内科大材料成型控制工程基础课件03 PID控制及其调节过程

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PID控制及其调节过程

（1）

主讲：李振亮教授2本章主要内容：

■PID控制概述

■PID调节规律

■PID调节规律对系统过渡过程的影响

■

PID调节器参数的工程整定

(实验课内容)

■加热炉PID温度控制的MATLAB仿真(实验课内容)

复习思考题

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本章要点

●本章内容属于古典控制策略的研究范畴，主要介绍PID控制器的特点、调节规律，调节规律对系统动态过程的影响，以及如何对PID控制器中的参数进行整定等内容。●本章应掌握以下基本内容：

①PID控制的优点。

②“比例带”的概念及其对调节过程的影响。

③不同调节规律的特点。

④调节器中不同调节作用的曲线比较。

⑤PID控制器的“参数整定”。4■PID控制概述

●PID调节规律，其控制原理是一种负反馈控制。●PID（proportional-integrate-differential）控制是比例、积分、微分控制的简称。上个世纪40年代以前，在工业生产过程控制中，除了最简单的开关控制外，它是唯一的控制方式。从20世纪50年代开始，PID控制开始应用，并在模拟控制和数字控制系统中已形成了成熟的算法。据介绍，直到现在90％以上的工业控制回路仍采用各种形式的PID控制。5●PID调节规律的六个特点：

◆原理简单，使用方便

PID算法整合了系统动态过程中的过去、现在和将来的信息

◆适应性强

即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID控制。

◆鲁棒性（robustness）强

概念；它可以从“稳定鲁棒性”和“性能鲁棒性”两方面来区分。

6◆PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于被工程技术人员掌握◆“性价比”高◆对PID算法缺陷可以进行改良

7■PID调节规律●“调节规律”的概念●两位式调节规律●比例(P)调节规律●积分(I)调节规律●微分(D)调节规律●比例积分(PI)调节规律●比例微分(PD)调节规律

●比例积分微分(PID)调节规律8●“调节规律”的概念调节器输出与偏差信号之间的函数关系称为调节规律

在调节器输出稳定之前，偏差△e与输出△u之间的相互关系，称为调节器的动态特性在调节器上施加恒定的偏差，经过相当长的时间，输出稳定以后，偏差△e与输出△u的相互关系称为调节器的静态特性9●两位式调节规律调节机构只有两个位置，即“开”或“关”，没有中间位置双位调节器结构简单﹑使用方便、价格便宜，在电阻加热设备的温度调节方面可以节省电能，故应用很普遍。10●比例(P)调节规律◆动作过程◆比例调节的特点◆比例调节的传递函数11◆动作过程12◆比例调节的特点（1）作用快（2）有余差（静差）

对于某一给定系统，当负荷变化时，静差的大小与比例带（P）有关，P愈大，静差愈大；P愈小，静差愈小。（3)比例带（P）13

在工业上，比例调节器比例作用的强弱常用比例带P（有时又称“比例度δ”，P的宽窄即是表示比例度δ的大小）来表示。比例度δ的定义如下：14δ代表使调节阀开度改变100％，即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。只有当被调量处在这个范围以内，调节阀的开度（变化）才与偏差成比例，比例度的名字也就由此而来的。超出这个“比例带”以外，调节阀已处于全关或全开的状态，此时调节器的输出与输入已不再保持比例关系，而调节器至少也暂时失去了其控制作用实际上，调节器的比例带P习惯用它相对于被调量测量仪表的量程的百分数表示，所以，比例度δ又可定义为：使调节器的输出变化达到全量程（或全范围）时，输入偏差改变了满量程的百分比。例如，当δ＝100％时，输入改变了满量程的100％，则输出也能按比例地改变其全范围的100％；当δ＝200％时，输入要改变满量程的200％时，输出才能够改变全范围的100％；换句话说，即当输入改变满量程的100％时，输出只能改变其全范围的50％。可见，δ大则调节作用就弱，δ小则调节作用就强。

δ的大小也可以用比例带(P)的宽窄来表示：δ大则比例带(P)宽，δ小则比例带(P)窄。一般情况下，对于单元组合仪表来说，比例度δ与其放大倍数Kp互为倒数关系，即：

15◆比例调节的传递函数其中Kp

——比例系数16

●积分(I)调节规律◆积分调节规律

◆

积分时间

◆积分调节的特点

◆积分调节的传递函数17◆积分调节规律

积分调节规律就是调节器的输出变化量与输入偏差随时间的积分成正比的调节规律，亦即调节器输出的变化速度与输入偏差的大小成正比。所以只要有偏差，调节器输出的变化速度就不等于零，当偏差为零时，输出就保持不变，而不管当时的阀位是多少。因此，调节器有差即动，无差则停。可见，积分作用是能消除余差的。式中：KI——积分速度

TI——积分时间18◆

积分时间积分时间TI表示积分速度的快慢。当输入偏差信号△e做阶跃变化时：

式中：A——阶跃变化的幅度

（3-7）19调节器的输出与偏差存在的时间及偏差大小的乘积成正比。20◆积分调节的特点

(1)能消除余差

(2)调节动作缓慢21◆积分调节的传递函数22●微分(D)调节规律◆微分调节规律（D）◆微分调节作用的特点◆微分调节的传递函数23◆微分调节规律（D）比例调节规律和积分调节规律都是根据被调参数与给定值的偏差动作的，而微分调节规律则是根据偏差的变化趋势（即变化速度）来动作的。

Δu——微分调节器输出的变化量dΔe/dt——输入偏差对时间的导数24◆微分调节作用的特点（1）它的作用比比例调节作用（P）还要快，因此调节迅速。（2）理想上的纯微分实际上是不存在的25◆微分调节的传递函数26●比例积分(PI)调节规律◆特性◆比例积分调节的特点◆比例积分调节的传递函数27◆特性比例积分调节规律又称“PI调节规律”。它既具有比例调节动作，又具有积分调节动作。比例作用快，但不能消除偏差；积分作用稍慢于比例作用，但最终可以消除偏差。积分作用就相当于在比例调节之后，再自动进行调整。故PI调节器又称为“再调调节器”，或称“重定调节器”。PI调节器的动作规律后可用下式表示：式中：U——比例积分作用；UP——比例作用；UI——积分作用28◆比例积分调节的特点(1)能消除静差。由于有积分作用，所以只要有偏差存在，调节器就能使输出朝着减小偏差的方向，以一定的速度增加或减小。偏差越大，输出变化也越大。只有偏差为零时，输出才能稳定不变。(2)积分作用强弱，用积分时间TI来衡量。积分时间TI愈小，积分作用就愈强。组成系统后，消除静差的速度也就越快，但也越容易产生振荡。(3)系统若进入稳定状态，输出有可能不稳定，这时输出的变化仅仅取决于外界条件的影响。(4)存在积分饱和现象。具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差,其输出就会不停的变化。29◆比例积分调节的传递函数若用比例度δ来表示则为：30●比例微分(PD)调节规律◆特性◆比例微分调节的传递函数31◆特性比例微分调节器的调节动作是比例调节与微分调节二者之和。32◆比例微分调节的传递函数33●比例积分微分(PID)调节规律34■PID调节规律对系统过渡过程的影响●比例带对过渡过程的影响

（掌握）●积分时间对过渡过程的影响●微分时间对过渡过程的影响●几种调节作用过程曲线比较(重点掌握)35●比例带对过渡过程的影响（掌握）要点：◆“比例带P”和“比例度δ”的区别◆“临界比例度δ”

的概念（难点，考点）◆比例度δ对被调参数的影响36◆“比例带P”和“比例度δ”的区别（教材P38）两者的概念区别：

描述角度不同（宽窄、百分数），本质是一致的、相同的

两者的关系：

δ大（调节作用弱）则比例带(P)宽，δ小（调节作用大）则比例带(P)窄。

37◆“临界比例度δ”

的概念（难点，考点）

看教材P45、46：（1）比例作用（P）是调节器的主要作用

（2）实际中希望静差小、P小（调节作用大），导致系统震荡。

比例作用（P）和“系统稳定性”矛盾？？？？！38图1-4系统过渡过程的几种基本形式不稳定调节等幅震荡调节衰减震荡调节非周期调节被调量没什么波动；过程变化缓慢，过渡时间长参见第1章P5系统受到扰动，平衡被破坏39

比例度δ对调节过程的影响δ减小，调节作用增强δ增大，调节作用减弱

δk

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δ具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小δ，系统就不稳定了，我们把这个临界值称为“临界比例度δk”，（曲线b）；若用比例带表示则称“临界比例带P”

从系统的稳定性要求出发，δ大一些（即Kp小一些）为好，但从调节过程的准确性要求来看，δ小一些为好。可见，过程控制系统的准确性与稳定性之间存在着矛盾，通常视具体要求，统筹考虑。4142●积分时间对过渡过程的影响（积分消除余差）43●微分时间对过渡过程的影响

（微分克服容量滞后）TD太大引起震荡TD太小微分作用不明显44●几种调节作用过程曲线比较(重点掌握)各种调节动作对应的响应过程1－比例调节；2－积分调节；3－比例积分调节；4－比例微分调节；5－比例积分微分调节积分作用：曲线１和曲线３比较比例作用：曲线１微分作用：曲线１和曲线4比较曲线3和曲线5比较45比例作用的优点是动作快，其输出量毫无迟延地反映出输入量的变化。是各种调节作用中最基本的调节作用，其缺点是存在稳态偏差（曲线１）。积分作用的特点是能够消除稳态偏差（余差）（曲线１和曲线３比较），但是它使过渡过程的最大偏差及调节过程时间增大。如果系统延迟大，积分作用将会引起系统振荡。微分作用可以减小过渡过程的最大偏差和调节过程时间

（曲线１与曲线４比较，曲线３和曲线５比较）。46当在比例作用基础上增加积分作用时因为积分作用带来一定程度的振荡倾向，所以这时比例度要比单纯比例调节时放得稍大一些，一般常放在原来的1.2倍，以保证系统有足够的稳定程度。在比例作用基础上增加微分作用时，由于微分作用可以使系统稳定性增加，故这时比例度可减小一些，一般减少20%左右，这样可带来稳态偏差的减小等好处。采用比例积分微分三作用调节器，可大大提高调节质量。因为P、I、D所引起的作用并不是简单的三种作用的叠加，而是三种作用的互相促进。47■

PID调节器参数的工程整定

(实验课内容)要点：●参数整定的概念●PID参数整定基本原则●

PID参数整定方法48●参数整定的概念PID调节器参数的整定指的是在控制系统中对比例参数K（或者比例带P），积分时间常数TI以及微分时间常数TD这三个参数的调整。PID调节器有模拟型和离散型两种。模拟器参数通过调整电阻，电容或电感量等的大小来实现；而离散型除了对K、TI和TD的调整外，还需要决定控制系统的采样周期TS,目前的PID调节器全部是离散型。无论哪一种类型调节器，其参数的整定直接关系到控制系统的控制品质。控制系统参数整定是控制系统设计的一个重要环节。49●PID参数整定基本原则

系统设计合理、仪表选择得当和安装正确