自动调节系统解析与PID整定.ppt

1、自动控制系统与PID整定,维修仪表-*,1,2,3,PID参数现场整定,PID定义、控制原理,自动控制系统介绍,目 录,自动控制系统介绍,Introduction of automatic control system,01,自动控制系统介绍,一、定义 自动控制系统是指用一些自动控制装置,对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰(扰动) 的影响而偏离正常状态时,能够被自动地调节而回到工艺所要求的数值范围内。生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的。特别是化工生产，大多数是连续性生产，各设备相互关联，当其中某一设备的工艺条件发生变化时,都可能引起其他设备中某些参数或多或少地波动,

2、偏离了正常的工艺条件。当然自动调节是指不需要人的直接参与。,自动控制系统介绍,二、系统的组成 自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。 三、系统的分类 按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制,自动控制系统介绍,精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 闭环控制系统 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输

3、出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。,自动控制系统介绍,按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。,自动控制系统介绍,程序控制系统 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。 四、常用术语介绍 被调量 表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。 给定值 按生产要

4、求被调量必须维持的希望值，简称给定值。在许多情况下给定值是不变化的（如正常时的汽包液位、,自动控制系统介绍,出口温度等），但有些情况下给定值是变化的，如汽轮机启动过程中转速的给定值就在不断的变化。 控制对象 被调量的生产过程或设备成为控制对象，如汽包。 调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。,自动控制系统介绍,控制量（调节量） 由调节机构（阀门、挡板等）改变的流量（或能量），用以控制被调量的变化，称为控制量，如汽包上水量。 扰动 引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动。如果扰动不包括在控制回路内部（例如外界负荷），就称为外扰。如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。其

5、中，由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动。,自动控制系统介绍,控制过程（调节过程） 原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被调量就会偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的调节使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程。,PID定义、控制原理,PID definition and control principle,02,PID定义、控制原理,一、定义 PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的控制效果。 PID调节器是一种线性调节器

6、，它将给定值与实际输出值的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。,PID定义、控制原理,二、控制原理 比例环节 即时成比例的反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。 积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分的时间常数，常数越大，积分作用越弱。反之则越强。,PID定义、控制原理,微分环节 能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。,PID参数现场整定,PID parameters on-s

7、ite tuning,03,PID参数现场整定,一、控制模型 人以PID控制的方式用水壶往水杯里倒半杯（印有刻度）水后停下。 设定值：水杯的半杯刻度； 实际值：水杯的实际水量； 输出值：水壶的倒出量和水杯舀出量； 测量传感器：人的眼睛 执行对象：人 正执行：倒水 反执行：舀水,PID参数现场整定,1、P 比例控制，就是人看到水杯里水量没有达到水杯的半杯刻度，就按照一定水量从水壶里往水杯里倒水或者水杯的水量多过刻度，就以一定水量从水杯里舀水出来，这个一个动作可能会造成不到半杯或者多了半杯就停下来。 说明：P比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系

8、统输出存在稳态误差。,PID参数现场整定,2、PI 积分控制，就是按照一定水量往水杯里倒，如果发现杯里的水量没有刻度就一直倒，后来发现水量超过了半杯，就从杯里往外面舀水，然后反复，不够就倒水，多了就舀水，直到水量达到刻度。 说明：在积分I控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态,PID参数现场整定,后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差

9、进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。,PID参数现场整定,3、PID 微分控制，就是人的眼睛看着杯里水量和刻度的距离，当差距很大的时候，就用水壶大水量得倒水，当人看到水量快要接近刻度的时候，就减少水壶的得出水量，慢慢的逼近刻度，直到停留在杯中的刻度。如果最后能精确停在刻度的位置，就是无静差控制；如果停在刻度附近，就是有静差控制。 说明：在微分控制D中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。,PID参数现场整定,二、现场整定经验 所谓比例度就是指偏差改变量e占仪表刻度全量程范围的百分数与调节器输出的改变量P占调节器输出

10、范围的百分数之比。当=100%时，被调参数指示值可以在全量程起点和终点内变化，调节器输出都跟着成比例地变化全量程。当=200%时，被调参数指示值可以在全量程的两倍范围内变化，调节器输出变化都跟着成比例地变化，起到调节作用。 当然指示值超出全量程是没有意义的。只是说明在有,PID参数现场整定,效量程内起到=200%时的作用，就是指示值改变以全量程的有效全程时，调节器输出只变化了输出范围的50%，此时说明调节作用比较弱。 举个例子： 对于量程为0-1300的温控系统，当P设置为10%时，FS乘以P等于130，说明当误差达到130时，比例作用的输出等于100%，误差每变化1，比例作用输出变化0.79

11、%，若需加大比例作用的调节能力，则需把P参数设置小些，或把量程设置小些。具体多少可依据上述方法进,PID参数现场整定,行定量计算。P=输出全开值/FS*100% P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。但实际系统是有惯性的，控制输出变化后，实际PV值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。所以比例作用不宜太强，太强会引起系统振荡不稳定。P参数的大小应在软件计算的基础上根据系统响应情况，现场调试决定，通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调(或无大的超调)为最佳参数。,PID参数现场整定,I参数设置 前面已经分析过，比例作用的输出与误差的大小成正比，误差越大，输出越大，误差越

12、小，输出越小，误差为零，输出为零。由于没有误差时输出为零，因此比例调节不可能完全消除误差，不可能使被控的PV值达到给定值。必须存在一个稳定的误差，以维持一个稳定的输出，才能使系统的PV值保持稳定。这就是通常所说的比例作用是有差调节，是有静差的，加强比例作用只能减少静差，不能消除静差(静差：即静态误差，也称稳态误差)。,PID参数现场整定,为了消除静差必须引入积分作用，积分作用可以消除静差，以使被控的PV值最后与给定值一致。引进积分作用的目的也就是为了消除静差，使PV值达到给定值，并保持一致。 积分作用消除静差的原理是，只要有误差存在，就对误差进行积分，使输出继续增大或减小，一直到误差为零，积分

13、停止，输出不再变化，系统的PV值保持稳定，PV值等于SP值，达到无差调节的效果。,PID参数现场整定,但由于实际系统是有惯性的，输出变化后，PV值不会马上变化，须等待一段时间才缓慢变化，因此积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配，惯性大、积分作用就应该弱，积分时间I就应该大些，反之而然。如果积分作用太强，积分输出变化过快，就会引起积分过头的现象，产生积分超调和振荡。通常I参数是由大往小调，即积分作用由小往大调，观察系统响应以能达到快速消除误差，达到给定值，又不引起振荡为准。,PID参数现场整定,D参数设置 前面已经分析过，不论比例调节作用，还是积分调节作用都是建立在产生误差后才进行调节以消除误差

14、，都是事后调节，因此这种调节对稳态来说是无差的，对动态来说肯定是有差的，因为对于负载变化或给定值变化所产生的扰动，必须等待产生误差以后，然后再来慢慢调节予以消除。 但一般的控制系统，不仅对稳定控制有要求，而且对动态指标也有要求，通常都要求负载变化或给定调整等引,PID参数现场整定,起扰动后，恢复到稳态的速度要快，因此光有比例和积分调节作用还不能完全满足要求，必须引入微分作用。比例作用和积分作用是事后调节(即发生误差后才进行调节)，而微分作用则是事前预防控制，即一发现PV有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出现过冲或超调等。 D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。

15、系统调试时通常把D从小往大调，具体参数由试验决定。 由于给定值调整或负载扰动引起PV变化，比例作用和微,PID参数现场整定,分作用一定等到PV值变化后才进行调节，并且误差小时，产生的比例和积分调节作用也小，纠正误差的能力也小，误差大时，产生的比例和积分作用才增大。因为是事后调节动态指标不会很理想。而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误差的趋势就开始调节，是提前控制，所以及时性更好，可以最大限度地减少动态误差，使整体效果更好。但微分作用只能作为比例和积分控制的一种补充，不能起主导作用，微分作用不能太强，太强也会引起系统不稳定，产生振荡，微分作用只能在P和I调好后再由小往大调，一点一点试着加上去。,PID参数现场整定,PID综合调试 比例作用，积分作用和微分作用的关系是：比例作用是主要调节作用，起主导作用。积分作用是辅助调节作用；微分作用是补偿作用。 在实际调试时可按以下步骤进行。 1、关掉积分作用和微分作用，先调P。将P由大往小调以达到能快速响应，又不产生振荡为好。并需结合量程进行定量估算。,PID参数现场整定,2、P调好后再调I，I由大往小调，以能快速响应，消除静差，又不产生超调为好，或有少量超调也可以。I应考虑与系统惯性时间常数相匹配。一般I值和惯性时间差不多。 3、P、I调好后，再调D。