華北電力大學(xué)過程控制第二章 PID調(diào)節(jié)

1、第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程第二章比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過程2-12-22-32-42-5基本概念比例調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程2-1基本概念控制器PID廣義被控對象給定值r被調(diào)量yeu統(tǒng)計表明生產(chǎn)過程80%的控制可以用PID控制器構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行控制（簡單控制系統(tǒng)）。PID控制是比例積分微分控制的簡稱。 是一種負(fù)反饋控制。即控制器與廣義被控對象構(gòu)成的系統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。其作用是對輸入偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而緩解系統(tǒng)的不平衡，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。控制器包括求偏差和PID運(yùn)算 Gs = = Kc 1+ +s+1

2、 第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程I實(shí)際PID1典型的傳遞函數(shù)為：理想PIDu(s) 1 Gs = Kc 1+ +TDse(s) Ts u(s) 1 TDse(s) T Is TDKD其中：KC：比例系數(shù)TI：積分時間TD：微分時間KD：微分增益可調(diào)參數(shù)第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程e(t) = y(t)-r(t)e(t) = r(t)-y(t)2PID調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)原理簡單（適用和實(shí)現(xiàn)方便）適應(yīng)性強(qiáng)（應(yīng)用面寬）魯棒性強(qiáng)（對過程變化不敏感）3調(diào)節(jié)器偏差的定義按儀表制造業(yè)的規(guī)定：調(diào)節(jié)器偏差=測量值-給定值，即控制系統(tǒng)偏差的定義：第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及

3、其調(diào)節(jié)過程工業(yè)調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成-11|PID|ur -正+ 反PID廣義被控對象給定值r被調(diào)量yeuy設(shè)置正反作用開關(guān)的目的：使控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)4.調(diào)節(jié)器正反作用定義：正作用：e（e）u，即在控制原理圖中KC為負(fù)反作用：e（e）u，即在控制原理圖中KC為正第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程e（r-y）e(y-r)rye PIDuG(s)=Ke-sTs+1-y對象K為負(fù)，控制器作用應(yīng)使u正作用5正反作用的判斷方法(六邊形法):例：過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)Kc第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程2-2比例調(diào)節(jié)e(t)1.比例調(diào)節(jié)規(guī)律（ P）t1 u(t)Gc C 1

4、t1u(t) = e(t)+u0KC為比例增益，為比例帶。的物理意義：使調(diào)節(jié)閥開度改變100%（即從全關(guān)到全開）所需要的被調(diào)量的變化范圍。*比例作用的線性關(guān)系只在一定范圍其作用第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程2.調(diào)節(jié)過程：Kc給定值r被調(diào)量yeuGp(s) =Ke-sTs+1-第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程1000oQ0Q110p0時，杠桿失去平衡，逆時針轉(zhuǎn)動，帶動閥桿向下移動，關(guān)小閥門，氣體較少的通過閥門，導(dǎo)致閥后壓力下降。閥桿的移動速度與壓力偏差成正比t0Iu(t) =edt1T當(dāng)壓力逐步恢復(fù)到p=p0時，閥

5、門停在一個新位置。改變針形閥的開度可改變積分速度S0(1/TI)的大小。2.調(diào)節(jié)過程：ryeu-sTs+1-1TIse(t)tu(t)t11TIess =limse(s) =lim =0第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程I無差調(diào)節(jié)ReIm(-1,0)黑線為自衡對象，3.積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)調(diào)節(jié)作用不及時,是滯后的調(diào)節(jié)紅線為加入積分后的開環(huán)對象TI太大TI適當(dāng)TI太小TI過小1 1s0 s s0 11+ KTs浮動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度與當(dāng)時的被調(diào)量的數(shù)值本身沒有直接關(guān)系 。積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。TI調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)ryeuKe-sTs+1-1TIs第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過

6、程TIS0衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差ess=0超調(diào)量 振蕩頻率 TI增加ryeuKe-sTs+1-1TIs4.TI變化對系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響D第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程藍(lán)線為二階對象比例調(diào)節(jié)紅線為二階對象積分調(diào)節(jié)5.與P調(diào)節(jié)比較系統(tǒng)穩(wěn)定性下降（加了一個位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)）靜態(tài)：無穩(wěn)態(tài)誤差；動態(tài)：由于調(diào)節(jié)不及時較大在相同的穩(wěn)定裕度下積分調(diào)節(jié)，振蕩頻率低，調(diào)節(jié)過程加長。靜態(tài)：I調(diào)節(jié)優(yōu)于P調(diào)節(jié)，動態(tài)：P調(diào)節(jié)優(yōu)于I調(diào)節(jié)第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程結(jié) 論積分調(diào)節(jié)雖然可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但調(diào)節(jié)緩慢，動態(tài)超調(diào)量加大，而且使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。工業(yè)上不單獨(dú)使用積分調(diào)節(jié)作用。Gcs=

7、 = (1+第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程2-4比例積分調(diào)節(jié)1.比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律（PI）)us 1 1es TIst0edt1 1u(t) = (e + T Ite+S0S1 S0 11 1 T I第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程 T C蒸汽D冷凝水熱水Q冷水QPI調(diào)節(jié)2.調(diào)節(jié)過程：（1+第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程給定值r被調(diào)量yeuGp(s) =Ke-sTs+1-1 1 T Is）第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程對PI調(diào)節(jié)的理解第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程3 比例積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)無差調(diào)節(jié)（吸收了積分規(guī)律

8、的優(yōu)點(diǎn)）調(diào)節(jié)及時 （吸收了比例規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)）浮動調(diào)節(jié)第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程4. 對系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響（對給定值擾動）衰減率 （KC不變） 穩(wěn)態(tài)誤差ess=0TI（TI不變）KC 超調(diào)量 振蕩頻率 衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差ess超調(diào)量 振蕩頻率 第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程5.與P調(diào)節(jié)比較在P調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng)加大。第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程6.積分飽和現(xiàn)象在有積分作用的調(diào)節(jié)器系統(tǒng)中，若用于某種原因（如閥門），被調(diào)量偏差一時無法消除，然而調(diào)節(jié)器還是要試圖校正

9、這個偏差，結(jié)果經(jīng)過一段時間后，調(diào)節(jié)器將進(jìn)入飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。這種現(xiàn)象將導(dǎo)致調(diào)節(jié)滯后，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、以及達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)將產(chǎn)生不利的影響。（1+第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程給定值r被調(diào)量yeGp(s)=Ke-sTs+1-閥門1 1 TIs）u C蒸汽D冷凝水 T熱水Q冷水Qyru調(diào)節(jié)滯后第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程2-5比例積分微分調(diào)節(jié)1.微分調(diào)節(jié)（D）-tT D/KDu(t) KDe1euKD0.632 KDTD/KD微分調(diào)節(jié)是僅根據(jù)偏差的變化速度來產(chǎn)生控制信號，偏差不變則沒有控制輸出。因此微分調(diào)節(jié)不單獨(dú)使用() =()()=+ u(

10、t) = + （KD 1）e第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程2.比例微分調(diào)節(jié)（PD）-tTD/KD單位階躍響應(yīng)1 1 uKD/10.632 (KD- 1)/TD/KDe1/() =()()=(1 + )() =()()= + + 或第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程3.比例微分調(diào)節(jié)特點(diǎn)相同衰減率下TD微分調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)；有差調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)誤差與比例調(diào)節(jié)；超前調(diào)節(jié)，適當(dāng)?shù)奈⒎挚梢詼p小超調(diào)量，也能減少振蕩傾向一樣。第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程4.比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）e0e0tt0e0KD 1ue0DP

11、PIDI() = =(1 + )第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程I調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)P調(diào)節(jié)PD調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)相同衰減率下，各調(diào)節(jié)規(guī)律比較PID的調(diào)節(jié)效果最好（從超調(diào)量、過度過程時間、穩(wěn)態(tài)誤差），PI其次，PD次之（有差），P再次之，I調(diào)節(jié)最差第一篇簡單控制第二章比例積分為分控制及其調(diào)節(jié)過程雖然PID的調(diào)節(jié)效果最好，并不意味著所有的系統(tǒng)都是合理的，因為它有三個參數(shù)要整定，如果整定不合適，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，適得其反。使用何種調(diào)節(jié)規(guī)律一般可按：先比例 ，再積分，然后才把微分加*對象時間常數(shù)大或遲延時間長，應(yīng)引入D作用，若系統(tǒng)允許有殘差，則可選PD調(diào)節(jié)；系統(tǒng)要求無差，則選PID規(guī)律。*對象的時間常數(shù)較小，受擾動影響不大，系統(tǒng)要求無差，則使用PI調(diào)節(jié)。（如鍋爐水位控制等）*對象的時間常數(shù)較小，受擾動影響不大，系統(tǒng)不要求無差，則使用P調(diào)節(jié)。