近程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程.ppt

第二章 比例积分微分控制及其调节过程,2-1 基本概念 2-2 比例调节 2-3 积分调节 2-4 比例积分调节 2-5 比例积分微分调节,2-1 基本概念,控制器,统计表明生产过程80%的控制可以用PID控制器构成单回路反馈控制系统进行控制（简单控制系统）。,PID控制是比例积分微分控制的简称。 是一种负反馈控制。即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用是对输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。,控制器包括求偏差和PID运算,1典型的传递函数为：,实际PID,理想PID,其中： KC：比例系数 TI：积分时间 TD：微分时间 KD：微分增益,可调参数,2PID调节的优点 原理简单（适用和实现方便） 适应性强（应用面宽） 鲁棒性强（对过程变化不敏感） 3调节器偏差的定义 按仪表制造业的规定：,调节器偏差=测量值-给定值，即,控制系统偏差的定义：,工业调节器的基本构成,4.调节器正反作用定义：,正作用：e（e）u，即在控制原理图中KC为负 反作用：e（e）u，即在控制原理图中KC为正,设置正反作用开关的目的：使控制系统构成闭环负反馈系统,5正反作用的判断方法(六边形法):,e（r-y）e(y-r),y,对象K为负，控制器作用应使u,正作用,例：过热蒸汽温度控制系统,2-2 比例调节,比例调节规律（ P）,KC为比例增益，为比例带。,的物理意义：使调节阀开度改变100%（即从全关到全开）所需要的被调量的变化范围。,u0是偏差e=0时，的调节器输出初始值。,*比例作用的线性关系只在一定范围其作用,2.调节过程：,100,0,o,Q0,Q1,1,0,1,2,曲线1比例调节器静特性 曲线2Q0下对象静特性,调节器为反作用,B,A,A,例：加热器出水控制系统,曲线3Q1下对象静特性,3,A,稳态误差,3.比例调节的特点,调节作用及时。 KC 调节动作大，调节作用增强。,调节误差,自衡对象：,非自衡对象：,5.KC变化对系统控制性能指标的影响,KC ,衰减率 稳态误差ess 超调量 振荡频率 ,KC增加,1.积分调节规律（I）,2-3 积分调节,，,TI为积分时间，S0为积分速度,pp0时，杠杆失去平衡，逆时针转动，带动阀杆向下移动，关小阀门，气体较少的通过阀门，导致阀后压力下降。阀杆的移动速度与压力偏差成正比,当压力逐步恢复到p=p0时，阀门停在一个新位置。,改变针形阀的开度可改变积分速度S0(1/TI)的大小。,2.调节过程：,3.积分调节的特点,无差调节,调节作用不及时,是滞后的调节,浮动调节 调节阀开度与当时的被调量的数值本身没有直接关系 。,积分作用使系统稳定性变差。 TI 调节作用增强,4.TI变化对系统控制性能指标的影响,TI S0,衰减率 稳态误差ess=0 超调量 振荡频率 ,TI增加,5.与P调节比较,蓝线为二阶对象比例调节 红线为二阶对象积分调节,系统稳定性下降（加了一个位于原点的开环极点） 静态：无稳态误差；动态：由于调节不及时较大 在相同的稳定裕度下积分调节，振荡频率低，调节过程加长。,静态：I调节优于P调节，动态：P调节优于I调节,结 论 积分调节虽然可消除稳态误差，但调节缓慢，动态超调量加大，而且使系统的稳定性变差。工业上不单独使用积分调节作用。,2-4 比例积分调节,1.比例积分调节规律（PI）,PI调节,2.调节过程：,对PI调节的理解,3 比例积分调节的特点,无差调节（吸收了积分规律的优点） 调节及时 （吸收了比例规律的优点） 浮动调节,4. 对系统控制性能指标的影响,（KC不变） TI S0,衰减率 稳态误差ess=0 超调量 振荡频率 ,（TI不变） KC ,衰减率 稳态误差ess 超调量 振荡频率 ,5.与P调节比较,在P调节的基础上加入积分，将使系统的稳定性下降，为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大，,6.积分饱和现象,在有积分作用的调节器系统中，若用于某种原因（如阀门），被调量偏差一时无法消除，然而调节器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节器将进入饱和状态，这种现象称为积分饱和。这种现象将导致调节滞后，对控制系统的稳定、以及达到预期的控制目标将产生不利的影响。,2-5 比例积分微分调节,1.微分调节（D）,微分调节是仅根据偏差的变化速度来产生控制信号，偏差不变则没有控制输出。因此微分调节不单独使用,2.比例微分调节（PD）,单位阶跃响应,3.比例微分调节特点,相同衰减率下,TD微分调节作用增强； 有差调节，稳态误差与比例调节； 超前调节，适当的微分可以减小超调量，也能减少振荡倾向一样。,4.比例积分微分调节（PID）,相同衰减率下，各调节规律比较,PID的调节效果最好（从超调量、过度过程时间、稳态误差）， PI其次，PD次之（有差），P再次之，I调节最差,虽然PID的调节效果最好，并不意味着所有的系统都是合理的，因为它有三个参数要整定，如果整定不合适，则可能导致系统不稳定，适得其反。使用何种调节规律一般可按：先比例 ，再积分，然后才把微分加,*对象时间常数大或迟延时间长，应引入D作用，若系统允许有残差，则可选PD调节；系统要求无差，则选PID规律。 *对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统要求无差，则使用PI调节。（如锅炉水位控制等） *对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统不要求无差，则使用P调节。（如锅炉高加水