过程控制系统课件 第4章 过程控制仪表

过程控制系统

——PID调节原理

电气与控制工程学院4.1PID基本概念PID控制是比例积分微分控制。

历史最久、生命力最强的控制方式。

具有以下优点:

①原理简单，使用方便。

②适应性强.

③鲁棒性强.

控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

PID控制是一种负反馈控制。

8/26/20242在反馈控制系统中，自动调节器和被控对象构成一个闭合回路。

在连接成闭合回路时，可能出现两种情况：正反馈和负反馈.

正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，导致控制系统不稳定.负反馈作用则缓解对象中的不平衡，正确地达到自动控制的目的。

8/26/20243图4.1生产过程简单控制系统方框图8/26/202445

图4.2

根据控制系统方框图确定调节器正反作用8/26/202454.2生产过程的动态特性

过程控制系统在运行中有两种状态：

稳态:

系统没有受到干扰，设定值保持不变，被调量也不随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。动态:

当系统受到外来干扰的影响或者在改变了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态。

经过一段调整时间后，如果系统是稳定的，被调量将会重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定平衡工况。

8/26/20246过渡过程:

从一个稳态到达另一个稳态的历程。

评价控制系统的性能指标:

稳定性、准确性和快速性。

实现生产过程自动化，由工艺工程师提出被控对象的控制要求。

控制工程师的任务则是设计出合理的控制系统以满足这些要求。

8/26/20247工业过程动态特性的特点对象的动态特性是不振荡的跃响应是单调曲线，被调量的变化比较缓慢。工业对象的幅频特性M(ω)和相频特性φ(ω)，随着频率的增高都向下倾斜.

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图4.3工业对象的幅频和相频特性8/26/20249

2．对象动态特性有迟延

由于迟延的存在，调节阀动作的效果往往需要经过一段迟延时间后才会在被调量上表现出来。

迟延的主要来源是多个容积的存在，容积愈大或数目愈多，容积迟延时间愈长。

有些被控对象还具有传输迟延。3.被控对象本身是稳定的

被控对象，当调节阀开度改变致使原来的物质或能量平衡关系遭到破坏后，随着被调量的变化不平衡量愈来愈小，而被调量能够自动地稳定在新的水平上。这种特性称为自平衡，具有这种特性的被控对象称为自衡过程。自平衡能力的大小用对象静态增益K的倒数衡量，称为自平衡率，自平衡率

8/26/202410也有一些被控对象，当调节阀开度改变致使物质或能量平衡关系破坏后，不平衡量不因被调量的变化而改变，因而被调量将以固定的速度一直变化下去而不会自动地在新的水平上恢复平衡。这种对象不具有自平衡特性，称为非自衡过程。

不稳定的过程是指原来的平衡一旦被破坏后，被调量在很短的时间内就发生很大的变化。

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图4.4典型工业过程在调节阀开度干扰下的阶跃响应8/26/202412自平衡过程非自平衡过程式中，T称为过程的时间常数,τ是纯迟延时间。

单纯由迟延构成的过程是很难控制的,而单容过程，自衡的单容过程则极易控制。8/26/20241314

图4.5自衡过程在基本扰动下的阶跃响应的起始阶段8/26/202414输入、输出量用相对值表示，阀门开度以全行程的百分数表示，被调量则以相对于测量仪表全量程的百分数表示。

经过一段迟延时间τ后，被调量开始以某个速度变化，这个起始速度称为响应速度，以ε表示，有

(适用于自平衡过程)

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4.被控对象具有非线性特性

换热器热量平衡方程：

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图4.6列管式换热器8/26/202416以蒸汽流量为调节量，物料出口温度为被调量，列管式换热器温度对象的增益为:

8/26/202417换热器温度对象增益与其负荷成反比。

中和反应器是另一个典型的变增益对象。

被调量为生成物的PH值，调节量为中和用的酸液摩尔数。在pH=7附近，对象增益极高，在远离此点的大范围内，其数值减小。

非线性特性给控制带来极大的困难。

8/26/202418图4.7中和反应器及其特性8/26/202419单容水槽的动态方程为一阶非线性微分方程，即

线形化单容水槽动态方程为

其中水阻为

8/26/202420在工作点H0附近才可近似为常数。

当负荷变化时水槽工作点随之改变，而负载阀在不同工作点上的水阻R不同。

对象的增益和时间常数均呈现非线性。

对象内部的连续非线性特性。在控制系统中还存有另一类非线性，如调节阀、继电器等元件的饱和、死区和滞环等典型的非线性特性。在过程控制工程中，把被控对象、测量变送单元和调节阀三部分串联在一起统称为广义对象，因而它包含了这部分非线性特性。8/26/202421对于被控对象的非线性特性，如果控制精度要求不高或者负荷变化不大，则可用线性化方法进行处理。

如果非线性不可忽略时，必须采用其它方法，例如分段线性的方法、非线性补偿器的方法或者利用非线性控制理论来进行系统的分析和设计。

8/26/202422在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即

kc称为比例增益.

4.3比例调节(P调节)

一、比例调节的动作规律，比例带

当偏差e为零因而u＝0时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有u＝u0.

在过程控制中习惯用增益的倒数表示

调节器输入与输出之间的比例关系：8/26/202423比例调节的显著特点就是有差调节二、比例调节的特点，有差调节

图4.8加热器出口水温度控制系统8/26/202424

比例调节的残差随着比例带的加大而加大。

从这一方面考虑，希望尽量减小比例带。

减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。

三、比例带对于调节过程的影响8/26/20242526

图4.9δ对于比例调节过程的影响8/26/202426

δ很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，调节时间也很长。减小δ就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，残差相应减小。δ具有一个临界值，系统处于稳定边界的情况，进一步减小δ系统就不稳定了；

δ的临界值δcr可以通过试验测定出来：如果被调对象的数学模型已知，根据控制理论计算出来。

8/26/202427比例调节的特点：

（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系。即：u=Ke

（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。

（3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生静差。

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一、积分调节动作规律

调节器的输出信号的变化速度du／dt与偏差信号e成正比.

二、积分调节的特点，无差调节

积分调节的特点是无差调节，当被调量偏差e为零时，积分调节器的输出会保持不变。

调节器的输出可以停在任何数值上。

4.4积分调节(I调节)

被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有残差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。

采用积分调节的控制系统，其调节阀开度与当时被调量的数值本身没有直接关系，积分调节也称为浮动调节。

积分调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。

采用积分调节不可能得到稳定的系统。8/26/202429

三、积分速度对于调节过程的影响

采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分速度S0成正比。

增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。

8/26/202430图4.9积分速度对调节过程的影响

因为S0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小．被调量最后都没有残差，这是积分调节的特点。

8/26/202431积分调节的特性

调节器的输出变化量与输入偏差值随时间的积分成正比，亦即输出的变化速度与输入偏差成正比，

对于积分调节器，输出变化量的大小，不仅决定于偏差的大小，而且取决于偏差存在的时间长短。

8/26/202432调节效果与应用

积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响较大。

积分速度大，调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低，当积分速度大到超过某一临界值时，整个系统变为不稳定。

反之，减小积分速度，调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢，当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程。

8/26/202433比例调节和积分调节的比较：

积分调节可以消除静差。但对比例调节来说，当被调参数突然出现较大的偏差时，调节器能立即按比例地把调节阀的开度开得很大，但积分调节器就做不到这一点，它需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小，因此，积分调节会使调节过程非常缓慢。

8/26/202434图4.10P与I调节过程的比较8/26/202435

一、比例积分调节的动作规律

积分调节可以消除静差,但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。

PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。

4.5比例积分调节(PI调节)

8/26/202436比例积分调节有比例调节，即将输入偏差信号立即放大输出，又有积分调节作用，即输入偏差使调节器输出变化按时间逐渐积累从而消除静差。它的调节规律为

8/26/202437图4.11PI调节器的阶跃响应8/26/202438

二比例积分调节过程

残差的消除是PI调节器积分动作的结果。

积分部分的阀位输出使调节阀开度最终得以到达抵消扰动所需的位置。

比例部分的阀位输出Up在调节过程的初始阶段起较大作用，但调节过程结束后又返回到扰动发生前的数值。PI调节引入积分动作带来消除系统残差，却降低了原有系统的稳定性。

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。PI调节在比例带不变的情况下，减小积分时间TI，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。8/26/202439图4.12PI控制系统不同积分时间的响应过程8/26/202440

比例积分调节的特点

具有比例调节作用反应快、无滞后的优点，可以加快调整作用，缩短调节时间，又具有积分调节的优点，可以消除静差。

对于一般调节对象，均可用比例积分调节，比例带和积分时间选择合适，基本可以满足生产工艺要求。

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三、积分饱和现象与抗积分饱和的措施

具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停地变化。

如果由于某种原因(如阀门关闭、泵故障等)，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，调节器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。

8/26/202442

进入深度积分饱和的调节器，要等被调量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。

气动调节器的积分动作是通过一阶惯性环节的正反馈实现的。调节器的输出

8/26/20244344

图4.13积分动作由调节器输出通过惯性环节正反馈实现8/26/202444这为比例积分调节的动作规律

抗积分饱和的措施

一是接入外部积分反馈,如果在正反馈回路中加入一个间隙单元.

图4.14利用间隙单元抗积分饱和8/26/202445调节器的输出输入关系将成为

第二项为常数，调节器切换为比例作用，防止积分饱和现象。

8/26/202446

另一种办法是由调节器内部实现

PIP调节动作的自动切换，EK系列调节器。

开关S断开时，电路进行正常的比例积分运算。

如输入一个负的阶跃电压-Ei，

输出电压Eo变化为.

比较

开关

图4.15(a)EK调节器抗积分饱和原理8/26/202447图4.15(b)EK调节器抗积分饱和输出电压阶跃响应8/26/202448

一、比例微分调节规律

PD调节器的动作规律是

(δ为比例带，TD为微分时间)

按照上式，PD调节器的传递函数应为4.6比例微分调节(PI调节)

8/26/202449工业上实际采用的PD调节器的传递函数是8/26/202450图4.16PD调节器的单位阶跃响应8/26/202451根据PD调节器的斜坡响应也可以单独测定它的微分时间TD，如果TD=0即没有微分动作，那么输出u将按虚线变化。微分动作的引入使输出的变化提前一段时间发生，而这段时间就等于TD。

PD调节器有导前作用，其导前时间即是微分时间TD。

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二、比例微分调节的特点

在稳态下，de／dt＝0，PD调节器的微分部分输出为零，因此PD调节也是有差调节，与P调节相同。

微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用。

适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带，

同时保持衰减率不变。

8/26/202453图4.17P与PD调节过程的比较8/26/202454适度引入微分动作后，可以采用较小的比例带，减小了残差，减小了短期最大偏差和提高了振荡频率。

微分调节动作也有一些不利之处。

微分动作太强容易导致调节阀开度向两端饱和，

在PD调节中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅助调节作用。

PD调节器的抗干扰能力很差，这只能应用于被调量的变化非常平稳的过程，一般不用于流量和液位控制系统。

微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。

8/26/202455引入微分动作要适度。在大多数PD控制系统随着微分时间Td增大，其稳定性提高，但某些特殊系统也有例外，当TD超出某一上限值后，系统反而变得不稳定了。

8/26/202456图4.18PD在不同微分时间下的响应过程8/26/2024574.5PID调节规律比例带、积分时间、微分时间这三个特征参数表示比例积分微分的调节特性，改变这三个特征参数的数值，就可以改变比例积分微分的调节的强弱。PID调节器的传递函数为

8/26/202458当比例积分微分调节器输入一个阶跃偏差时，调节器的输出调节信号等于比例作用、积分作用、微分作用输出之和。

比例作用的输出与偏差大小成正比；

积分作用的输出变化速度与偏差成正比；

微分作用输出与偏差变化速度成正比。比例积分微分调节器的工作过程：

当扰动一出现，即输入一个阶跃偏差时，微分作用