《ID調節(jié)原理》ppt課件

1、第第4章章 PID調理調理原理原理v41 PID根本概念根本概念PID控制是比例積分微分控制。控制是比例積分微分控制。 歷史最久、生命力最強的控制方式。歷史最久、生命力最強的控制方式。 具有以下優(yōu)點具有以下優(yōu)點: 原理簡單，運用方便。原理簡單，運用方便。 順應性強順應性強. 魯棒性強魯棒性強. 控制質量對被控對象特性的變化不大敏感?？刂瀑|量對被控對象特性的變化不大敏感。 PID控制是一種負反響控制?？刂剖且环N負反響控制。 v在反響控制系統(tǒng)中，自動調理器和被控對象構成一個閉合回路。 在銜接成閉合回路時，能夠出現(xiàn)兩種情況： 正反響和負反響. v正反響作用加劇被控對象流入量流出量的不平衡，導致控制系

2、統(tǒng)不穩(wěn)定. v負反響作用那么緩解對象中的不平衡，正確地到達自動控制的目的。 45v4.2 消費過程的動態(tài)特性消費過程的動態(tài)特性v 過程控制系統(tǒng)在運轉中有兩種形狀。過程控制系統(tǒng)在運轉中有兩種形狀。 v穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài): 系統(tǒng)沒有遭到干擾，設定值堅持不變，被調量也不系統(tǒng)沒有遭到干擾，設定值堅持不變，被調量也不隨時間變化，整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。隨時間變化，整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。v動態(tài)動態(tài): 當系統(tǒng)遭到外來干擾的影響或者在改動了設定值后，當系統(tǒng)遭到外來干擾的影響或者在改動了設定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化，尤其是被

3、調量也將偏離原穩(wěn)出量都相繼發(fā)生變化，尤其是被調量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時間變化，這時就稱系統(tǒng)處于動態(tài)。態(tài)值而隨時間變化，這時就稱系統(tǒng)處于動態(tài)。 經(jīng)過一段調整時間后，假設系統(tǒng)是穩(wěn)定的，被調量經(jīng)過一段調整時間后，假設系統(tǒng)是穩(wěn)定的，被調量將會重新到達新設定值或其附近，系統(tǒng)又恢復穩(wěn)定將會重新到達新設定值或其附近，系統(tǒng)又恢復穩(wěn)定平衡工況。平衡工況。 v過渡過程: 從一個穩(wěn)態(tài)到達另一個穩(wěn)態(tài)的歷程。 評價控制系統(tǒng)的性能目的: 穩(wěn)定性、準確性和快速性。 v實現(xiàn)消費過程自動化， 由工藝工程師提出被控對象的控制要求。 控制工程師的義務那么是設計出合理的控制系統(tǒng)以滿足這些要求。 工業(yè)過程動態(tài)特性的特點 1 對象的動態(tài)

4、特性是不振蕩的 階躍呼應是單調曲線，被調量的變化比較緩慢。 工業(yè)對象的幅頻特性M()和相頻特性()，隨著頻率的增高都向下傾斜. 9v2對象動態(tài)特性有遲延 由于遲延的存在，調理閥動作的效果往往需求經(jīng)過一段遲延時間后才會在被調量上表現(xiàn)出來。 遲延的主要來源是多個容積的存在，容積愈大或數(shù)目愈多，容積遲延時間愈長。 有些被控對象還具有傳輸遲延。 v3被控對象本身是穩(wěn)定的 被控對象，當調理閥開度改動致使原來的物質或能量平衡關系遭到破壞后，隨著被調量的變化不平衡量愈來愈小，因此被調量可以自動地穩(wěn)定在新的程度上。這種特性稱為自平衡，具有這種特性的被控對象稱為自衡過程。 v 自平衡才干的大小用對象靜態(tài)增益K的

5、倒數(shù)衡量，稱為自平衡率，自平衡率 K1v也有一些被控對象，當調理閥開度改動致使物質或能量平衡關系破壞后，不平衡量不因被調量的變化而改動，因此被調量將以固定的速度不斷變化下去而不會自動地在新的程度上恢復平衡。這種對象不具有自平衡特性，稱為非自衡過程。 v 不穩(wěn)定的過程是指原來的平衡一旦被破壞后，被調量在很短的時間內就發(fā)生很大的變化。 13自平衡過程1)(TsKeGss非自平衡過程TsKeGss)( T稱為過程的時間常數(shù)， 是純遲延時間。 單純由遲延構成的過程是很難控制的,而單容過程，自衡的單容過程那么極易控制 17v輸入、輸出量用相對值表示，閥門開度以全行程的百分數(shù)表示，被調量那么以相對于丈量儀

6、表全量程的百分數(shù)表示。 經(jīng)過一段遲延時間后，被調量開場以某個速度變化，這個起始速度稱為呼應速度，以表示，有 v (適用于自平衡過程)TKv4被控對象具有非線性特性 換熱器熱量平衡方程： )(12TTQcHDQpsh20v以蒸汽流量為調理量，物料出口溫度為被調量，列管式換熱器溫度對象的增益為 QcHdDTdKps2QcHDTTps12v換熱器溫度對象增益與其負荷成反比。 中和反響器是另一個典型的變增益對象。 被調量為生成物的PH值，調理量為中和用的酸液摩爾數(shù)。在pH=7附近，對象增益極高，在遠離此點的大范圍內，其數(shù)值減小。 非線性特性給控制帶來極大的困難。 23v單容水槽的動態(tài)方程為一階非線性微

7、分方程，即 v線形化單容水槽動態(tài)方程為v 其中水阻為kHkdtdHFkRHdtHdRFkHR02v在任務點H0附近才可近似為常數(shù)。 當負荷變化時水槽任務點隨之改動，而負載閥在不同任務點上的水阻R不同。 對象的增益和時間常數(shù)均呈現(xiàn)非線性。 對象內部的延續(xù)非線性特性。 v在控制系統(tǒng)中還存有另一類非線性，如調理閥、繼電器等元件的飽和、死區(qū)和滯環(huán)等典型的非線性特性。 v在過程控制工程中，把被控對象、丈量變送單元和調理閥三部分串聯(lián)在一同統(tǒng)稱為廣義對象，因此它包含了這部分非線性特性。 v對于被控對象的非線性特性，假設控制精度要求不高或者負荷變化不大，那么可用線性化方法進展處置。 假設非線性不可忽略時，必需

8、采用其它方法，例如分段線性的方法、非線性補償器的方法或者利用非線性控制實際來進展系統(tǒng)的分析和設計。 4.3 比例調理比例調理(P調理調理) 一、比例調理的動作規(guī)律，比例帶一、比例調理的動作規(guī)律，比例帶 在在P調理中，調理器的輸出信號調理中，調理器的輸出信號u與偏向信號與偏向信號e成成比例，比例， 即即 kc稱為比例增益稱為比例增益 ekucv當偏向e為零因此u0時，并不意味著調理器沒有輸出，它只闡明此時有uu0. 在過程控制中習慣用增益的倒數(shù)表示 調理器輸入與輸出之間的比例關系：eu1v二、比例調理的特點，有差調理二、比例調理的特點，有差調理比例調理的顯著特點就是有差調理比例調理的顯著特點就是

9、有差調理 32v三、比例帶對于調理過程的影響三、比例帶對于調理過程的影響比例調理的殘差隨著比例帶的加大而加大。比例調理的殘差隨著比例帶的加大而加大。 從這一方面思索，希望盡量減小比例帶。從這一方面思索，希望盡量減小比例帶。 減小比例帶就等于加大調理系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小比例帶就等于加大調理系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導致系統(tǒng)猛烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)其后果是導致系統(tǒng)猛烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求，比例定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設置必需保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。帶的設置必需保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。 34v很大意味著調理閥的動作幅度很小，因此被調量的變化比較平穩(wěn)

10、，甚至可以沒有超調，但殘差很大，調理時間也很長。減小就加大了調理閥的動作幅度， 引起被調量來回動搖，但系統(tǒng)仍能夠是穩(wěn)定的，殘差相應減小。具有一個臨界值，系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊境的情況，進一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了； 的臨界值cr可以經(jīng)過實驗測定出來：假設被調對象的數(shù)學模型知，根據(jù)控制實際計算出來。 v比例調理的特點： 1比例調理的輸出增量與輸入增量呈一一對應的比例關系。即：u=Ke 2比例調理反響速度快，輸出與輸入同步，沒有時間滯后，其動態(tài)特性好。 3比例調理的結果不能使被調參數(shù)完全回到給定值，而產(chǎn)生靜差。 v4.4 積分調理積分調理I調理調理)一、積分調理動作規(guī)律一、積分調理動作規(guī)律 調理器的輸出信號的

11、變化速度調理器的輸出信號的變化速度dudt與偏向與偏向信號信號e成正比成正比. 二、積分調理的特點，無差調理二、積分調理的特點，無差調理積分調理的特點是無差調理，當被調量偏向積分調理的特點是無差調理，當被調量偏向e為零時，積分調理器的輸出會堅持不變。為零時，積分調理器的輸出會堅持不變。 調理器的輸出可以停在任何數(shù)值上。調理器的輸出可以停在任何數(shù)值上。 v被控對象在負荷擾動下的調理過程終了后，被調量沒有殘差，而調理閥那么可以停在新的負荷所要求的開度上。 v采用積分調理的控制系統(tǒng)，其調理閥開度與當時被調量的數(shù)值本身沒有直接關系，積分調理也稱為浮動調理。 積分調理的另一特點是它的穩(wěn)定作用比P調理差。

12、 采用積分調理不能夠得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。 v三、積分速度對于調理過程的影響三、積分速度對于調理過程的影響采用積分調理時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積采用積分調理時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度分速度S0成正比。成正比。 增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。 41v由于S0愈大，那么調理閥的動作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩， 振蕩頻率將愈來愈高，而最大動態(tài)偏向那么愈來愈小被調量最后都沒有殘差，這是積分調理的特點。 v積分調理的特性積分調理的特性調理器的輸出變化量與輸入偏向值隨時間的調理器的輸出變化量與輸入偏

13、向值隨時間的積分成正比，亦即輸出的變化速度與輸入偏積分成正比，亦即輸出的變化速度與輸入偏向成正比，向成正比， 對于積分調理器，輸出變化量的大小，不僅對于積分調理器，輸出變化量的大小，不僅決議于偏向的大小，而且取決于偏向存在的決議于偏向的大小，而且取決于偏向存在的時間長短。時間長短。 v調理效果與運用調理效果與運用積分速度積分常數(shù)的大小對調理過程積分速度積分常數(shù)的大小對調理過程影響較大。影響較大。 積分速度大，調理閥的速度加快，但系統(tǒng)積分速度大，調理閥的速度加快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，當積分速度大到超越某一的穩(wěn)定性降低，當積分速度大到超越某一臨界值時，整個系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定。臨界值時，整個系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)

14、定。 反之，減小積分速度，調理閥的速度減慢，反之，減小積分速度，調理閥的速度減慢，結果是系統(tǒng)的穩(wěn)定性添加了，但調理速度結果是系統(tǒng)的穩(wěn)定性添加了，但調理速度變慢，當積分常數(shù)小到某一臨界值時，調變慢，當積分常數(shù)小到某一臨界值時，調理過程變?yōu)榉钦袷庍^程。理過程變?yōu)榉钦袷庍^程。 v比例調理和積分調理的比較：比例調理和積分調理的比較： 積分調理可以消除靜差。但對比例調理來積分調理可以消除靜差。但對比例調理來說，當被調參數(shù)忽然出現(xiàn)較大的偏向時，說，當被調參數(shù)忽然出現(xiàn)較大的偏向時，調理器能立刻按比例地把調理閥的開度開調理器能立刻按比例地把調理閥的開度開得很大，但積分調理器就做不到這一點，得很大，但積分調理器

15、就做不到這一點，它需求一定的時間才干將調理閥的開度開它需求一定的時間才干將調理閥的開度開大或減小，因此，積分調理睬使調理過程大或減小，因此，積分調理睬使調理過程非常緩慢。非常緩慢。 46v一、比例積分調理的動作規(guī)律 積分調理可以消除靜差,但有滯后景象，比例調理沒有滯后景象，但存在靜差。 PI調理就是綜合P、I兩種調理的優(yōu)點， 利用P調理快速抵消干擾的影響，同時利用I調理消除殘差。 v比例積分調理有比例調理，即將輸入偏向信號立刻放大輸出，又有積分調理作用，即輸入偏向使調理器輸出變化按時間逐漸積累從而消除靜差。v它的調理規(guī)律為 tcedtSeku00)1(10tIedtTeu49v二二 比例積分調

16、理過程比例積分調理過程殘差的消除是殘差的消除是PI調理器積分動作的結果。調理器積分動作的結果。 積分部分的閥位輸出使調理閥開度最終得積分部分的閥位輸出使調理閥開度最終得以到達抵消擾動所需的位置。以到達抵消擾動所需的位置。 比例部分的閥位輸出比例部分的閥位輸出Up在調理過程的初始在調理過程的初始階段起較大作用，但調理過程終了后又前階段起較大作用，但調理過程終了后又前往到擾動發(fā)生前的數(shù)值。往到擾動發(fā)生前的數(shù)值。 vPI調理引入積分動作帶來消除系統(tǒng)殘差，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 為堅持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調理器比例帶必需適當加大。PI調理在比例帶不變的情況下，減小積分時間TI，將使控制系統(tǒng)穩(wěn)

17、定性降低、振蕩加劇、調理過程加快、振蕩頻率升高。 52v比例積分調理的特點： 具有比例調理作用反響快、無滯后的優(yōu)點，可以加快調整作用，縮短調理時間，又具有積分調理的優(yōu)點，可以消除靜差。 對于普通調理對象，均可用比例積分調理，比例帶和積分時間選擇適宜，根本可以滿足消費工藝要求。 v三、積分飽和景象與抗積分飽和的措施三、積分飽和景象與抗積分飽和的措施具有積分作用的調理器，只需被調量與設具有積分作用的調理器，只需被調量與設定值之間有偏向，其輸出就會不停地變化。定值之間有偏向，其輸出就會不停地變化。 假設由于某種緣由假設由于某種緣由(如閥門封鎖、泵缺點等如閥門封鎖、泵缺點等)，被調量偏向一時無法消除，

18、然而調理器還被調量偏向一時無法消除，然而調理器還是要試圖校正這個偏向，結果經(jīng)過一段時是要試圖校正這個偏向，結果經(jīng)過一段時間后，調理器輸出將進入深度飽和形狀，間后，調理器輸出將進入深度飽和形狀，這種景象稱為積分飽和。這種景象稱為積分飽和。 進入深度積分飽和的調理器，要等被調量偏向反向以后才漸漸從飽和形狀中退出來，重新恢復控制造用。 氣動調理器的積分動作是經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)的正反響實現(xiàn)的。調理器的輸出 FsTEkUsIscs)()(1156v這為比例積分調理的動作規(guī)律 抗積分飽和的措施 一是接入外部積分反響,假設在正反響回路中參與一個間隙單元. 58v調理器的輸出輸入關系將成為調理器的輸出輸入關系將

19、成為第二項為常數(shù)，調理器切換為比例作用，防止積第二項為常數(shù)，調理器切換為比例作用，防止積分飽和景象。分飽和景象。 UsTEkUsIscs)( 0)(11v另一種方法是由調理器內部實現(xiàn)另一種方法是由調理器內部實現(xiàn)PI P調理動作的自動切換，調理動作的自動切換，EK系列調理系列調理器。器。 61比例積分 比較 開關開關 v開關S斷開時，電路進展正常的比例積分運算。 如輸入一個負的階躍電壓-Ei， 輸出電壓Eo變化為. 63v 比例積分微分調理比例積分微分調理(PID 調理調理)一、微分調理的特點一、微分調理的特點 P和和I是根據(jù)曾經(jīng)構成的被調參數(shù)與給定值之是根據(jù)曾經(jīng)構成的被調參數(shù)與給定值之偏向而動

20、作的偏向而動作的.(即偏向的方向和大小進展調理即偏向的方向和大小進展調理的的). v假設調理器可以根據(jù)被調量的變化速度來挪動調理閥. 而不要等到被調量曾經(jīng)出現(xiàn)較大偏向后才開場動作，那么調理的效果將會更好，等于賦予調理器以某種程度的預見性，這種調理動作稱為微分調理。 微分調理是根據(jù)偏向信號的微分,即偏向變化的速度而動作的. v微分調理就是根據(jù)偏向變化速度而進展調理的.只需偏向一露頭,調理器就立刻動作,這樣的調理效果更好.偏向沒有變化,微分調理不起作用.微分調理主要用于抑制調理對象有較大的傳送滯后和容量滯后. v微分調理器的輸出與被調量或其偏向對于時間的導數(shù)成正比，即與輸入偏向速度成正比. 67v

21、調理器在t=t0時辰，輸入階躍偏向e，偏向的變化速度為： 調理器的輸出立刻又回到零，理想的微分調理特性曲線為一垂直直線。調理器的輸出立刻又回到零，理想的微分調理特性調理器的輸出立刻又回到零，理想的微分調理特性 曲線為一垂直直線。曲線為一垂直直線。dtdev單純按上述規(guī)律動作的調理器是不能任務的。 微分調理只能起輔助的調理作用，與其它調理動作結合成PD和PID調理動作。 v二、比例微分調理規(guī)律二、比例微分調理規(guī)律 v PD調理器的動作規(guī)律是調理器的動作規(guī)律是 v v ( 為比例帶，為比例帶，TD為微分時間為微分時間 )按照上式，按照上式，PD調理器的傳送函數(shù)應為調理器的傳送函數(shù)應為dtdesek

22、uc2)(1dtdeTeuD)1(1)(sTGDscv工業(yè)上實踐采用的PD調理器的傳送函數(shù)是111)(sKTsTGDDDsc 72v根據(jù)PD調理器的斜坡呼應也可以單獨測定它的微分時間TD，v假設TD = 0即沒有微分動作，那么輸出u將按虛線變化。微分動作的引入使輸出的變化提早一段時間發(fā)生，而這段時間就等于TD。 PD調理器有導前作用，其導前時間即是微分時間TD。 v三、比例微分調理的特點三、比例微分調理的特點在穩(wěn)態(tài)下，在穩(wěn)態(tài)下，dedt0，PD調理器的微分部分輸出調理器的微分部分輸出為零，因此為零，因此PD調理也是有差調理，與調理也是有差調理，與P調理一樣。調理一樣。 微分調理動作總是力圖抑制

23、被調量的振蕩，它有提微分調理動作總是力圖抑制被調量的振蕩，它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。 適度引入微分動作可以允許稍許減小比例帶，適度引入微分動作可以允許稍許減小比例帶， 同時堅持衰減率不變。同時堅持衰減率不變。 75v適度引入微分動作后，可以采用較小的比例帶，減小了殘差，減小了短期最大偏向和提高了振蕩頻率。 微分調理動作也有一些不利之處。 微分動作太強容易導致調理閥開度向兩端飽和， 在PD調理中總是以比例動作為主， 微分動作只能起輔助調理作用。 vPD調理器的抗干擾才干很差，這只能運用于被調量的變化非常平穩(wěn)的過程，普通不用于流量和液位控制系統(tǒng)。 微分調理動作對于純遲延過程是無效的。 v引入微分動作要適度。在大多數(shù)PD控制系統(tǒng)隨著微分時間Td增大，其穩(wěn)定性提高，但某些特殊系統(tǒng)也有例外，當TD超出某一上限值后，系統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定了。 794.5 PID調理規(guī)律調理規(guī)律v比例帶、積分時間、微分時間這三個特征參數(shù)表示比例積分微分的調理特性