PID控制!!PPT课件

精选,1,第4章PID控制,1、什么是PID控制,比例、积分、微分控制,PID控制器是实际工业控制过程中应用最广泛、最成功的一种控制方法。,PID：ProportionalIntegralDerivative,精选,2,PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。,“利用偏差、消除偏差”,精选,3,控制器的控制规律就是u(t)与e(t)之间的关系，是在人工经验的基础上总结并发展的。,控制器的基本控制规律有：比例、积分和微分,精选,4,反应器的温度控制,精选,5,人工操作过程分析,以蒸汽加热反应釜为例：设反应温度：85度，轻微放热反应操纵变量：蒸汽流量被控变量：反应温度干扰：蒸汽压力、进料流量等,精选,6,人工操作（1）：开关控制,若温度低于85度，蒸汽阀门全开若温度高于85度，蒸汽阀门全关现象：温度持续波动，过程处于振荡中。结果：双位控制规律控制品质差，满足不了生产要求。,精选,7,人工操作（2）：比例控制,温度为85度，蒸汽阀门开度是3圈若温度高于85度，每高5度就关一圈阀门若温度低于85度，每低5度就开一圈阀门即开启圈数3-1/5(y-85)相应控制规律可写为：,u(0)：偏差为0时控制器输出Kc：控制器比例放大倍数,精选,8,人工操作（2）：比例控制,现象：温度控制得比较平稳结果：控制品质有一定改善，但负荷变化时，会有余差。如工况有变动，当阀门开3圈时，温度不再保持在85度。,精选,9,人工操作（3）：增加积分作用,首先按照比例控制操作，然后不断观察若温度低于85度，慢慢地持续开大阀门若温度高于85度，慢慢地持续开小阀门直到温度回到85度即控制器输出变化的速度与偏差成正比：,精选,10,KI：积分控制作用放大倍数现象：只要有偏差，控制器输出就不断变化。结果：输出稳定在设定的85度上，即消除了余差。,精选,11,人工操作（4）：增加微分作用,由于温度过程容量滞后大，当出现偏差时，其数值已经较大，因此，补充经验：根据偏差变化的速度来开启阀门，从而抑制偏差的幅度，使控制作用更加及时。,精选,12,PID控制器的输入输出关系为：,在很多情形下，PID控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD或PID控制。,精选,13,2、PID控制的应用场合？,当被控对象的结构和参数不能完全掌握；得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时；系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定。这时应用PID控制技术最为方便,精选,14,精选,15,3、比例（P）控制(现在）,像弹簧这样的环节称为比例环节,精选,16,3、比例（P）控制(现在）其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其传递函数为:,精选,17,3、比例（P）控制(现在）偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出（在时间上没有延迟），使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快。Kp是衡量比例作用强弱的参数。,精选,18,比例控制的作用:1、对当前时刻的偏差信号e（t）进行放大或衰减后作为控制信号输出。2、比例系数Kp越大，控制作用越强，系统的动态特性也越好，动态特性主要表现为起动快，对阶跃设定跟随的快。,精选,19,比例控制的作用:3、对于有惯性的系统，Kp过大时会出现较大的超调，甚至引起系统振荡，影响系统的稳定性。4、比例控制控制虽能减少偏差，却不能消除静态偏差。,精选,20,缺点：很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下。Kp减小，发生振荡的可能性减小，但是调节速度变慢。单纯的比例控制存在:稳态误差不能消除的缺点。这里就需要积分（I）控制。,精选,21,4、积分（I）控制规律（过去）：,设流入的流量为x，活塞的移动距离为y，S为活塞的截面积，t为时间。,当流入的流量为一定值x0时，可以得出：,y=x0t/S,如果x是变化的，即为t的函数，则,也就是说，若以流入的流量x作为输入，以移动距离y作为输出，则油缸是个积分环节。,精选,22,4、积分（I）控制规律（过去）：具有积分控制规律的控制器称为积分(I)控制器,其传递函数为:,输出信号和输入信号的关系：,精选,23,带控制器的系统输入输出示意图,控制器输出信号的大小，不仅与偏差大小有关，还取决于偏差存在的时间长短。只要有偏差存在，控制器的输出就不断变化。偏差存在时间越长，输出信号的变化量越大，直到达到输出极限。只有余差为0，控制器的输出才稳定。,精选,24,积分控制作用：1、积分控制作用是累积系统从零时刻（系统启动时刻起到当前的偏差信号e(t)的历史过程。2、积分控制的输出与偏差e(t)存在全部时段有关，只要有足够的时间，积分将能消除静态偏差。3、积分控制不能及时克服扰动的影响。,精选,25,积分控制作用总是滞后于偏差的存在，因此它不能有效地克服扰动的影响，难以使得控制系统稳定下来，因此积分控制作用很少单独使用。比例作用的输出与偏差同步，偏差大，输出大，偏差小，输出小，因此控制及时。而积分作用则不是。,精选,26,工业上常将比例作用与积分作用组合成比例积分控制规律。,精选,27,5、微分（D）控制规律（将来）,精选,28,微分（D）控制规律（将来）,求得活塞的移动距离y与作用于活塞的力f之间的关系：,也就是说，若以距离y作为输入，以力f作为输出，则缓冲器可以称为微分环节。,精选,29,微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差存在与否无关。因此，纯粹的微分控制作用是无意义的，一般都将微分控制作用与比例控制结合起来使用。,精选,30,微分控制的作用：1、微分控制的作用是有偏差信号e（t）的当前变化率de/dt预见随后的偏差将是增大还是减少，增减的幅度如何。2、微分控制的作用正比于偏差信号e（t）的当前变化率，只能对偏差信号e（t）变化的速度其反应，对于一个固定不变的偏差e（t）无论其数值多大，根本不会有微分作用输出。,精选,31,微分控制的作用：3、由于只能在偏差刚刚出现时产生很大的控制作用，微分控制可以加快系统响应速度，减少调整时间，从而改善系统的快速性，并且有助于减小超调量，克服振荡，从而提高系统的稳定性，但不能消除系统的静态偏差。,精选,32,PID控制的基本形式可用下图表示。,如果用e=(r-y)表示偏差，则PID控制变为：,精选,33,式中，kP称为比例增益；kI称为积分增益；kD称为微分增益。它们是影响控制规律特性的参数，统称为反馈增益。TI(=kP/kI)称为积分时间，TD(=kD/kP)称为微分时间，分别具有时间量纲。,精选,34,PID控制规律的离散形式为:,式中，T为采样周期；e(n)为第n次采样的偏差值；e(n-1)为第n-1次采样时的偏差值。,精选,35,PID控制器的三个参数有不同的控制作用。,（1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡；,（2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；,精选,36,（3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输入信号的噪声很敏感。,精选,37,图中为同一对象在各种不同的控制规律的作用下的过渡过程曲线。可以看出，在比例作用的基础上，加入微分作用可以减少过渡过程的最大偏差及控制时间；加入积分作用虽然能消除余差，但使过渡过程的最大偏差及控制时间增大。,实际工程中PID控制仍应用广泛，其三个系数是通过调整和观察实际性能来经验地确定。,精选,38,各类化工过程常用的控制规律。液位：一般要求不高