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PID控制原理,盾安机电本部工厂技术部 沈智广 2010/06,PID控制技术,PID控制入门（引子） PID控制原理 PID控制在盾安机电标准应用实例 PID控制参数整定方法 PID控制小结,PID控制入门（引子）,PID控制入门（引子）,PID指Proportion-Integral-Differential，中文是比例-积分-微分。 PID 控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。,PID控制入门（引子）,对组合机恒温控制系统-表冷阀开度控制： 1、控制驱动单元-表冷阀-作为输入信号；2、被控对象-出风温度-作为输出反馈,PID控制入门（引子）,所谓“误差”就是目标值与实际值的差值。比如你希望目标出风温度为15而实际出风温度13， 则误差: 2 。 该误差值送到PID控制器，作为PID控制器的输入。PID控制器的输出为：误差乘比例系数Kp+Ki*误差积分+Kd*误差微分。 上式为三项求和即为PID运算结果，经PLC转换后送入表冷阀驱动器，PID就会对表冷阀作调整，直到误差=0。,PID控制原理,6.1 PID控制及作用 PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值r（t）与输 出值c（t）进行比较构成控制偏差 e（t）r（t）c（t） 将其按比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量，如图所 示，所以简称为P（比例）、I（积分）、D（微分）调节器。,模拟PID调节器控制系统框图,PID控制原理,6.1.1 比例调节器 1.比例调节器的表达式 2.比例调节器的响应 比例调节器对于偏差阶跃变 化的时间响应如图所示。 比例调节器对于偏差e是即 时反应的，偏差一旦产生，调节 器立即产生控制作用使被控量朝 着偏差减小的方向变化，控制作 用的强弱取决于比例系数Kp的大 小。 3.比例调节器的特点 简单、快速，有静差。,P调节器的阶跃时间响应,Kp比例系数； u0是控制量的基准，也就是e0时的一种控制作用,PID控制原理,6.1.2 比例积分调节器 1.比例积分调节器的表达式 2.比例调节器的响应 PI调节器对于偏差的阶跃响应如图所示。 可看出除按比例变化的成分外，还带有累计的成分。只要偏差e不为零，它将通过累计作用影响控制量u，并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，使系统达到稳态。,PI调节器的阶跃响应,TI积分时间常数,PID控制原理,6.1.3 比例积分微分调节器（PID） 1.比例积分微分调节器（PID）表达式 2.比例积分微分调节器（PID）的响应 理想的PID调节器对偏差阶跃变化的响 应如图所示。 它在偏差e阶跃变化的瞬间tt0处有一 冲击式瞬时响应，这是由附加的微分环节引 起的。 3.微分环节的作用 其控制规律为,PID控制原理,P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。 盾安机电(工业冷水机组冷却水流量控制系统）；,PID控制原理,PI控制器的选择：它适用于控制通道有一定滞后，负荷变化不大，被控量不允许有静差的控制系统；,PID控制原理,PID控制器的选择：它适用于负荷变化大，容量滞后较大，控制质量要求又很高的控制系统，比如恒温恒湿控制系统。,PID控制在盾安机电标准应用实例,末端恒湿控制系统流程图,PID控制在盾安机电标准应用实例,以siemens PLC为例。 假设目标出风温度为15而实际出风温度13，应误差为2 ，将目标值、实际值、P值、I值、D值输入至PLC PID运算指令，经PID自动运算后，得出运算结果，将此结果转化为0-10V的电压信号输入至表冷阀或加热阀执行器即可。 PLC运行结果为0.0- -1.0之间的实数，0- -0.5对应表冷阀开度100%- -0%； 0.5- -1.0对应加热阀开度0%- -100%,PID控制在盾安机电标准应用实例,假设仅设定P值，I值和D值设定为0，若误差恒定，则PID运算结果是恒定的，因此表冷阀开度也是恒定的，此开度可能太大也可能太小。 若表冷阀开度过大，则出风温度会不断下降，PID运算后减小输出值，从而减小表冷阀开度； 若表冷阀开度过小，则出风温度会不断上升，PID运算后增大输出值，从而加大表冷阀开度；,PID控制在盾安机电标准应用实例,P值控制温度曲线图（无I值、D值控制）,PID控制在盾安机电标准应用实例,比例调节的特点：1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出； 2、系统存在余差。 P越小，过渡过程越平稳，但静差越大；P增大，静差将减小，但是不能完全消除静差，只能起到粗调作用，但是P过大，过渡过程易振荡，P太大时，就可能出现发散振荡。,PID控制在盾安机电标准应用实例,通过上述比例调节，可使出风温度在某一范围内正弦曲线波动，但无法恒定。原因是温度响应滞后，引起超调，因此需加入积分项调节。,PID控制在盾安机电标准应用实例,在比例调节的基础上增加积分调节，即设定P值和I值，D值仍设定为0，即使误差恒定，PID运算结果是不断变化的，其输出值会自动表冷阀开度。,PID控制在盾安机电标准应用实例,PI值控制温度曲线图（无D值控制）,PID控制在盾安机电标准应用实例,积分时间TI对系统性能的影响：增大积分时间TI有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。,PID控制在盾安机电标准应用实例,PI控制温度曲线图（无D值控制），有扰动源,PID控制在盾安机电标准应用实例,若使用PI调节器消除了静态误差，但在稳定运行过程中仍不时出现波动，则可加入微分环节，构成PID调节器，从而消除扰动的影响。 在有温度扰动源的场合，增加微分项调节可减少温度扰动源的影响。,PID控制在盾安机电标准应用实例,PID控制温度曲线图，有扰动源,PID控制在盾安机电标准应用实例,微分调节的特点：微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起超调，表冷阀时而全开时而全关。因此不能把微分时间取得太大，当微分时间由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。,PID控制在盾安机电标准应用实例,微分时间TD对系统性能的影响：增大微分时间TD，也有利于加快系统响应 ，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。,PID控制参数整定方法,一般在工程应用中采用经验凑试法。 经验凑试法在实践中最为实用。在整定参数时，必须认真观察系统响应情况，根据系统的响应情况决定调整那些参数。 在研发阶段，我司所有产品均通过此方法得出参数；,PID控制参数整定方法,整定步骤：先比例，后积分，再微分。 整定比例参数：首先将P值放在较小的位置，然后逐渐增大，观察被控量变化曲线，使被控对象（温度）与驱动器（表冷阀）有对应的变化。,PID控制参数整定方法,整定积分参数：在整定比例参数后，将比例值缩小（1020），然后将积分时间T1由大到小逐步加入，直到获得4：1衰减过程。,PID控制参数整定方法,PID控制参数整定方法,整定微分参数：在整定比例、积分参数后，将比例值增大（1020），然后将微分时间T由小到大逐步加入，观察过渡曲线，直到获得满意的过渡过程 。,PID控制参数整定方法,常见被控对象的PID参数选择范围（经验值）,PID控制参数整定方法,整定原则：不能让系统出现发散振荡; 如出现发散振荡，应立即切为手动，等系统稳定后减小放大倍数、增大积分时间或减小微分时间等降低PID效用的手段，然后才能重新切换到自动控制 。,PID控制小结,PID控制是闭环控制， PID控制是误差控制,PID控制小结,增大比例系数KP会加快系统的响应，但比例系数过大会使系统超调，并产生振荡，从而破坏稳定性。 增大积分时间TI有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统稳定过程加长； 增大微分时间TD，也有利于加快系统响应 ，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，系统振荡次数增加 。,PID控制小结,P作用是最基本的控制作用，加入I作用后可做到无差控制，提高控制精度，加入D作用能全面提高控制质量,PID控制小结,参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加