(zhǎng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2021/3/914微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)FP和I是根據(jù)已經(jīng)形成的被調(diào)參數(shù)與給定值之偏差而動(dòng)作(即偏差的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié))。F微分調(diào)節(jié)是根據(jù)偏差信號(hào)的微分,即偏差變化的速度而動(dòng)作的。 只要偏差一露頭,調(diào)節(jié)器就立即動(dòng)作，以求更好的調(diào)節(jié)效果 偏差沒有變化,微分調(diào)節(jié)不起作用。F微分調(diào)節(jié)主要用于克服調(diào)節(jié)對(duì)象有較大的傳遞滯后和容量滯后。2021/3/915F注意：F微分調(diào)節(jié)不能消除余差。微分調(diào)節(jié)只

7、對(duì)偏差的變化做出反應(yīng)，而與偏差的大小無關(guān)。F單純的微分調(diào)節(jié)器也是不能工作的。 實(shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，若調(diào)節(jié)誤差的變化速度緩慢，以至于調(diào)節(jié)器不能察覺，純微分調(diào)節(jié)器將不會(huì)動(dòng)作，此時(shí)調(diào)節(jié)誤差會(huì)不斷累積卻得不到校正。2021/3/916FPID是比例、積分、微分的縮寫 Proportional-Integral-DifferentialF比例作用的輸出與偏差大小成正比；F積分作用的輸出變化速度與偏差成正比；F微分作用的輸出與偏差變化速度成正比。2021/3/917F比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。F比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤

8、差F但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。2021/3/918pK(s+1)(2s+1)K KG01234567800.20.40.60.811.21.41.61.8Step ResponseTime (sec)AmplitudeK=0.2K=1K=10K=1001( )1+ peK K 比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié) K的變化對(duì)控制效果的影響的變化對(duì)控制效果的影響 2021/3/919F積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。F積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分

9、作用弱。F加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。F積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。2021/3/920KI1s (s+1) (2s+1)GT0102030405060-8-6-4-2024681012Step ResponseTime (sec)AmplitudeTi=0.502040608010012000.20.40.60.811.21.41.61.8Step ResponseTime (sec)AmplitudeTi=1Ti=5Ti=10Ti=inf積分調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)， Ti的變化對(duì)控制效果的影響的變化對(duì)控制效果的影響 2021/3/921F微分調(diào)節(jié)

10、作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。F在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。F微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。F此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。F微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。2021/3/9220102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.8Step ResponseTime (sec)Amp

11、litudeTd=0.5Td=1Td=10Td=0dKs (s+1) (2s+1)TGkk( )( )( ) 1+( )G sY sR sG sk0k( )1( )lim 1+( )sG sysG s s 微分調(diào)節(jié)，微分調(diào)節(jié)，Td的變化對(duì)控制效果的影響的變化對(duì)控制效果的影響 2021/3/9231、比例積分（PI）調(diào)節(jié)F積分調(diào)節(jié)可以消除靜差,但有滯后現(xiàn)象，比例調(diào)節(jié)沒有滯后現(xiàn)象，但存在靜差。FPI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除殘差。比例積分微分調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)(PID(PID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)) )2021/3/924F殘差的消除是PI調(diào)節(jié)器積分動(dòng)作

12、的結(jié)果。F積分部分的閥位輸出使調(diào)節(jié)閥開度最終得以到達(dá)抵消擾動(dòng)所需的位置。F比例部分的閥位輸出Up在調(diào)節(jié)過程的初始階段起較大作用，但調(diào)節(jié)過程結(jié)束后又返回到擾動(dòng)發(fā)生前的數(shù)值。比例積分調(diào)節(jié)過程比例積分調(diào)節(jié)過程2021/3/925 FPI調(diào)節(jié)引入積分動(dòng)作消除了系統(tǒng)余差，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。F調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)趨勢(shì)隨比例增益的增大和積分時(shí)間的減小而增大，因此PI調(diào)節(jié)的比例增益要設(shè)置得比純P調(diào)節(jié)小，對(duì)積分時(shí)間的設(shè)置也應(yīng)有一定的限制。2021/3/926FPI調(diào)節(jié)在比例帶不變的情況下，減小積分時(shí)間TI，將使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調(diào)節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。圖圖4.12 PI4.12 PI控制系統(tǒng)

13、不同積分時(shí)間的響應(yīng)過程控制系統(tǒng)不同積分時(shí)間的響應(yīng)過程 2021/3/927F比例積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：F具有比例調(diào)節(jié)作用反應(yīng)快、無滯后的優(yōu)點(diǎn)，可以加快調(diào)整作用，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，又具有積分調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，可以消除靜差。F對(duì)于一般調(diào)節(jié)對(duì)象，均可用比例積分調(diào)節(jié)，比例帶和積分時(shí)間選擇合適，基本可以滿足生產(chǎn)工藝要求。2021/3/928FPD調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)在穩(wěn)態(tài)下，dedt0，PD調(diào)節(jié)器的微分部分輸出為零，因此，此時(shí)PD調(diào)節(jié)與P調(diào)節(jié)相同。F微分調(diào)節(jié)有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用 微分調(diào)節(jié)動(dòng)作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩 引入微分動(dòng)作要適度，當(dāng)TD超出某一上限值后，系統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定F適度引入微分動(dòng)作可以允許稍許減小比例帶

14、 這樣可以減小殘差、減小短期最大偏差、提高振蕩頻率同時(shí)保持衰減率不變。比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)2021/3/929F微分調(diào)節(jié)也有不利之處： 微分動(dòng)作太強(qiáng)容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和F在PD調(diào)節(jié)中總是以比例動(dòng)作為主，微分動(dòng)作只能起輔助調(diào)節(jié)作用。FPD調(diào)節(jié)器的抗干擾能力很差 只能應(yīng)用于被調(diào)量的變化非常平穩(wěn)的過程，一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。F微分調(diào)節(jié)動(dòng)作對(duì)于純遲延過程是無效的。比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)（續(xù)）比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)（續(xù)）2021/3/930圖圖4.18 P4.18 P調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)和PDPD調(diào)節(jié)系統(tǒng)過程的比較調(diào)節(jié)系統(tǒng)過程的比較2021/3/931圖圖4.19 PD4.19 P

15、D控制系統(tǒng)不同微分時(shí)間的響應(yīng)過程控制系統(tǒng)不同微分時(shí)間的響應(yīng)過程2021/3/932F調(diào)節(jié)器動(dòng)作規(guī)律的選擇 應(yīng)根據(jù)對(duì)象特性、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)和系統(tǒng)控制要求、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等進(jìn)行選擇。 如，對(duì)象時(shí)間常數(shù)（遲延）大小、有無余差要求、負(fù)荷變化大小等uT大，加微分 如溫度、成分、如溫度、成分、pH值控制等值控制等u無余差，加積分 如管道壓力和流量的控制如管道壓力和流量的控制uT較小，負(fù)荷變化較小，工藝要求不高，純比例 貯罐壓力、液位的控制貯罐壓力、液位的控制uT大（延遲大）、負(fù)荷變化大 復(fù)雜控制復(fù)雜控制2021/3/933F 如果被控對(duì)象傳遞函數(shù)可用 則可根據(jù)對(duì)象的可控比/T選擇調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律。 / T 0.2， 選擇比例或比例積分動(dòng)作; 0.2 1.0， 應(yīng)選用如串級(jí)