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1、 第二章第二章 比例积分微分控制及其调节过程比例积分微分控制及其调节过程17:20过程控制2n 掌握调节器的正反作用方式的确定掌握调节器的正反作用方式的确定 n 掌握掌握PID调节的动作规律和特点调节的动作规律和特点 n了解了解PID控制规律的选取原则控制规律的选取原则;n了解积分饱和现象及防积分饱和措施了解积分饱和现象及防积分饱和措施 l 重点：重点：17:20过程控制32.1 2.1 基本概念基本概念PID控制控制:比例比例(proportion),积分积分(integration),微分微分(differentiation)控控制的简称，是一种制的简称，是一种负反馈控制负反馈控制.PID
2、控制器是控制系统中技术比较成熟控制器是控制系统中技术比较成熟,而且应用最广泛的一种控制器而且应用最广泛的一种控制器.它的结构简单它的结构简单,参数容易调整参数容易调整,不一定需要系统确切的数学模型不一定需要系统确切的数学模型,因此在因此在工业的各个领域中都有应用工业的各个领域中都有应用.PID控制器最先出现在模拟控制系统中控制器最先出现在模拟控制系统中.传统的模拟传统的模拟PID控制器是通过硬控制器是通过硬件件(电子元件电子元件,气动和液压元件气动和液压元件)来实现它的功能来实现它的功能.在电子电路中就可以通在电子电路中就可以通过将比例电路，积分电路以及微分电路进行求和得到过将比例电路，积分电
3、路以及微分电路进行求和得到PID控制电路控制电路模拟模拟PID控制系统原理图控制系统原理图17:20过程控制4在在PID控制系统中控制系统中,比例比例,积分积分,微分三个环节起着不同的作用微分三个环节起着不同的作用:比例环节比例环节:对偏差瞬间作出快速反映对偏差瞬间作出快速反映.偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,使控制量向减少偏差的方向变化.比例控制作用的强弱起决于比例系数.积分环节积分环节:把偏差的积累作为输出把偏差的积累作为输出.在控制过程中,只要有偏差存在,积分环节的输出就会不断变化.直到偏差e(t)=0,输出量u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值r不变的条件下趋于稳态PID
4、PID控制的优点：控制的优点：原理简单，使用方便原理简单，使用方便 适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式 鲁棒性强，其控制品质对被控对象的特性的变化不太敏感鲁棒性强，其控制品质对被控对象的特性的变化不太敏感17:20过程控制5微分环节微分环节：作用是阻止偏差的变化作用是阻止偏差的变化它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制的偏差变化得越快，微分环节的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正PID控制中三个环节分别是对偏差的现在，过去和将来进行控制控制中三个环节分别是对偏差的现在，过去和将来进行控制它通过以不同的比重将比例，积
5、分和微分三个控制环节叠加起来对被控对象进行控制，以满足不同的性能要求反馈控制系统的组成：反馈控制系统的组成：反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成，它包括：给定元件给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量 比较元件比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入值 进行比较，求出它们之间的偏差常用的比较元件有：差动放大器，机械差动装置，电桥电路等17:20过程控制6 放大元件放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行机构 去控制被控对象对于电压偏差信号，可用晶体管，集成电路，晶闸 管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大 执行元件执行元件：直接推动被控对象，使其
6、被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达等 校正元件校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联 或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能自动化技术的核心思想就是反馈自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果)的联系.使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便达到预定的系统功能.根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反馈(positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。正反馈和负反馈正反馈和负反馈17:20过程控制7负反馈负反馈：引入负反馈后使净输入量变小引入负反馈后使净输入量变小.它主要
7、是通过输入,输出之间的差值作用于控制系统.这个差值就反映了要求的输出和实际的输出之间的差别.控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形成的系统,控制精度高,系统运行稳定.正反馈正反馈：引入正反馈后使净输入量变大引入正反馈后使净输入量变大在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。但是正反馈总是起放大作用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后会使系统损坏。所以一般正反馈都与负反馈配合使用 y控制器控制器检测单元检测单元rym负反馈负反馈e控制器控制器检测单元检测单元+ryym正反馈正反馈
8、e仪表制造业中偏差：仪表制造业中偏差：e=ym-r17:20过程控制8正作用，反作用方式：正作用，反作用方式：为了适应不同被控对象实现负反馈的需要，工业调节器都设置有正，反作用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式正作用方式正作用方式：调节器的输出信号随着被调量y的增大而增大，调节器增 益为:yu,增益为增益为+反作用方式反作用方式：调节器的输出信号随着被调量y的增大而减小，调节器增 益为:yu,增益为增益为-Gc(s)Gp(s)reuy调节器被控过程Gd(s)D生成过程简单控制系统方框图生成过程简单控制系统方框图17:20过程控制9设置的目的：保证控制系统成为负反馈。设置的目的：保
9、证控制系统成为负反馈。负反馈准则：控制系统开环总增益为正负反馈准则：控制系统开环总增益为正开环总增益：各组成环节的增益之积开环总增益：各组成环节的增益之积环节的增益：当环节输入增加时，其输出增加则为环节的增益：当环节输入增加时，其输出增加则为+当环节输入增加时，其输出减小则为当环节输入增加时，其输出减小则为-17:20过程控制10常见环节的增益的符号的确定常见环节的增益的符号的确定yKx增益增益K为输出输入增量之比为输出输入增量之比:1)控制阀控制阀:气开式气开式:K为正为正 (常关式常关式)气关式气关式:K为负为负 (常开式常开式)2)被控对象被控对象:调节量调节量,被调量被调量,K为正为正
10、调节量调节量,被调量被调量,K为负为负3)检测环节检测环节:增益一般为正增益一般为正17:20过程控制11调节器正反作用方式的选择方法调节器正反作用方式的选择方法:1)加热过程加热过程条件：条件：u Q(热气热气)y()()uQyeyryuQy不能达到平衡可以达到平衡y,u,为反作用方式为反作用方式2)冷却过程冷却过程条件：条件：u Q(冷气冷气)y()()uQyeyryuQy 可以达到平衡不能达到平衡y,u,为正作用方式为正作用方式17:20过程控制12调节器的正反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定当控制系统包含多个串联环节时，要组成负反馈，要求闭合回路上所有环节要求闭合回路上所有环节(
11、包括调节包括调节器的运算部分在内器的运算部分在内)的增益的乘积为正数的增益的乘积为正数KcKvKpKmreuyym根据控制系统方框图确定调节器正反作用调节阀被控过程测量变送器Kc-调节器运算部分的增益此处的偏差为:e=r-ym,与仪表制造业中相差一个符号在上图中，Kv,K,Km都是正数，因此负反馈要求Kc为正。KcKc为为负负号号:调节器调节器正正作用方式作用方式KcKc为为正正号号:调节器调节器反反作用方式作用方式17:20过程控制133)加热过程加热过程调节阀被控过程KcKvKpKmreuyym根据控制系统方框图确定调节器正反作用测量变送器条件：条件：u Qy保证系统为负反馈的条件保证系统
12、为负反馈的条件:Kv*Kp*Km*Kc为正为正+Kc为正号为正号调节器为反作用方式调节器为反作用方式17:20过程控制144)冷却过程冷却过程条件：条件：u Q(冷气冷气)yKcKvKpKmreuyym-根据控制系统方框图确定调节器正反作用测量变送器保证系统为负反馈的条件保证系统为负反馈的条件:Kv*Kp*Km*Kc为正为正+-+-Kc为负号为负号调节器为正作用方式调节器为正作用方式17:20过程控制15正作用方式正作用方式:yu,调节器增益为调节器增益为“+”,Kc(调节器运算部分增益调节器运算部分增益)为为“-”反作用方式反作用方式:yu,调节器增益为调节器增益为“-”,Kc(调节器运算部
13、分增益调节器运算部分增益)为为“+”原因原因:仪表业规定调节器运算部分偏差仪表业规定调节器运算部分偏差e与控制中相差一个与控制中相差一个负号负号17:20过程控制162-2 比例调节比例调节(P调节）调节）一一 比例调节动作规律，比例带比例调节动作规律，比例带在比例调节中,调节器的输出信号u与偏差信号e成正比,即：cuK e 0()uKc-比例增益，可以取正数或者负数注意:u实际上是对其起始值u0的增量.因此,当偏差e=0 因而u=0时，并不意味着无输出，只是说明此时u=u0,u0的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。增量形式增量形式:比例带：比例带：在过程控制中在过程控制中,习惯用增益的
14、倒数表示调节器输入与输出的比例关系：习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出的比例关系：1uecuK e17:20过程控制171100%cK其中其中称为比例带称为比例带，其意义为其意义为:如果输出如果输出u直接代表调节阀开度的变化量直接代表调节阀开度的变化量,那那么么就代表使调节阀开度改变就代表使调节阀开度改变100%,即从全关到全开时所需的被调量的变即从全关到全开时所需的被调量的变化范围化范围.只有当被调量处于这个范围之内,开度才与偏差成正比,超出这个比例带之外,调节阀已经处于全关或全开的状态,暂时失去控制作用.调节器的比例带调节器的比例带 习惯用它相当于被调量测量仪表的量程的百分数表示习惯用它
15、相当于被调量测量仪表的量程的百分数表示,如如:若测量仪表量程为若测量仪表量程为100100,则则50%就表示被调量需要改变就表示被调量需要改变50才能使调才能使调节阀从全关到全开节阀从全关到全开,也就是也就是:*量程量程比例带也称比例度或比例范围比例带也称比例度或比例范围,比例带比例带越小越小,调节器的放大倍数调节器的放大倍数也就越大也就越大,即调节器对输入偏差放大的能力越强。即调节器对输入偏差放大的能力越强。0100%100%0阀开度阀开度被调量被调量阀开度阀开度被调量被调量17:20过程控制18解解:maxminmaxmin/()100%/()200/(1000500)80%40/(100
16、20)xxxyyy根据根据P P调节器输入调节器输入(x)x)输出输出(y)y)测量数据，可以确定其比例带的大小测量数据，可以确定其比例带的大小yccxyK xKxy maxminmaxmin/()100%/()xxxyyy 无单位无单位17:20过程控制19二二 比例调节的特点比例调节的特点 有差调节有差调节负荷负荷：物料流或能量流的大小处于自动控制下的被控过程在进入稳态后，物料流或能量流的大小处于自动控制下的被控过程在进入稳态后，流入量和流出量之间总是达到平衡，因此，常常根据调节阀的开度流入量和流出量之间总是达到平衡，因此，常常根据调节阀的开度(流入流入量量)来衡量负荷的大小来衡量负荷的大小如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，也就是设定值准确相等，它们之间一定有残差，也就是e0.17:20过程控制20加热器出口水温控制系统加热器出口水温控制系统原理原理:热水温度热水温度是由传感器是由传感器T获获取信号并送到调节器取信号并送到调节器C的的,调节调节器控制加热
