《过程控制与集散系统》-4-PID调节原理

1，4p id调整原理，2，本章内容4.1PID控制的概要4.2比例调整4.3积分调整4.4微分调整4.5比例积分微分调整(PID调整) 4.6数字PID控制4.7PID调整参数的工程调整4.8智能PID控制方法，3， 4.1学习PID控制概要的PID控制是比例积分微分控制历史最长、生命力最强的控制方式，4、反馈控制、规定(目标)、输出(控制结果)、误差PID，6通常的PID控制系统的原理输入：控制偏差e(t)=r(t)-y(t )输出：偏差比例(p )，积分(I )和微分(d )的线性组合，式中KP比例系数TI积分时间常数TD微分时间常数，7，PID控制的优点对模型的依赖较少。8、4.2.1比例调节的工作规则、比例带在p调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即，在u=Kpe(4.3 )式中，Kp被称为比例增益，4.2比例调节(p调节)、9、p调节的阶跃响应，p调节对偏差信号及时反应，没有一点延迟输出u实际上是其开始值的增量。 因此，由于偏差e为0，因此在u=0的情况下，并不意味着调节器没有输出，而是仅表示此时存在u=u0。 u0的大小可以通过调整调节器的工作点来变更。 u=Kpe，u0，u0 Kpe，0，10， 比例带表示调节器的输入输出间的比例关系，习惯在过程控制中用比例带(比例度)代替比例增益：式中emax-emin-偏差信号范围，即仪表范围umax-umin-调节器输出信号范围，即调节器输出的动作范围温度从140oC变化到160oC时，调节器的输出从3mA变化到7mA。 尝试求出这个调节器的比例带。 12、表示具有重要物理意义的u表示调节阀开度的变化量，表示使调节阀开度变化100%，即从全闭到全开所需的被调节量的变化范围。 例如，在仪表的范围是100的情况下，=50%表示为了使调节阀从全闭变为全开，需要将被调节量改变50。 被测量在“比例带”以内的调节阀的开度(变化)与偏差成比例。 这个“比例带”以外的调节阀处于全闭或全开的状态，调节器的输入和输出不保持比例关系。 如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出被统一了的标准信号，即比例带(比例度)与比例增益成反比，比例带小时，以小的偏差，调节器产生100%的开度变化，相应的比例增益变大。14，4.2.2比例调节的特征是有差异调节，比例调节的显着特征是有差异调节。 15、这里的操纵杆用作比例调节器：液位变化e是其输入，阀轴位移u是其输出，调节器的比例增益是：该比例调节器有馀量！ 馀差的大小与比例增益有关，Kp大，馀差小。16、残差(或静态差)是指根据被调整参数的新的稳定值不等于规定值而产生的差。 关于馀差的大小，调节器的放大系数k或比例带相关的放大系数越小，即比例带越大，馀差越大的放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，馀差越小。 17，4.2.3比例带对调节过程的影响，a)大调节阀的动作幅度小，变化平稳，没有过冲，但差大，调节时间也长b)小调节阀的动作幅度大，调节的量前后变动，差小的c)小调节的量进一步为阈值系统临界稳定状态e)小阈值系统不稳定，振动发散图4.4对比例调节过程的影响，18，比例调节的特征： (1)比例调节的输出增加量和输入增加量一对一对应的比例关系，即u=Ke(2)比例调节反应速度快，输出和输入同步(3)缩放的结果是，被调整参数无法完全返回到规定值，产生馀数。19、如果对象比较稳定(对象的静态放大系数小，时间常数不太大，滞后小)，可以选择较小的比例带，可以提高系统的灵敏度，加快反应速度，相反，对象的放大系数大，时间常数小，延迟时间大比例带的一般选择原则：20、比例带的选择，一般比例带的范围是压力调节： 3070%流量调节： 40100%液位调节： 2060%、21、4.3.1积分调节动作规则调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成比例或调节器的输出与偏差信号的积分成比例，即：4.3积分调整(I调整)、22，积分调整的阶跃响应)、I调节器的输出不仅与偏差信号的大小有关，而且与偏差存在的时间的长度也有关。 只要存在偏差，调节器的输出就会不断变化，直到偏差为零，调节器的输出就不会稳定地变化。 积分调节作用自动消除残差。 注意I调整的输出，像p调整一样偏差为零的话就不会为零。 23、图示的自力式气压调节阀是一种简单的积分调节器：管道压力p经过调节，通过针状阀r通向调节阀膜头的上腔，膜头的下腔通向大气。 如果改变针阀的开度，积分速度S0、24、4.3.2积分调节的特征、无差调节、积分调节的特征如果无差调节不为零，则不为控制输出0，在完全消除被调节量的静差之前进行动作，如果被调节量偏差e为零，则积分调节器的输出不变化。 调节器的输出可以以任何数值停止，被控制对象在因负载干扰而结束调节过程后，调节器可以以新负载要求的开度停止。 25、积分调节的稳定性其稳定作用不如p调节，积分调节采用不稳定的系统。K=2K=0.2、26、Z=P-N、K=2、K=0.2、27、Z=P-N、K=2、K=0.2、28、积分调节的滞后特性难以及时地控制干扰，因此在工业中很少单独使用I调节，但基本上在采用了积分调节、29、的情况下，控制系统的开环增益与积分速度S0成比例。 增加积分速度，降低系统的稳定度。 4.3.3积分速度对调节过程的影响，30，积分速度(积分常数)的大小对调节过程的影响：虽然加大积分速度调节阀的速度而加速，但系统稳定性下降积分速度超过某个阈值时，系统整体变得不稳定，出现发散的振动过程。 S0越大，调节阀的动作越快，越容易发生振动，最大的动态偏差越小。 积分速度调节阀的速度变慢导致系统的稳定性增加，而当调节速度变慢的积分常数小于某个阈值时，调节过程变为非振动过程。 无论增大或减小积分速度，被调整量最后都没有残差，图4.7积分速度S0对调整过程的影响，31，比例调整和积分调整的比较：比例调整有差的积分调节没有差的调节比例调节能立即响应偏差的变化，积分调节过程很慢。 如果调节参数突然出现大的偏差，比例调节可以很快成比例地增加调节阀的开度，但积分调节器需要一定时间来增加或减小调节阀的开度22222222222222，32，图4.8P和I的调节过程的比较， 结论p的调节馀数I没有馀数，但超调节大，p不稳定，33、调节器的输出u的被调节量或其偏差e与时间导数成比例，即，式中，S2微分时间。4.4微分调节(d调节)、34、d调节的阶梯响应、微分调节的思想：微分调节与偏差的变化成比例，偏差的变化越剧烈，微分调节器给予的控制作用就越大，能够及时地抑制偏差的增加，提高系统的稳定性。 35、调节器在t=t0处，输入阶跃偏差e，偏差的变化速度为：然后调节器的输出很快回到零，理想的微分调整特性曲线是垂直直线。 36、加热炉的温度自动调节，温度低于规定值时，燃气阀应该大幅度打开，这是比例调节作用，但同时，如果说明温度下降的速度快，出现大的干扰，下一个时刻的偏差会进一步变大，所以要提前工作，使燃气阀的开度更大、37、微分调节的特征p和I根据已经形成的被调节参数和给定值的偏差进行操作(即，调节偏差的方向和大小)。 微分调节根据偏差信号的微分，即偏差变化的速度而动作。 偏差一出来，调节器就马上动作，使更好的调节效果的偏差不变化，微分调节不发挥作用。 微分调节主要为克服调节对象有很大的传递延迟和容量延迟。 38、注意：微分调节不能消除馀差。 微分调节与偏差的大小无关，只对偏差的变化有反应。 单纯的微分调节器也不起作用。 实际的调节器有一定的故障区域，如果调整误差的变化速度慢，调节器就无法感知，纯微分调节器就无法工作，即使调整误差累积也无法修正。 39、PID为比例、积分、微分的简称proportional-integral-differential比例作用的输出与偏差的大小成比例积分作用的输出变化速度与偏差成比例微分作用的输出与偏差变化速度成比例。 40、比例调整作用：由于比例反应系统的偏差，系统出现偏差时，比例调整会立即产生调整作用以减少偏差。 比例作用大，可以加速调节，减少误差，但过大的比例会降低系统的稳定性，进而导致系统的不稳定。 41、比例调节k的变化对控制效果的影响，42、积分调节作用：使系统消除稳态误差，提高无差度。 因为有误差，积分调节进行到没有差为止，积分调节停止，积分调节输出一定值。 积分作用的强弱依赖于积分时间常数Ti，Ti越小积分作用越强。 相反，如果Ti大，积分作用就弱。 施加积分调整会降低系统的稳定性，动态响应慢。 积分作用总是与其他两个调节规则结合，构成PI调节器或PID调节器。43、积分调节、Ti的变化对控制效果的影响、44、微分调节作用：微分作用反映了系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，所以产生了先进的控制作用，在偏差形成前被微分调节作用消除了。 因此，可以改善系统的动态性能。 微分时间的选择适当时，可以减少过冲，减少调节时间。 由于微分作用对噪声干扰有放大作用，过度的微分调节不利于系统噪声。 另外，微分反应为变化率，但输入没有变化时，微分作用输出为零。 由于微分作用不能单独使用，需要结合其他两个调节规则来配置PD或PID控制器。 45、微分调节、Td变化对控制效果的影响，46、4.5.1比例积分(PI )调节积分调节可以消除静差，但有滞后，比例调节没有滞后但有静差。 PI调整是综合p、I这两种调整的优点，其使用p调整来快速地消除噪声的影响，并使用I调整来去除残差。 4.5比例积分微分调节(PID调节)、47，PI调节规则是：式中比例带(有时取正或负值) TI积分时间和TI是PI调节器的两个重要参数。、48、图4.10PI调节器的阶跃响应、TI、49、加上阶跃输入的瞬间，调节器立即输出e/的阶跃，以恒定速度e/TI变化。 在t=TI时，调节器的总输出为2e/。 输出的积分部分正好等于比例部分。 TI可以测量积分部分在总输出中所占的比重： TI越小，积分部分所占的比重就越大。 50、残差的消除是PI调节器的积分动作的结果。 积分部分的阀位置输出到达调节阀开度最终抵消干扰所需要的位置。 比例部分的阀输出Up在调节过程的初期阶段起着很大的作用，但调节过程结束后，再次回到干扰发生前的数值。 比例积分调节过程，51，负荷变化前(t设定了限制值，uPI=umax的结果：这样正常操作有可能无法消除系统残差积分分离法e设定了限制值时， 切换到纯p调节结果：积分饱和也能以小的偏差利用积分作用来消除偏差带限制积分法uPI设定了限制值的情况下，只累计负偏差的逆也是同样的结果：控制量长时间停留在饱和区域，抵抗积分饱和的措施，62，PD调节器的工作规则，4.5.2比例微分(调整规则，式中比例带，有时为正或负值TD微分时间，63，工业上实际采用的PD调节器的传递函数，式中KD微分增益相应的单位阶跃响应为：64，微分作用，纯比例作用，TD大，微分作用理想的微分调节不能单独使用，总是依赖比例调节和比例积分调节。 66、也可以根据PD调节器的斜坡响应单独测定微分时间TD，如果TD=0，没有微分动作，则输出u不变化。 微分动作的导入在一定程度上加快输出的变化，这个时间等于TD。 PD调节器具有前置时间，前置时间为微分时间TD。 67，PD调节也在差调节稳定状态下，因为de/dt=0，PD调节器的微分部分输出为零，所以此时的PD调节与p调节相同。 微分调节具有提高控制系统稳定性的作用-微分调节动作总是试图抑制被调制量的振动进入微分动作。 如果TD超过某上限值，反而变得不稳定，进入微分动作的话，可以通过稍微缩小比例带来减小残差，减小短期的最大偏差，在提高振荡频率的同时，将衰减率保持一定。 比例微分调节的特点，68、微分调节也有不利之处：微分动作过强时调节阀开度容易在两端饱和的PD调节常以比例动作为主，微分动作只有辅助调节作用。 PD调节器的抗干扰能力差，只适用于所调节的量的变化非常缓慢的过程，通常不用于流量和液位控制系统。 微分调节动作在纯延迟过程中是无效的。 比例微分调节的特征(续)、69、图4.18P调节系统和PD调节系统的过程的比较、70、图4.19PD控制系统的不同微分时间的响应过程、71、PID调节： 比例、积分、微分三个调节作用结合起来的调节。 PID调节器的工作规则，比例积分微分(PID )调节规则及其基本特征，PID