ID控制器的运算规律和构成方式.ppt

本讲知识点 PD运算规律 表示方法、控制特点、参数的意义及测定 PID运算规律 阶跃响应特性 基本控制规律的实现方法（补充） 无源RC电路、运算放大器 PID控制器的构成 控制器的构成、PID运算电路的构成方式 v 理想PD控制器的特性 具有比例微分控制规律的 控制器称为PD控制器。对 PID控制器而言，当积分时 间TI时，控制器呈PD 控制特性。 或 理想PD控制器输出与输 入的关系式为： PD运算规律 图1-5 理想PD控制器的斜坡响应特性 TD t 0 t0 y =at y =Kp T D a D y =Kp t P a 由于在偏差恒定不变时，微分作用 输出为零。故微分作用也不能单独 使用。 理想PD控制特性 图1-5 理想PD控制器的斜坡响应特性 TD t 0 t0 y =at y =Kp T D a D y =Kp t P a 超前控制特性 微分作用根据偏差变化速度进行控 制，有超前控制之称。在温度、成 分等控制系统中，往往引入微分作 用以改善控制过程的动态特性。 实际PD控制器的传递函数为： 在阶跃偏差信号作用下，实 际PD控制器的输出为： t 0 t 0 y 图1-6 实际PD控制器的 阶跃响应特性 v 阶跃响应特性 实际PD控制器的特性 KD愈大，微分作用愈趋于理想 在阶跃偏差信号作用下，实际PD输出变化的初始值 与最终值（即比例输出值）之比： 微分增益KD 微分时间TD 在阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器的输出从最大值下 降了微分输出幅度的63.2%所经历的时间，就是微分时间常 数TD/KD。此时间常数再乘上微分增益KD就是微分时间TD。 微分输出的大小与偏差变化速度和微分时间成正比，微 分时间越长，微分作用就越强。 t 0 y A C B v 微分时间TD 的测定 微分作用按偏差的变化速度进行控制， 其作用比比例作用快，因而对惯性大的 对象用比例微分作用可以改善控制质量 减小最大偏差，节省控制时间。 微分作用力图阻止被控变量的变化，有 抑制振荡的效果，但如果加得过大，由 于控制作用过强，反而会引起被控变量 大幅度的振荡。TD太大时，系统振荡加 剧，TD太小时，微分作用不明显。只有 TD适当时，系统才比较平衡。 PID控制规律既能快速进行控制，又能 消除余差，具有较好的控制性能。 v 微分时间对过渡过程的影响 （3）微分时间TD对系统过渡过程的影响 适当的微分作用： 在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大 的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高 系统的控制质量。当被控变量一有变化时，根据变化 趋势适当加大控制器的输出信号，将有利于克服扰动 对被控变量的影响，抑制偏差的增长，从而提高系统 的稳定性。 微分时间TD的大小对系统过渡过程的影响，如上图 所示。若取TD太小，则对系统的控制指标没有影响或 影响甚微，如图中曲线1；选取适当的TD，系统的控 制指标将得到全面的改善，如图中曲线2；但若TD取 得过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统 产生剧烈的振荡，如图中曲线3所示。 微分作用的两面性： 保持原来的衰减比n ： 如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比n， 则可适当减小控制器的比例度，一般可减小15%左右 ，从而使控制系统的控制指标得到全面改善。 此外，当测量中有显著的噪声时，如流量测量信息常 带有不规则的高频干扰信号，则不宜引入微分作用， 有时甚至需要引入反微分作用。 由于PID控制器有比例度、积分时间TI、微分时 间TD三个参数可供选择，因而适用范围广，在温 度和成分分析控制系统中得到更为广泛的应用。 适用场合： 用于时滞大的场合。 理想和实际PID控制器的传递函数分别为： PID运算规律 在实际PID控制器中，由于相互干扰系数F （ ） 的存在,P、I、D的实际值（KPF、TIF、TD/F）与刻度值 （ KP、TI、TD）有差异。同时在整定某个参数时，还将 影响其他参数。 v 阶跃响应特性 当偏差为阶跃信号时，实际PID控制器的输出为： t 0 y t 0 A D C 控制规律总结(课后思考题 ) 液位：一般要求不高，用P或PI控制规律； 流量：时间常数小，测量信息中杂有噪音，用PI或加 反微分控制规律； 压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间 常数中等，用P或PI控制规律； 温度：容量滞后较大，用PID控制规律。 各类化工过程常用的控制规律如下： 例：某台PID控制器偏差为1mA时，输出表达式为 （t单位为分钟）。试问： （1）这是什么控制规律？ （2）求出控制器各个控制参数。 （3）画出其开环输出特性图。 举例： (1) PD控制规律。 (2) 由题意得： 解： 解之得：KC=2，KD=5，TD=5。 (3)开环输出特性曲线： 因为 KCA=2，KCKDA=10 所以 曲线如右图所示 基本控制规律的实现方法-无源RC电路 UiUo R C UoUi R C C UiUo R R1 R2 R1 R2 Ui Uo RC 电 路 传递 函数 阶跃 响应 运算 种类 P IDPD 基本控制规律的实现方法-运算放大电路 RI RF Ui Uo CF Ui Uo RI 电路名称原理图运算规律 比例运算 电路 积分运算 电路 电路名称运算规律 微分运算 电路 比例积分 运算电路 R1 R1 R2 CD RD Ui R2 Uo 原理图 CI RI CF Ui Uo RI RF Ui Uo 电路名称原理图运算规律 比例运算 电路 (同相输入 ) 比例微分 运算电路 RD CD Ui Ui/n Uo 控制器对输入信号与给定信号的偏差进行PID运算，因此应 包括偏差检测和PID运算两部分电路。 偏差 检测电路 PID 运算电路 测量值偏差I0，U0 给定值 图1-8 控制器构成示意图 偏差检测电路通常称为输入电路。偏差信号一般采用电压形 式，所以输入信号和给定信号在输入电路内都是以电压形式 进行比较。输入电路同时还必须具备内外给定电路的切换开 关，正、反作用切换开关和偏差指示（或输入、给定分别指 示）等部分。 PID运算电路是实现控制器运算规律的关键部分。 PID控制器的构成 PID运算电路的构成方式 放大器 PID 反馈电路 输出I0,U0偏差 Uf ， （1） 由放大器和PID反馈电路构成的 PID运算电路 设放大器和反馈电路传递函 数分别为K和Wf(s)，PID运 算电路传递函数 偏差 PDPI 输出I0,U0 测量值 PDPI 输出I0,U0 给定值 （2）串联组成的PID运算电路 IC1 RD CD R1 R2 R4 R3 IC2 CI RI CM Uo Ui Ui IC1 R R R R3 R4 5R RI R1 R CI IC2 IC4 IC3 IC5 R R2