过程控制的PID调节原理

1、PID调节原理控制系统的设计归根到底就是调节器的设计就是调节规律的确定和调节器参数的整定。本章内容4.1PID控制概述4.2过程控制系统的动态特性4.3比例调节(P调节)4.4积分调节(I调节)4.5比例积分微分调节（PID调节）4.6PID调节器的参数工程整定4.1PID控制概述 P- Proportional，比例 I- Integral，积分 D- Differential，微分 PID控制是比例积分微分控制的简称PID控制的优点 原理简单，使用方便 适应性强 鲁棒性强(Robust)图4.1生产过程简单控制系统方框图广义被控对象 一般包括调节阀、被控对象和测量变送元件偏差信号e 按仪表

2、制造业的规定，进入调节器运算部分的偏差信号e定义为e =y - r式中 r设定值；y被调量的实测值。控制工程中的定义为e = r - y正、反作用方式 所谓正作用方式是指调节器的输出信号u随着被调量y的增大而增大，此时称整个调节器的增益为“+”。 处于反作用方式下，u随着被调量y的增大而减小，调节器的增益为“-”。图4.2根据控制系统方框图确定调节器正反作用4.2过程控制系统的动态特性 (1) 对象的动态特性是单调、不振荡的 (2) 对象动态特性的延迟性和时间常数大 (3) 对象的动态特性具有纯时间滞后 (4) 被控对象的自平衡与非自平衡特性 (5) 被控对象的动态特性往往具有非线性特征图4.

3、3工业对象的幅频和相频特性图4.4纯时间滞后的效应图4.5单容水槽图图4.6自平衡过程的阶跃响应图4.7具有纯时间滞后的自平衡过程的阶跃响应4.8单容积分水槽及其阶跃响应图4.9列管式换热器图4.10中和反应器及其静特性4.3比例调节(P调节) 4.3.1比例调节的动作规律和比例带 4.3.2比例调节的特点有差调节 4.3.3比例带对于调节过程的影响4.3.1比例调节规律和比例带称为比例带eueKuc14.3.2比例调节的特点有差调节图4.11所示加热器水温控制系统图4.12比例调节是有差调节4.3.3比例带对于调节过程的影响图4.13对于比例调节过程的影响4.4积分调节(I调节) 4.4.1

4、积分调节规律和积分速度 4.4.2积分调节的特点无差调节 4.4.3积分速度对于调节过程的影响4.4.1积分调节规律和积分速度tedtSueSdtdu000或图4.14自力式气压调节阀4.4.2积分调节的特点无差调节tedtSueSdtdu000或4.4.3积分速度对于调节过程的影响图4.15积分速度对调节过程的影响图4.16P与I调节过程的比较4.5比例积分微分(PID)调节 4.5.1关于微分调节 4.5.2比例积分（PI）调节 4.5.3比例微分（PD）调节 4.5.4比例积分微分调节规律及其基本特征4.5.1关于微分调节dtdeSu24.5.2比例积分（PI）调节titcedtTeue

5、dtSeKu000)1(1图4.17PI调节器的阶跃响应图4.18加热器水温PI控制系统在热水流量阶跃扰动下的调节过程图4.19PI控制系统不同积分时间的响应过程图4.20温度比例积分控制系统积分饱和图4.21积分动作由调节器输出通过图4.22利用间隙单元抗积分饱和图4.23间歇反应器温度控制系统对设定值的响应曲线图4.24调节器抗积分饱和电路4.5.3比例微分（PD）调节)(12dtdeTeudtdeSeKuDePD的传递函数111G)1 (1sKTsTsTGDDDcDc实际上图4.25PD调节器的单位阶跃响应)/exp() 1(11DDDKTtKu图.26PD调节器的斜坡响应图4.27P调

6、节系统和PD调节系统调节过程的比较图4.28PD控制系统不同微分时间的响应过程图4.29工业PID调节器单位阶跃响应图4.30各种调节动作对应的响应过程4.5.4比例积分微分调节规律及其基本特征)1(10020tDItcdtdeTedtTeudtdeSedtSeKuPID传递函数sKTsTKsTsTKsGsTsTsGDDIIDIccDI1111)()11 (1)(*调节器选择 选择调节器动作规律时应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。调节器定性选择原则 广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分动作 当广义对象控制

7、通道时间常数较小，负荷变化也不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分动作 广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择比例动作 当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷变化亦很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。调节器定量选择原则 /T0.2，选择比例或比例积分动作； 0.2/T1.0，选择比例微分或比例积分微分动作； /T10，采用简单控制系统往往不能满足控制要求，应选用如串级、前馈等复杂控制系统。4.6PID调节器的参数工程整定 4.6.1PID参数整定的基本原则 4.6.2PID参数的工程整定方法4.6.1PID参数整定的基本原则 单项性能指

8、标 误差积分性能指标单项性能指标 衰减率(或衰减比) 最大动态偏差 调节时间(又称回复时间) 振荡周期等误差积分性能指标 IE IAE ISE ITAE图4.31不同误差积分指标对应的闭环响应曲线4.6.1PID参数整定的基本原则 理论计算整定法 工程整定法理论计算整定法 根轨迹法 频率特性法4.6.2PID参数的工程整定方法 (1) 动态特性参数法 (2) 稳定边界法 (3) 衰减曲线法(1) 动态特性参数法 这是一种以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。过程响应速度(2) 稳定边界法 这是一种闭环的整定方法。它基于纯比例控制系统临界振荡试验所得数据，即临界比例带cr和临界振荡周期Tcr，利用一些经验公式，求取调节器最佳参数值。图4.32系统的临界振荡过程(3) 衰减曲线法 与稳定边界法类似，不同的只是本法采用某衰减比(通常为4 1或10 1)时设定值扰动的衰减振荡试验数据，然后利用一些经验公式，求取调节器相应的整定参数。图4.33系统衰减振荡曲线图4.34表示其阶跃响应曲线图4.35简单控制系统的组成环节图4.36由Gp(s)和G*