單回路控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)_圖文

1、自動(dòng)控制仿真調(diào)試材料 李 軍山東電力研究院熱控所2010-7-29單回路控制系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)一、自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介(1自動(dòng)控制:在沒(méi)有人直接參與的情況下,利用控制器使被控對(duì)象的被控量自動(dòng)地按預(yù)先給定的規(guī)律去進(jìn)行。(2自動(dòng)控制系統(tǒng):是由起控制作用的自動(dòng)控制裝置和被控制器控制的生產(chǎn)設(shè)備通過(guò)信號(hào)的傳遞、聯(lián)系所構(gòu)成的系統(tǒng)。簡(jiǎn)言之,就是指被控對(duì)象和控制裝置的總體。測(cè)量單元控制單元執(zhí)行單元在一般情況下,被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是不便于人為地加以改變的。為了得到滿意 的控制過(guò)程,總是根據(jù)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性選擇合適控制器的控制規(guī)律。單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式如下圖所示,它是由被控對(duì)象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié) 器(控制器

2、和測(cè)量變送器組成一個(gè)單閉環(huán)控制系統(tǒng)。 二、三種基本控制作用:P 、 I 、 D(一比例控制作用定義:比例控制作用是指控制器的輸出與輸入成比例關(guān)系。動(dòng)態(tài)方程式 t (e K t (p = t (e 1 t (=pK 1= (t執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移e(t給定值與被控量的偏差, e(t=g-y(tKp 比例系數(shù)或比例增益 比例帶Kp 越小,即 越大,控制器的動(dòng)作幅度越小,控制過(guò)程越穩(wěn)定,但被控量的靜態(tài) 偏差越大;反之, Kp 越大,即 越小,動(dòng)作幅度越大,靜態(tài)偏差減小,但控制過(guò) 程容易出現(xiàn)震蕩,穩(wěn)定性差。用傳遞函數(shù)表示為1K s (E s ( s (W p p = 動(dòng)作規(guī)律:Kp 固定時(shí), 偏差愈大, 執(zhí)行

3、機(jī)構(gòu)輸出位移 (t也愈大; 偏差 e(t的變化速度 d e(t/dt愈大,執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出位移的速度 d (t /dt也愈大控制特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):動(dòng)作速度快,對(duì)于干擾有及時(shí)和很強(qiáng)的控制作用;缺點(diǎn):存在靜態(tài)偏差,是有差調(diào)節(jié),對(duì)于大多數(shù)慣性環(huán)節(jié), Kp 過(guò)大,會(huì)引起自激 振蕩。因此對(duì)于擾動(dòng)較大,且慣性也較大的系統(tǒng),很難兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。(二積分控制作用定義:積分控制作用是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量的變化速度 d (t /dt與偏差信號(hào) e(t成比例的作用。動(dòng)態(tài)方程式 =t i dt t e T t 0 (1( (1 (t e T dt t d i= Ti -積分時(shí)間常數(shù) (Ti 在分母上。 Ti 表示積分速度的快

4、慢, Ti 越大,積分速度越慢,積分作用越弱;反之, Ti 越小,積分作用越快,積分作用越強(qiáng)用傳遞函數(shù)表示為 sT s E s s W i I 1 ( (= 若 e(t為單位階躍響應(yīng), 2i i I s T 1s 1s T 1 s (E s (W s (= t tt T s i1 (L t (1=-(為一斜坡函數(shù) 從上圖可以看出,輸出 (t經(jīng)過(guò) Ti 時(shí)間才達(dá)到與輸入值大小相等,延遲了 Ti 個(gè)時(shí)間。動(dòng)作規(guī)律:只要被控對(duì)象的被控量不等于給定值(即偏差 e 存在 ,那么執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)不停動(dòng) 作, 而且偏差 e 的數(shù)值越大, 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度 d (t /dt就越大, 只有 e =0時(shí), 即偏差消

5、失時(shí),執(zhí)行機(jī)構(gòu)才停止動(dòng)作?？刂铺攸c(diǎn):優(yōu)點(diǎn):控制過(guò)程結(jié)束時(shí),被控量一定是無(wú)差的,引用積分作用可消除被控量的偏差;缺點(diǎn):積分作用是隨時(shí)間而逐漸加強(qiáng)的,與比例作用相比過(guò)于遲緩,有延遲,輸出對(duì)輸入的反映是有“滯后”的,使控制不及時(shí);同時(shí)由于誤差調(diào)節(jié)的變 化總是落后于誤差的變化,因此會(huì)使控制過(guò)程變得振蕩,甚至不穩(wěn)定。(三微分控制作用定義:指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量 (t與被控量的偏差 e(t的變化率成正比的作用。 動(dòng)態(tài)方程式 dtde T t d = ( Td -積分時(shí)間常數(shù)用傳遞函數(shù)表示為 s T s E s s W d D =( ( (1、若 e(t為單位階躍,則d d D T s s T s W =1 (

6、 ( (t T t d =由于階躍信號(hào)在 t=0時(shí)刻有一個(gè)階躍,其他時(shí)刻均不變化所以微分環(huán)節(jié)對(duì)階 躍信號(hào)的響應(yīng)只在 t=0時(shí)產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)脈沖。 2、若 e(t為勻速變化輸入(起始點(diǎn)不為零的斜坡函數(shù) ,則由 k t t e += (1 (=dt t de 可得 d d T de T t = (響應(yīng)過(guò)程一開始, (t就達(dá)到并保持為 Td 的數(shù)值,而 e(t需經(jīng)過(guò) Td 的時(shí)間 才能上升到 Td 的數(shù)值。動(dòng)作規(guī)律:在控制過(guò)程剛開始時(shí),被控量的偏差很小,但其變化速度卻很大,可預(yù)見偏 差變化的趨勢(shì),使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)較大的位移,在偏差還沒(méi)有形成之前,已被 微分調(diào)節(jié)作用消除?？刂铺攸c(diǎn):優(yōu)點(diǎn):與比例和積分控

7、制作用相比, 具有起始超前和加強(qiáng)控制的作用, 能有效減少控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)偏差。缺點(diǎn):當(dāng)控制結(jié)束,即偏差 e 的變化速度等于 0時(shí),微分作用的輸出也將為 0,即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置最后總是恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值,這就不能適應(yīng)負(fù)荷的變化, 不能滿足控制的需要。 (只有單純微分作用的控制器是不能使用的,它只是 控制器控制作用的一個(gè)組成部分。 tTd（四）三種控制作用的比較 圖 2-42 過(guò)渡過(guò)程曲線 曲線 1 是配比例控制器的控制過(guò)程。由于比例控制規(guī)律具有控制及時(shí)的特點(diǎn) ，所 以控制過(guò)程時(shí)間較曲線 2 短，動(dòng)態(tài)偏差也較小，因此控制過(guò)程結(jié)束存在靜態(tài)偏差。通 過(guò)減小控制器的比例系數(shù)可減小靜態(tài)偏差，但會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下

8、降。 曲線 3 是配比例積分控制器的控制過(guò)程。 由于積分控制規(guī)律能消除靜態(tài)偏差， 所以 控制作用能最終消除擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，實(shí)現(xiàn)無(wú)差控制。然而積分作用的控制不及 時(shí)，又使控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)偏差加大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)（與曲線 1 相比） ，相對(duì)而言系 統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。因此，積分作用引入到比例控制器后，控制器的比例帶應(yīng)適當(dāng)加大 （減少 Kp） ，以彌補(bǔ)積分作用對(duì)控制過(guò)程穩(wěn)定性的影響。 曲線 5 是配比例積分微分控制器的控制過(guò)程。微分控制是一種超前控制方式，其 實(shí)質(zhì)是阻止被控量的一切變化。適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔每墒盏綔p小動(dòng)態(tài)偏差，縮短控制過(guò)程 時(shí)間的效果，這樣在采用比例積分微分控制器時(shí)，又可適當(dāng)減小比例帶和積

9、分時(shí)間。 三、三種基本控制作用小結(jié) 優(yōu) 點(diǎn) 比例作用 缺 點(diǎn) 動(dòng)作速度快， 能使控制過(guò)程趨于穩(wěn)定 單獨(dú)使用時(shí)，產(chǎn)生靜態(tài)偏差 單獨(dú)使用時(shí)，會(huì)使控制過(guò)程變得 振蕩，甚至不穩(wěn)定 不能單獨(dú)使用 積分作用 微分作用 能使被控量無(wú)靜態(tài)偏差 能有效的減少動(dòng)態(tài)偏差 比例控制作用是最基本的控制作用，而積分和微分作用為輔助控制作用。 比例作用貫徹于整個(gè)控制過(guò)程之中，積分作用則體現(xiàn)在控制過(guò)程的后期，用以消 除靜態(tài)偏差，微分作用則體現(xiàn)在控制過(guò)程的初期。 四、PID 的整定口訣 參數(shù)整定找最佳， 從小到大順序查。 先是比例后積分， 最后再把微分加。 曲線振蕩很頻繁， 比例度盤要放大。 曲線漂浮繞大彎， 比例度盤往小扳。 曲線偏離回復(fù)慢， 積分時(shí)間往下降。 曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)， 積分時(shí)間再加長(zhǎng)