過(guò)程控制的PID調(diào)節(jié)原理

1、PID調(diào)節(jié)原理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)歸根到底就是調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)就是調(diào)節(jié)規(guī)律的確定和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。本章內(nèi)容4.1PID控制概述4.2過(guò)程控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性4.3比例調(diào)節(jié)(P調(diào)節(jié))4.4積分調(diào)節(jié)(I調(diào)節(jié))4.5比例積分微分調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)）4.6PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程整定4.1PID控制概述 P- Proportional，比例 I- Integral，積分 D- Differential，微分 PID控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱PID控制的優(yōu)點(diǎn) 原理簡(jiǎn)單，使用方便 適應(yīng)性強(qiáng) 魯棒性強(qiáng)(Robust)圖4.1生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方框圖廣義被控對(duì)象 一般包括調(diào)節(jié)閥、被控對(duì)象和測(cè)量變送元件偏差信號(hào)e 按儀表

2、制造業(yè)的規(guī)定，進(jìn)入調(diào)節(jié)器運(yùn)算部分的偏差信號(hào)e定義為e =y - r式中 r設(shè)定值；y被調(diào)量的實(shí)測(cè)值?？刂乒こ讨械亩x為e = r - y正、反作用方式 所謂正作用方式是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u隨著被調(diào)量y的增大而增大，此時(shí)稱整個(gè)調(diào)節(jié)器的增益為“+”。 處于反作用方式下，u隨著被調(diào)量y的增大而減小，調(diào)節(jié)器的增益為“-”。圖4.2根據(jù)控制系統(tǒng)方框圖確定調(diào)節(jié)器正反作用4.2過(guò)程控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 (1) 對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是單調(diào)、不振蕩的 (2) 對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的延遲性和時(shí)間常數(shù)大 (3) 對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性具有純時(shí)間滯后 (4) 被控對(duì)象的自平衡與非自平衡特性 (5) 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性往往具有非線性特征圖4.

3、3工業(yè)對(duì)象的幅頻和相頻特性圖4.4純時(shí)間滯后的效應(yīng)圖4.5單容水槽圖圖4.6自平衡過(guò)程的階躍響應(yīng)圖4.7具有純時(shí)間滯后的自平衡過(guò)程的階躍響應(yīng)4.8單容積分水槽及其階躍響應(yīng)圖4.9列管式換熱器圖4.10中和反應(yīng)器及其靜特性4.3比例調(diào)節(jié)(P調(diào)節(jié)) 4.3.1比例調(diào)節(jié)的動(dòng)作規(guī)律和比例帶 4.3.2比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)有差調(diào)節(jié) 4.3.3比例帶對(duì)于調(diào)節(jié)過(guò)程的影響4.3.1比例調(diào)節(jié)規(guī)律和比例帶稱為比例帶eueKuc14.3.2比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)有差調(diào)節(jié)圖4.11所示加熱器水溫控制系統(tǒng)圖4.12比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)4.3.3比例帶對(duì)于調(diào)節(jié)過(guò)程的影響圖4.13對(duì)于比例調(diào)節(jié)過(guò)程的影響4.4積分調(diào)節(jié)(I調(diào)節(jié)) 4.4.1

4、積分調(diào)節(jié)規(guī)律和積分速度 4.4.2積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)無(wú)差調(diào)節(jié) 4.4.3積分速度對(duì)于調(diào)節(jié)過(guò)程的影響4.4.1積分調(diào)節(jié)規(guī)律和積分速度tedtSueSdtdu000或圖4.14自力式氣壓調(diào)節(jié)閥4.4.2積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)無(wú)差調(diào)節(jié)tedtSueSdtdu000或4.4.3積分速度對(duì)于調(diào)節(jié)過(guò)程的影響圖4.15積分速度對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響圖4.16P與I調(diào)節(jié)過(guò)程的比較4.5比例積分微分(PID)調(diào)節(jié) 4.5.1關(guān)于微分調(diào)節(jié) 4.5.2比例積分（PI）調(diào)節(jié) 4.5.3比例微分（PD）調(diào)節(jié) 4.5.4比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律及其基本特征4.5.1關(guān)于微分調(diào)節(jié)dtdeSu24.5.2比例積分（PI）調(diào)節(jié)titcedtTeue

5、dtSeKu000)1(1圖4.17PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)圖4.18加熱器水溫PI控制系統(tǒng)在熱水流量階躍擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過(guò)程圖4.19PI控制系統(tǒng)不同積分時(shí)間的響應(yīng)過(guò)程圖4.20溫度比例積分控制系統(tǒng)積分飽和圖4.21積分動(dòng)作由調(diào)節(jié)器輸出通過(guò)圖4.22利用間隙單元抗積分飽和圖4.23間歇反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的響應(yīng)曲線圖4.24調(diào)節(jié)器抗積分飽和電路4.5.3比例微分（PD）調(diào)節(jié))(12dtdeTeudtdeSeKuDePD的傳遞函數(shù)111G)1 (1sKTsTsTGDDDcDc實(shí)際上圖4.25PD調(diào)節(jié)器的單位階躍響應(yīng))/exp() 1(11DDDKTtKu圖.26PD調(diào)節(jié)器的斜坡響應(yīng)圖4.27P調(diào)

6、節(jié)系統(tǒng)和PD調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程的比較圖4.28PD控制系統(tǒng)不同微分時(shí)間的響應(yīng)過(guò)程圖4.29工業(yè)PID調(diào)節(jié)器單位階躍響應(yīng)圖4.30各種調(diào)節(jié)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的響應(yīng)過(guò)程4.5.4比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律及其基本特征)1(10020tDItcdtdeTedtTeudtdeSedtSeKuPID傳遞函數(shù)sKTsTKsTsTKsGsTsTsGDDIIDIccDI1111)()11 (1)(*調(diào)節(jié)器選擇 選擇調(diào)節(jié)器動(dòng)作規(guī)律時(shí)應(yīng)根據(jù)對(duì)象特性、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時(shí)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等。調(diào)節(jié)器定性選擇原則 廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容積遲延較大時(shí)，應(yīng)引入微分動(dòng)作 當(dāng)廣義對(duì)象控制

7、通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化也不大，而工藝要求無(wú)殘差時(shí)，可選擇比例積分動(dòng)作 廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小，工藝要求不高時(shí)，可選擇比例動(dòng)作 當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)或容積遲延很大，負(fù)荷變化亦很大時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器定量選擇原則 /T0.2，選擇比例或比例積分動(dòng)作； 0.2/T1.0，選擇比例微分或比例積分微分動(dòng)作； /T10，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往不能滿足控制要求，應(yīng)選用如串級(jí)、前饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)。4.6PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程整定 4.6.1PID參數(shù)整定的基本原則 4.6.2PID參數(shù)的工程整定方法4.6.1PID參數(shù)整定的基本原則 單項(xiàng)性能指

8、標(biāo) 誤差積分性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo) 衰減率(或衰減比) 最大動(dòng)態(tài)偏差 調(diào)節(jié)時(shí)間(又稱回復(fù)時(shí)間) 振蕩周期等誤差積分性能指標(biāo) IE IAE ISE ITAE圖4.31不同誤差積分指標(biāo)對(duì)應(yīng)的閉環(huán)響應(yīng)曲線4.6.1PID參數(shù)整定的基本原則 理論計(jì)算整定法 工程整定法理論計(jì)算整定法 根軌跡法 頻率特性法4.6.2PID參數(shù)的工程整定方法 (1) 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法 (2) 穩(wěn)定邊界法 (3) 衰減曲線法(1) 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法 這是一種以被控對(duì)象控制通道的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過(guò)一些經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定值的開環(huán)整定方法。過(guò)程響應(yīng)速度(2) 穩(wěn)定邊界法 這是一種閉環(huán)的整定方法。它基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，即臨界比例帶cr和臨界振蕩周期Tcr，利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)值。圖4.32系統(tǒng)的臨界振蕩過(guò)程(3) 衰減曲線法 與穩(wěn)定邊界法類似，不同的只是本法采用某衰減比(通常為4 1或10 1)時(shí)設(shè)定值擾動(dòng)的衰減振蕩試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器相應(yīng)的整定參數(shù)。圖4.33系統(tǒng)衰減振蕩曲線圖4.34表示其階躍響應(yīng)曲線圖4.35簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)圖4.36由Gp(s)和G*