过程控制系统006.ppt

1、过程控制系统,第六讲,第3章 控制器的控制规律,3.6 离散比例积分微分控制,3.1 双位控制,3.2 比例控制,3.3 比例积分控制,3.4 比例微分控制,3.5 比例积分微分控制,过程控制系统,第六讲,第3章 控制器的控制规律,3.3 积分控制及比例积分控制,在工业上，为了保证控制质量，许多控制系统中是不允许存在余差的，因此，必须在比例控制的基础上引入积分控制。,过程控制系统,第六讲,3.3.1 积分控制,积分控制是控制器的输出变化量与输入偏差值随时间的积分成正比的控制规律，亦即控制器的输出变化速度与输入偏差值成正比。 传递函数为： 式中 控制器的积分速度； 控制器的积分时间（ ）。,过程

2、控制系统,第六讲,积分控制输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且还取决于偏差存在时间的长短。 当输入偏差存在时，控制器的输出会不断变化，而且偏差存在的时间越长，输出信号的变化量也越大。直到偏差等于零时，控制器的输出不再变化而稳定下来。 反过来说，当控制器的输出稳定下来不再变化时，输入偏差一定是零。 所以在积分控制时，余差等于零，也就是说，积分作用可以消除余差。力图消除余差是积分控制作用的重要特性。,过程控制系统,第六讲,自力式气压调节阀是一个简单的积分调节阀：,其中：管道压力P是被调量，它通过针型阀R与调节阀膜头的上部空腔相通，而膜头的下部空腔则与大气相通。,其中：重锤W的重力使上部空腔

3、产生一个恒定的压力P0。P0就是被调量的设定值，它可以通过改变杠杆比l1/l2或锤重W加以调整。,过程控制系统,第六讲,只要P不等于设定值P0，就会有气流以正向或反向流过针形阀，使膜片带动阀杆上下移动。,当管道压力P等于设定值P0时，没有气流通过针形阀R，膜片以及与它连接在一起的阀杆静止不动。,假定R是线性气阻，那么流过它的气量就与被调量偏差成比例，因此阀杆的移动速度也就与被调量偏差成正比。,改变针形阀的开度就可以改变积分速度S0的大小,过程控制系统,第六讲,I调节的特点是无差调节，与P调节的有差调节形成鲜明对比。,结论：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

4、新的负荷所要求的开度上。,由式 可知，只有当被调量偏差e为零时，I调节器的输出才会保持不变。然而与此同时，调节器的输出却可以停在任何数值上。,注意：采用I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，因此I调节也称为浮动调节。,过程控制系统,第六讲,例如：根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用P调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；,I调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。,如果采用I调节则不可能得到稳定的系统。,过程控制系统,第六讲,原因：把它们各自在稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道：在稳定边界上若采用P调节则被控对象

5、须提供180相角滞后；若采用I调节则被控对象只须提供90相角滞后。这就说明了为什么用I调节取代P调节就会降低系统的振荡频率。,对于同一个被控对象，采用I调节时其调节过程的进行总比采用P调节时缓慢，表现在振荡频率较低。,过程控制系统,第六讲,在幅度为A的阶跃偏差作用下，积分控制器的开环输出特性:,过程控制系统,第六讲,与比例控制相比，积分控制器的输出变化总是滞后于偏差的变化，控制就不可能象比例控制那样及时地对偏差加以响应，从而难以对干扰进行及时而且有效的抑制。,3.3.1 积分控制,过程控制系统,第六讲,3.3.2 比例积分控制,将比例作用与积分作用组合成比例积分（PI）控制规律来使用。这样，既

6、能及时控制，又能消除余差。,过程控制系统,第六讲,比例积分控制器的输出是比例作用和积分作用两部分之和。 当输入偏差是一个阶跃信号时，由于比例作用的输出与输入偏差成正比，因此控制器一开始输出也应该是阶跃变化，而此时积分作用的输出应为零；偏差为一个恒值，其大小不再变化，所以比例输出也应是恒值，而积分输出则应以恒定的速度不断增大。 可见图3-10中输出的垂直上升部分是由比例作用造成的，而慢慢上升部分是由积分作用造成的。,过程控制系统,第六讲,在Kc和A确定的情况下，直线的斜率将取决于积分时间TI的大小：Ti越大，直线越平坦，说明积分作用越弱；Ti越小，直线越陡峭，说明积分作用越强。 Ti是描述积分作

7、用强弱的一个物理量。 Ti的定义是：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间，就是积分时间Ti 。因为在任意时间t, 控制器的输出值为KcA+(Kc/ Ti)At，当t= Ti时，输出即为2 KcA。,过程控制系统,第六讲,一个比例积分控制器可看成是粗调的比例作用与细调的积分作用的组合。 如果比例控制器的输出增量与偏差信号一一对应，则比例积分控制器可理解为比例度不断减小，即比例增益（放大倍数）不断加大的比例控制器。,过程控制系统,第六讲,注意：PI调节引入积分动作带来消除系统残差之好处的同时，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

8、大。所以PI调节是在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能。,过程控制系统,第六讲,注意：在比例带不变的情况下，减少积分时间T，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。,控制系统在不同积分时间的响应过程如左图：,过程控制系统,第六讲,在一个纯比例控制的闭环系统中引入积分作用时，若保持控制器的比例度不变，则可从图3-12所示的曲线族中看到，随着Ti减小，则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；Ti过小，可能导致系统不稳定。Ti小，扰动作用下的最大偏差下降，振荡频率增加。,过程控制系统,第六讲,比例积分控制器对于克服干扰时，虽然消除了余差

9、，但也降低了系统的稳定性。 因此，要保持原有的稳定程度，必须减小比例增益，这又使系统的其他控制指标有所下降。 由于比例积分控制器既保留了比例控制器响应及时的优点，又能消除余差，故适应范围比较广，大多数控制系统都能使用。其积分时间应根据不同的对象特性加以选择，一般情况下的大致范围是： 压力控制 ； 流量控制 ； 温度控制 ； 液位控制 一般不需积分作用,过程控制系统,第六讲,3.3.3 积分饱和,某一极性的偏差持续存在时，具有积分作用的控制器的输出将不断增大或减小，直至控制器的极限值。 一些为保障安全的控制系统（如图3-9所示的压力安全放空系统），或某些复杂控制系统（如有两个控制器的选择性控制系

10、统）等。 在这些系统中，控制器（或某个控制器）在正常工况下的输入偏差一直存在，使得该控制器的输出达到极限值。一旦需要动作时，控制器就无法及时使执行机构动作，从而造成调节过程中的动态偏差加大，甚至引起危险。 这种现象就是所谓的积分饱和现象。,过程控制系统,第六讲,过程控制系统,第六讲,过程控制系统,第六讲,防止积分饱和现象有三种办法： （1）对控制器的输出加以限幅，使其不超过额定的最大值或最小值； （2）限制控制器积分部分的输出，使之不超出限值。对于气动仪表，可采用外部信号作为其积分反馈信号，使之不能形成偏差积分作用；对于电动仪表，可改进仪表内部线路； （3）积分切除法，即在控制器的输出超过某一

11、限值时，将控制器的调节规律由比例积分自动切换成纯比例调节状态。,过程控制系统,第六讲,过程控制系统,第六讲,3.4比例控制及比例微分控制,虽然在比例作用的基础上增加了积分作用后，可以消除余差，但为了抑制超调，必须减小比例增益，使控制器的整体性能有所变差。当对象滞后很大，或负荷变化剧烈时，则不能及时控制。而且，偏差的变化速度越大，产生的超调就越大，需要越长的控制时间。在这种情况下，可以采用微分控制，因为比例和积分控制都是根据已形成的偏差而进行动作的，而微分控制却是根据偏差的变化趋势进行动作的，从而有可能避免产生较大的偏差，且可以缩短控制时间。,过程控制系统,第六讲,3.4.1 微分控制,理想微分

12、控制，是指控制器的输出变化量与输入偏差的变化速度成正比的控制规律 式中 控制器的微分时间 理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性是一个幅度无穷大、脉宽趋于零的尖脉冲。微分器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关，即偏差固定不变时，不论其数值有多大，微分作用都无输出。,过程控制系统,第六讲,注意：单纯按上述规律动作的调节器是不能工作的。因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象的流入、流出量只相差很少以致被调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不动作。但是经过相当长时间以后，被调量偏差却可以积累到相当大的数字而得不到校正。这种情况当然是不能容许的。,结论：微分调

13、节只能起辅助调节作用，它可以与其它调节动作结合成PD和PID调节动作。,过程控制系统,第六讲,3.4.2 比例微分控制,比例微分控制器的数学表达式,过程控制系统,第六讲,3.4.2 比例微分控制,当输入偏差为阶跃信号时，比例微分（PD）控制器的输出为 输出是比例作用和微分作用两部分之和,过程控制系统,第六讲,在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。 这是因为当控制器在感受到偏差后再进行调节，过程已经受到较大幅度扰动的影响，或者扰动已经作用了一段时间，而引入微分作用后，当被控变量一有变化时，根据变化趋势适当加大控制器的输出信号，

14、将有利于克服扰动对被控变量的影响，抑制偏差的增长，从而提高系统的稳定性。 如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比n，则可适当减小控制器的比例度，一般可减小10%左右，从而使控制系统的控制指标得到全面改善。 但是，如果引入的微分作用太强，即TD太大，反而会引起控制系统剧烈地振荡。,过程控制系统,第六讲,微分时间TD的大小对系统过渡过程的影响,过程控制系统,第六讲,3.5 比例积分微分控制,理想PID： 实际PID： 当输入偏差为阶跃变化时，实际PID控制器的输出为：,过程控制系统,第六讲,实际比例积分微分控制器的输入输出曲线。从图中可以看到，比例作用是始终起作用的基本分量；微分作用在偏差出现

15、的一开始有很大的输出，具有超前作用，然后逐渐消失；积分作用则在开始时作用不明显，随着时间的推移，其作用逐渐增大，起主要控制作用，直到余差消失为止。,过程控制系统,第六讲,比例积分微分（PID）控制器适用于被控对象负荷变化较大，容量滞后较大，干扰变化较强，工艺不允许有余差存在，且控制质量要求较高的场合。虽然PID控制规律综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，但这并不意味着它在任何情况下都是最合适的。只有根据被控对象的特性，合理选择比例度、积分时间和微分时间，才能获得较高的控制质量。各类生产过程常用的控制规律如下： 液位：一般要求不高，用P或PI控制规律； 流量：时间常数小，测量信息中杂有

16、噪音，用PI或加反微分控制规律； 压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律； 温度：容量滞后较大，用PID控制规律。,过程控制系统,第六讲,3.6 离散比例积分微分控制,在数字式控制器和计算机控制系统中，对每一个控制回路采用的是采样控制，即对被控变量的处理在时间上是离散断续进行的（某一时刻根据测量值与设定值的偏差计算出的输出值要保持到下一采样时刻才可能发生变化）。因此，所用的控制规律应改为离散的比例积分微分（PID）控制。,过程控制系统,第六讲,3.6.1 离散PID控制算法, 位置式PID控制算法,过程控制系统,第六讲, 增量式PID控制算法,过程控制系统,第六讲, 速度式PID控制算法,过程控制系统,第六讲,3.6.2 离散PID控制离算法的特点,PID三种控制作用是相互独立，没有控制器参数之间的关联。 离散PID控制器的参数可以在更大范围设置。 离散PID控制器是采样控制，相当于引入时滞为Ts/2的环节，所以控制品质差于连续PID控制。 用控制度表示连续控制与离散控制控制品质的差异程度。 控制度= 控制度总是大于1，采样周期Ts越小，控制度也越小。,过程控制系统,第六讲,采样周期Ts选择 要满足香农采样定