比例积分微分控制及其调节过程省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章第二章 百分比积分微分控制及其调整过百分比积分微分控制及其调整过程程1第1页n 掌握调整器正反作用方式确实定掌握调整器正反作用方式确实定 n 掌握掌握PID调整动作规律和特点调整动作规律和特点 n了解了解PID控制规律选取标准控制规律选取标准;n了解积分饱和现象及防积分饱和办法了解积分饱和现象及防积分饱和办法 l 重点：重点：2第2页2.1 2.1 基本概念基本概念PID控制控制:百分比百分比(proportion),积分积分(integration),微分微分(differentiation)控制简称，是一个控制简称，是一个负反馈控制负反馈控制.PID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,而且应用最广泛一个控制器而且应用最广泛一个控制器.它它结构简单结构简单,参数轻易调整参数轻易调整,不一定需要系统确切数学模型不一定需要系统确切数学模型,所以在工业所以在工业各个领域中都有应用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.传统模拟传统模拟PID控制器是经过硬件控制器是经过硬件(电子元件电子元件,气动和液压元件气动和液压元件)来实现它功效来实现它功效.在电子电路中就能够经过将在电子电路中就能够经过将百分比电路，积分电路以及微分电路进行求和得到百分比电路，积分电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3第3页在在PID控制系统中控制系统中,百分比百分比,积分积分,微分三个步骤起着不一样作用微分三个步骤起着不一样作用:百分比步骤百分比步骤:对偏差瞬间作出快速反应对偏差瞬间作出快速反应.偏差一旦产生,控制器马上产生控制作用,使控制量向降低偏差方向改变.百分比控制作用强弱起决于百分比系数.积分步骤积分步骤:把偏差积累作为输出把偏差积累作为输出.在控制过程中,只要有偏差存在,积分步骤输出就会不停改变.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不变条件下趋于稳态PIDPID控制优点：控制优点：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，适合用于各种控制方式适应性强，广泛应用于各种生产部门，适合用于各种控制方式 鲁棒性强，其控制品质对被控对象特征改变不太敏感鲁棒性强，其控制品质对被控对象特征改变不太敏感4第4页微分步骤微分步骤：作用是阻止偏差改变作用是阻止偏差改变它是依据偏差改变趋势(改变速度)进行控制偏差改变得越快，微分步骤输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正PID控制中三个步骤分别是对偏差现在，过去和未来进行控制控制中三个步骤分别是对偏差现在，过去和未来进行控制它经过以不一样比重将百分比，积分和微分三个控制步骤叠加起来对被控对象进行控制，以满足不一样性能要求反馈控制系统组成：反馈控制系统组成：反馈控制系统是由各种结构不一样元部件组成，它包含：给定元件给定元件：给出与期望被控量相对应系统输入量 比较元件比较元件：把测量元件检测被控量实际值与给定元件给出输入值 进行比较，求出它们之间偏差惯用比较元件有：差动放大器，机械差动装置，电桥电路等5第5页 放大元件放大元件：将比较元件给出偏差信号进行放大，用来推进执行机构 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：直接推进被控对象，使其被控量发生改变，能够有阀，电动 机，液压马达等 校正元件校正元件：也叫赔偿元件，它是结构或参数便于调整元部件，用串联 或反馈方式连接在系统中，以改进系统性能自动化技术关键思想就是反馈自动化技术关键思想就是反馈,经过反馈建立起输入(原因)和输出(结果)联络.使控制器能够依据输入与输出实际情况来决定控制策略,方便到达预定系统功效.依据反馈在系统中作用与特点不一样能够分为正反馈(positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。正反馈和负反馈正反馈和负反馈6第6页负反馈负反馈：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.它主要是经过输入,输出之间差值作用于控制系统.这个差值就反应了要求输出和实际输出之间差异.控制器控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形成系统,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改变进行放大，从而能够使系统在一个稳定状态下工作。而且正反馈能够与负反馈配合使用，以使系统性能更优。不过正反馈总是起放大作用，这么就会使系统中作用越来越猛烈，最终会使系统损坏。所以普通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e仪表制造业中偏差：仪表制造业中偏差：e=ym-r7第7页正作用，反作用方式：正作用，反作用方式：为了适应不一样被控对象实现负反馈需要，工业调整器都设置有正，反作用开关，方便依据需要将调整器置于正作用或反作用方式正作用方式正作用方式：调整器输出信号伴随被调量y增大而增大，调整器增 益为:yu,增益为增益为+反作用方式反作用方式：调整器输出信号伴随被调量y增大而减小，调整器增 益为:yu,增益为增益为-Gc(s)Gp(s)reuy调整器被控过程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8第8页设置目标：确保控制系统成为负反馈。设置目标：确保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：各组成步骤增益之积开环总增益：各组成步骤增益之积步骤增益：当步骤输入增加时，其输出增加则为步骤增益：当步骤输入增加时，其输出增加则为+当步骤输入增加时，其输出减小则为当步骤输入增加时，其输出减小则为-9第9页常见步骤增益符号确实定常见步骤增益符号确实定增益增益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:调整量调整量,被调量被调量,K为正为正调整量调整量,被调量被调量,K为负为负3)检测步骤检测步骤:增益普通为正增益普通为正10第10页调整器正反作用方式选择方法调整器正反作用方式选择方法:1)加热过程加热过程条件：条件：u Q(热气热气)yy,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)yy,u,为正作用方式为正作用方式11第11页调整器正反作用也能够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步骤时，要组成负反馈，要求闭合回路上全部步骤要求闭合回路上全部步骤(包含调整器包含调整器运算部分在内运算部分在内)增益乘积为正数增益乘积为正数KcKvKpKmreuyym依据控制系统方框图确定调整器正反作用调整阀被控过程测量变送器Kc-调整器运算部分增益此处偏差为: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，所以负反馈要求Kc为正。KcKc为为负负号号:调整器调整器正正作用方式作用方式KcKc为为正正号号:调整器调整器反反作用方式作用方式12第12页3)加热过程加热过程调整阀被控过程KcKvKpKmreuyym依据控制系统方框图确定调整器正反作用测量变送器条件：条件：u Qy确保系统为负反馈条件确保系统为负反馈条件:Kv*Kp*Km*Kc为正为正+Kc为正号为正号调整器为反作用方式调整器为反作用方式13第13页4)冷却过程冷却过程条件：条件：u Q(冷气冷气)yKcKvKpKmreuyym-依据控制系统方框图确定调整器正反作用测量变送器确保系统为负反馈条件确保系统为负反馈条件:Kv*Kp*Km*Kc为正为正+-+-Kc为负号为负号调整器为正作用方式调整器为正作用方式14第14页正作用方式正作用方式:yu,调整器增益为调整器增益为“+”,Kc(调整器运算部分增益调整器运算部分增益)为为“-”反作用方式反作用方式:yu,调整器增益为调整器增益为“-”,Kc(调整器运算部分增益调整器运算部分增益)为为“+”原因原因:仪表业要求调整器运算部分偏差仪表业要求调整器运算部分偏差e与控制中相差一个与控制中相差一个负号负号15第15页2-2 百分比调整百分比调整(P调整）调整）一一 百分比调整动作规律，百分百分比调整动作规律，百分比带比带在百分比调整中,调整器输出信号u与偏差信号e成正比,即：Kc-百分比增益，能够取正数或者负数注意:u实际上是对其起始值u0增量.所以,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大小能够经过调整调整器工作点加以改变。增量形式增量形式:百分比带：百分比带：在过程控制中在过程控制中,习惯用增益倒数表示调整器输入与输出百分比关系：习惯用增益倒数表示调整器输入与输出百分比关系：16第16页其中其中称为百分比带称为百分比带，其意义为其意义为:假如输出假如输出u直接代表调整阀开度改变量直接代表调整阀开度改变量,那么那么就代表使调整阀开度改变就代表使调整阀开度改变100%,即从全关到全开时所需被调量改变即从全关到全开时所需被调量改变范围范围.只有当被调量处于这个范围之内,开度才与偏差成正比,超出这个百分比带之外,调整阀已经处于全关或全开状态,暂时失去控制作用.调整器百分比带调整器百分比带 习惯用它相当于被调量测量仪表量程百分数表示习惯用它相当于被调量测量仪表量程百分数表示,如如:若若测量仪表量程为测量仪表量程为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才能使调整才能使调整阀从全关到全开阀从全关到全开,也就是也就是:*量程量程百分比带也称百分比度或百分比范围百分比带也称百分比度或百分比范围,百分比带百分比带越小越小,调整器调整器放大倍数也就越大放大倍数也就越大,即调整器对输入偏差放大能力越强。即调整器对输入偏差放大能力越强。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第17页例例例例:某气动百分比温度控制器输入范围为某气动百分比温度控制器输入范围为某气动百分比温度控制器输入范围为某气动百分比温度控制器输入范围为5005005005001000100010001000,输出输出输出输出范围为范围为范围为范围为20202020100KPa100KPa100KPa100KPa，当控制器输入改变，当控制器输入改变，当控制器输入改变，当控制器输入改变200200200200时，其输出信时，其输出信时，其输出信时，其输出信号改变号改变号改变号改变40KPa40KPa40KPa40KPa，则该控制器百分比度为多少？，则该控制器百分比度为多少？，则该控制器百分比度为多少？，则该控制器百分比度为多少？解解:依据依据P P调整器输入调整器输入(x)x)输出输出(y)(y)测量数据，能够确定其百分比带大小测量数据，能够确定其百分比带大小 无单位无单位18第18页二二 百分比调整特点百分比调整特点 有差调整有差调整负荷负荷：物料流或能量流大小处于自动控制下被控过程在进入稳态后，流物料流或能量流大小处于自动控制下被控过程在进入稳态后，流入量和流出量之间总是到达平衡，所以，经常依据调整阀开度入量和流出量之间总是到达平衡，所以，经常依据调整阀开度(流入量流入量)来来衡量负荷大小衡量负荷大小假如采取百分比调整，则在负荷扰动下调整过程结束后，被调量不可能与假如采取百分比调整，则在负荷扰动下调整过程结束后，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e0.19第19页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整器取信号并送到调整器C,调整器调整器控制加热蒸汽调整阀开度以保持控制加热蒸汽调整阀开度以保持出口水温恒定出口水温恒定,加热器热负荷既加热器热负荷既决定于热水流量决定于热水流量Q也决定于热水也决定于热水温度温度。假定现在采取百分比调整器，假定现在采取百分比调整器，并将调整阀开度并将调整阀开度直接视为调整直接视为调整器输出。水温愈高，调整器应把器输出。水温愈高，调整器应把调整阀开得愈小。调整阀开得愈小。20第20页直线直线1：是是百分比调整器静百分比调整器静特征特征,即调整阀开度随水即调整阀开度随水温改变情况温改变情况.,斜率斜率曲线曲线2和和3：分别代表加热分别代表加热器在器在不一样热水流量下静不一样热水流量下静特征特征,他们表示加热器在没他们表示加热器在没有调整器控制时有调整器控制时,在不一样在不一样流量下稳态出口水温与调流量下稳态出口水温与调整阀开度之间关系整阀开度之间关系21第21页直线直线1与直线与直线2交点交点O：代表：代表在热水流量为在热水流量为Q0，在，在P调整调整下稳态运行点。此时出口水下稳态运行点。此时出口水温为温为0，调整阀开度为，调整阀开度为u0.若若热水流量减小为热水流量减小为Q1，则，则调整过程结束后，新稳态点调整过程结束后，新稳态点将是直线将是直线1与与3交点交点A。P调整下残差为调整下残差为:A-0无调整下无调整下:B-0结论：结论：P P调整是有差调整调整是有差调整22第22页残差计算残差计算:残残差差eKcKvKpKmreuyym调整阀被控过程测量变送器调整器23第23页三三 百分比带对于调整过程影响百分比带对于调整过程影响百分比调整残差随百分比带加大而增大百分比调整残差随百分比带加大而增大.从这首先考虑从这首先考虑,希望希望尽可能减小百分比带然而，减小百分比带就等于加大调整尽可能减小百分比带然而，减小百分比带就等于加大调整系统开环增益，其后果是造成系统激烈振荡甚至不稳定稳系统开环增益，其后果是造成系统激烈振荡甚至不稳定稳定性是任何闭环控制系统首要要求，百分比带设置必须确保定性是任何闭环控制系统首要要求，百分比带设置必须确保系统含有一定稳定裕度，然后再考虑使用其它方法减小残差系统含有一定稳定裕度，然后再考虑使用其它方法减小残差24第24页 对调整过程影响：对调整过程影响：增大增大,则百分比系数减小则百分比系数减小,由百分比调整器输出由百分比调整器输出u=Kc*e,则调则调整阀动作幅度减小整阀动作幅度减小.所以被调量改变比较平稳所以被调量改变比较平稳,甚至能够没有甚至能够没有超调超调,但残差大但残差大,调整迟缓调整迟缓,调整时间长调整时间长减小减小,则百分比系数增大则百分比系数增大,调整阀动作幅度增大调整阀动作幅度增大,引发被调量引发被调量往返波动往返波动,但系统仍可能是稳定但系统仍可能是稳定,残差对应减小残差对应减小.含有一个临含有一个临界值界值,此时系统处于稳定边界情况此时系统处于稳定边界情况,深入减小深入减小系统就不稳定了系统就不稳定了因为百分比调整只有一个简单百分比步骤因为百分比调整只有一个简单百分比步骤,所以所以cr大小只取大小只取决于被控对象动态特征决于被控对象动态特征.依据奈奎斯特稳定准则依据奈奎斯特稳定准则,在稳定边界上在稳定边界上有：有：Kcr为广义被控对象在为广义被控对象在临界频率下增益临界频率下增益25第25页对于百分比调整过程影响对于百分比调整过程影响26第26页Kc对控制系统性能影响（减小）减小）27第27页百分比调整特点百分比调整特点越大越大:过渡过程越平稳过渡过程越平稳,残差大残差大,稳定性稳定性,调整时间调整时间.减小减小:振荡加剧振荡加剧,稳定性稳定性,残差小残差小减到某一数值时减到某一数值时,出现等幅振荡出现等幅振荡,此时称为临界百分比此时称为临界百分比度度(1)百分比调整输出增量与输入增量呈一一对应百分比关百分比调整输出增量与输入增量呈一一对应百分比关 系系.即即:u=Kc*e(2)百分比调整反应速度快百分比调整反应速度快,输出与输入同时输出与输入同时,没有时间滞没有时间滞后后,其动态特征好。其动态特征好。(3)百分比调整结果不能使被调参数完全回到给定值百分比调整结果不能使被调参数完全回到给定值,而产而产生静差生静差.28第28页四四 百分比带选择标准百分比带选择标准若对象较稳定若对象较稳定(对象静态放大系数较小对象静态放大系数较小,时间常数不太小时间常数不太小,滞滞后较小后较小)则百分比带可选小些则百分比带可选小些,这么能够提升系统灵敏度这么能够提升系统灵敏度,使反使反应速度加紧一些应速度加紧一些;相反相反,若对象放大系数较大若对象放大系数较大,时间常数较小时间常数较小,滞后时间较大滞后时间较大,则应该将百分比带可选大一些则应该将百分比带可选大一些,以提升系统稳定性以提升系统稳定性.百分比带选取百分比带选取,普通情况下普通情况下,百分比带范围大致以下百分比带范围大致以下:压力调整压力调整:3070%流量调整流量调整:40100%液位调整液位调整:2080%温度调整温度调整:2060%29第29页2-3 2-3 积分调整积分调整(I(I调整调整)一一 积分调整动作规律积分调整动作规律在积分调整中在积分调整中,调整器输出信号改变速度调整器输出信号改变速度du/dt与偏差信号与偏差信号e成正比成正比,即：即：或式中式中S0称为积分速度，可视情况取正值或负值此时，调整器输出与偏称为积分速度，可视情况取正值或负值此时，调整器输出与偏差信号积分成正比差信号积分成正比30第30页举例：举例：举例：举例：自力式气压调整阀原理自力式气压调整阀原理自力式气压调整阀原理自力式气压调整阀原理管道压力管道压力P是被调量是被调量,它经过针它经过针形阀形阀R与调整阀膜头上部空腔与调整阀膜头上部空腔相通相通,而膜头下部空腔则与大而膜头下部空腔则与大气相通气相通.重锤重锤w重力使上部空重力使上部空腔产生一恒定压力腔产生一恒定压力Po.Po就是就是被调量设定值被调量设定值;它能够经过改它能够经过改变杠杆比变杠杆比L1/L2 或重锤或重锤W加以加以调整。调整。当当PPo时，没有气流经过针形阀时，没有气流经过针形阀R，所以膜片以及与它连接在一起阀，所以膜片以及与它连接在一起阀杆静止不动。杆静止不动。当当PPo时，膜片带动阀杆上下移动，阀杆移动速度与偏差成正比时，膜片带动阀杆上下移动，阀杆移动速度与偏差成正比.改变改变针形阀开度就可改变积分速度大小。针形阀开度就可改变积分速度大小。31第31页被调量被调量:p 流过针形阀流量为流过针形阀流量为q=Re则流动总气量为则流动总气量为:偏差偏差:e=p0-p32第32页二二 积分作用特点积分作用特点-无差调整无差调整 由积分调整输出与偏差关系可知由积分调整输出与偏差关系可知,只有当被调量偏差只有当被调量偏差e为为时时,积分调整器输出才会保持不变积分调整器输出才会保持不变.而且而且,调整器输出能够停调整器输出能够停在任何数值上在任何数值上.这意味着被控对象在负荷扰动下调整过程结这意味着被控对象在负荷扰动下调整过程结束后束后,被调量没有残差被调量没有残差,调整阀则能够停在新负荷所要求开调整阀则能够停在新负荷所要求开度上度上.积分调整控制系统调整阀开度与当初被调量数值本身没有积分调整控制系统调整阀开度与当初被调量数值本身没有直接关系直接关系,所以积分调整也称为浮动调整所以积分调整也称为浮动调整积分调整另一个特点是它稳定作用比百分比调整差积分调整另一个特点是它稳定作用比百分比调整差.1)无差调整无差调整2)稳定作用比稳定作用比P P调整差调整差33第33页S0/sKvKp/sKmreuyym调整阀被控过程测量变送器积分调整残差计算积分调整残差计算非自衡过程非自衡过程e=r-ym=0e=r-ym=034第34页三积分速度对于调整过程影响三积分速度对于调整过程影响 增大积分速度将会降低控制系统稳定程度，直到最终出现增大积分速度将会降低控制系统稳定程度，直到最终出现发散振荡过程发散振荡过程 因为因为S0越大越大,调整阀动作愈快调整阀动作愈快(由由du/dt=S0e可知可知).越轻易越轻易引发和加剧振荡引发和加剧振荡.同时同时,振荡频率越来越高振荡频率越来越高,而最大动态偏而最大动态偏差越来越小，被调量最终无残差差越来越小，被调量最终无残差35第35页Ti对控制系统性能影响1/TiS036第36页P与与I调整过程比较调整过程比较对于同一被控对象对于同一被控对象,若分别采若分别采取取P调整和调整和I调整调整,并调整到相并调整到相同衰减率同衰减率0.75,则它们在则它们在负荷扰动下调整过程如右图负荷扰动下调整过程如右图所表示所表示 百分比调整调整时间短，稳定作用好百分比调整调整时间短，稳定作用好 百分比调整超调量小百分比调整超调量小 百分比调整带有残差，而积分调整无残差百分比调整带有残差，而积分调整无残差 百分比调整响应曲线振荡频率比积分调整大百分比调整响应曲线振荡频率比积分调整大P调整与调整与I调整过程比较调整过程比较37第37页积分调整能够克服百分比调整不能消除静态误差积分调整能够克服百分比调整不能消除静态误差,积分调整器积分调整器输出不但取决于偏差大小输出不但取决于偏差大小,还取决于偏差存在时间还取决于偏差存在时间,不论负荷不论负荷怎样改变怎样改变,它都能把偏差完全赔偿它都能把偏差完全赔偿单独积分调整实际中极少单独积分调整实际中极少,因为它调整作用随时间积累逐步加因为它调整作用随时间积累逐步加强强,所以调整动作慢所以调整动作慢,过渡时间长过渡时间长,且使动态偏差增加且使动态偏差增加.积分调积分调整器经常作为一个辅助调整使用整器经常作为一个辅助调整使用,以发挥它消除残差特点以发挥它消除残差特点.38第38页2.4 百分比积分调整百分比积分调整 (PI调整调整)一一 百分比积分调整动作规律百分比积分调整动作规律PI调整就是综合调整就是综合P,I两种调整优点两种调整优点,利用利用P调整快速抵消干扰调整快速抵消干扰,同时利用同时利用I调整调整消除残差消除残差.其调整规律为其调整规律为:Kc-百分比系数百分比系数S0-积分速度积分速度-百分比带百分比带TI-积分时间积分时间TI衡量积分步骤在总输出中所占比重衡量积分步骤在总输出中所占比重.TI,积分步骤所占百分比积分步骤所占百分比;TI,所占所占百分比百分比39第39页PI调整器阶跃响应调整器阶跃响应,由百分比由百分比动作和积分动作两部分组成动作和积分动作两部分组成调整过程：调整过程：在施加阶跃输入瞬间在施加阶跃输入瞬间,调整器立调整器立 即输出一个幅值为即输出一个幅值为e/e/阶跃阶跃,然然后以固定速度后以固定速度e/e/(T TI I)改变改变.当当t=TI时时,调整器总输出为调整器总输出为:2e/由由e=e为常常数数，则：当t=TI时40第40页二二 百分比积分调整过百分比积分调整过程程例例:热水加热器热水热水加热器热水流量阶跃减小后调流量阶跃减小后调整情况整情况,它显示了各它显示了各个量之间关系个量之间关系.热水流量热水流量Q:出口水流量出口水流量,发生阶跃扰动发生阶跃扰动出口水温出口水温:被调量被调量,最初最初稳定在稳定在0百分比调整百分比调整 p p:它与它与曲曲线成镜面对称线成镜面对称,只是幅值只是幅值不一样不一样41第41页积分部分积分部分I:曲线积分曲线曲线积分曲线热水带走热量热水带走热量Qh2:Qh2=C*mT=CQt(-i),它主要取决于水流量和出口它主要取决于水流量和出口水温水温,在水流量阶跃改变后在水流量阶跃改变后,水流量为定值，则水流量为定值，则Qh2与与成正比成正比.Qh1和和Qh2又反过来决定水温又反过来决定水温改变过程改变过程.即即:Qh1Qh2,则水温则水温升高升高,Qh1=Qh2,则水温则水温不变不变 Qh10,调整器输出逐调整器输出逐步增大步增大,直到直到0.14MPa(极限极限值值,深度饱和）深度饱和）t1t2:e0,水温低于设定水温低于设定值值,上升上升,调整器保持不变调整器保持不变t2t3:e0,输出减小输出减小,但但输出气压大于输出气压大于0.1MPa,阀阀门全开门全开,慢慢退出饱和慢慢退出饱和tt3:阀门关小。阀门关小。设定值设定值调整器输出调整器输出调整阀开度调整阀开度后果后果:引发水温大大超出设定引发水温大大超出设定值值,控制品质变坏。控制品质变坏。48第48页2.预防积分饱和办法预防积分饱和办法为防止产生积分饱和现象为防止产生积分饱和现象,通常采取通常采取积分分离法积分分离法,过限消弱法过限消弱法,输出限幅法输出限幅法.引入积分步骤控制器引入积分步骤控制器,很轻易产生积分饱和现象很轻易产生积分饱和现象.比如在电机开比如在电机开启启,停车或大幅度增减设定值时停车或大幅度增减设定值时,短时间内系统输出很大偏差短时间内系统输出很大偏差,会使会使PID运算积分积累很大运算积分积累很大,引发输出控制量很大引发输出控制量很大,这一控制很这一控制很轻易超出执行机构极限控制量轻易超出执行机构极限控制量,从而引发强烈积分饱和效应从而引发强烈积分饱和效应.另另外对于拖延时间大系统外对于拖延时间大系统,也轻易产生积分饱和现象也轻易产生积分饱和现象49第49页1)积分分离法积分分离法积分分离法思绪是积分分离法思绪是:当被控量与给定值偏差较大时，去掉积分，以防止积当被控量与给定值偏差较大时，去掉积分，以防止积分饱和效应产生；当被控量与给定值比较靠近时分饱和效应产生；当被控量与给定值比较靠近时,重新引入积分重新引入积分,发挥积分发挥积分作用，消除静态误差，从而既确保了控制精度又防止了振荡产生详细实作用，消除静态误差，从而既确保了控制精度又防止了振荡产生详细实现方法为：现方法为：改进方法改进方法:|e|X时，采取时，采取P控制；控制；|e|X时，采取时，采取PI控制。控制。(X-依据实际情况人为确依据实际情况人为确定定)改进算法改进算法:50第50页2)遇限减弱积分法遇限减弱积分法改进原因改进原因:因为长久存在偏差或偏差较大因为长久存在偏差或偏差较大,计算机控制量有可能超出允许计算机控制量有可能超出允许上、下限上、下限,如执行机构对应到达极限位置如执行机构对应到达极限位置,此时必须执行减弱此时必须执行减弱或取消积分运算或取消积分运算,以预防积分饱和以预防积分饱和.改进方法改进方法:当控制量进入饱和区后当控制量进入饱和区后,只执行减弱积分项累加只执行减弱积分项累加,而不进行增而不进行增大积分项累加。大积分项累加。改进算式改进算式:若若u(k-1)umax且且e(k)0，不进行积分累加；，不进行积分累加；若若e(k)0，进行积分累加；进行积分累加；51第51页3)输出限幅法输出限幅法 位置限幅位置限幅当当uumax 时时 u=umax 当当u umax时时,u=umax要求每次增量在一定程度之内要求每次增量在一定程度之内52第52页2.5 百分比积分微分调整百分比积分微分调整(PID调整调整)一一 微分调整特点微分调整特点因为被调量改变速度因为被调量改变速度(包含其大小和方向包含其大小和方向)能够反应当初或稍前一些时间流能够反应当初或稍前一些时间流入、流出量间不平衡情况，所以，假如调整器能够依据被调量改变速度来入、流出量间不平衡情况，所以，假如调整器能够依据被调量改变速度来对阀进行调整对阀进行调整,而不是等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作而不是等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作,那么调那么调整效果将会更加好，等于赋予调整器以某种程度预见性，这种调整动作称整效果将会更加好，等于赋予调整器以某种程度预见性，这种调整动作称为为微分调整微分调整此时调整器输出与被调量或其偏差对时间导数成正比，即：此时调整器输出与被调量或其偏差对时间导数成正比，即：微分调整只能起辅助作用微分调整只能起辅助作用,它能够与其它调整动作结合成它能够与其它调整动作结合成PD和和PID调整动作调整动作u-输出控制量输出控制量S2-微分时间微分时间 de/dt-偏差改变速度偏差改变速度53第53页二百分比微分调整规律二百分比微分调整规律PD调整器动作规律是调整器动作规律是或TD微分时间PD调整器传递函数为调整器传递函数为但严格按照上式动作控制器在物理上是不能实现但严格按照上式动作控制器在物理上是不能实现(?).工业上实际采取工业上实际采取PD调整器传递函数是：调整器传递函数是：式中式中KD为微分增益为微分增益,5，1054第54页PD调整单位阶跃响应为调整单位阶跃响应为解析解析:输入偏差突变时输入偏差突变时,微分作用很强微分作用很强,控制器控制器输出突跳输出突跳,出现一个峰出现一个峰值值.随即随即,因为偏差不改因为偏差不改变变,输出按指数规律下输出按指数规律下降降,直至直至1/,即只有百即只有百分比作用。分比作用。微分时间微分时间TD越大越大,微分作用越微分作用越强强,即超前时间越大即超前时间越大.55第55页依据依据PD调整斜坡响应也能够单调整斜坡响应也能够单独测定它微分时间独测定它微分时间T TD D.其斜坡其斜坡响应曲线为响应曲线为微分动作引入使输出改变提前微分动作引入使输出改变提前了一段时间发生了一段时间发生,提前时间就提前时间就是微分时间是微分时间TD.PD调整斜坡响应调整斜坡响应PDPD调整器斜坡响应调整器斜坡响应56第56页百分比调整百分比调整,理想理想PD调整和工业调整和工业PD调整斜坡响应曲线调整斜坡响应曲线=0.5;Td=2;Kd=2;1)P调整调整:Gc(s)=1/2)理想理想PD调整调整:3)工业工业PD调整调整:提前时间提前时间:2和和1TD=Td 提前时间提前时间:3和和1 TD=Td*(1-1/Kd)57第57页1 P调整调整3 工业工业PD调整调整2 理想理想PD调整调整=0.5;Td=2;Kd=2;58第58页PD调整阶跃响应曲线微分增益KD改变情况59第59页三三 百分比微分调整特点百分比微分调整特点在稳态下在稳态下,de/dt=0,PD调整器微分部分输出为零调整器微分部分输出为零,所以所以PD调整也是调整也是有差调整有差调整.与与P调整相同调整相同微分调整动作总是力图抑制被调量振荡微分调整动作总是力图抑制被调量振荡,它有它有提升控制提升控制系统稳定性系统稳定性作用作用.适度引入微分动作能够允许稍微减小百适度引入微分动作能够允许稍微减小百分比带分比带,同时保持衰减率不变同时保持衰减率不变60第60页(1)微分作用微分作用强弱要适当强弱要适当微分作用太弱微分作用太弱,即即TD太小太小,调整作用不显著调整作用不显著,控制质量改控制质量改进不大进不大.微分作用太强微分作用太强,即即TD太大太大,调整作用过强调整作用过强,引发被调量大引发被调量大幅度振荡幅度振荡,稳定性下降。稳定性下降。(2)微分调整动作微分调整动作对于纯拖延过程是无效对于纯拖延过程是无效。(3)PD调整器调整器抗干扰能力很差抗干扰能力很差,只能应用于被调量改变非只能应用于被调量改变非常平稳过程常平稳过程,普通不用于流量和液位控制系统普通不用于流量和液位控制系统.使用微分作用时使用微分作用时,要注意以下几点要注意以下几点61第61页PD控制系统不一样微分时间响应过程控制系统不一样微分时间响应过程PD控制系统不一样微分时间响应过程控制系统不一样微分时间响应过程62第62页四百分比积分微分调整规律四百分比积分微分调整规律PID调整器动作规律是：调整器动作规律是：或-百分比带百分比带 TI-积分时间积分时间TD-微分时微分时间间理想理想PID调整器传递函数为调整器传递函数为：实际实际PID控制器传递函数为：控制器传递函数为：63第63页工业工业PID调整器单位阶跃响应调整器单位阶跃响应工业工业PID调整器单位阶跃输入响应调整器单位阶跃输入响应解析：解析：百分比作用一直起作用百分比作用一直起作用微分作用在偏差出现一开始微分作用在偏差出现一开始有很大输出，含有超前作用，有很大输出，含有超前作用，然后逐步消失然后逐步消失积分作用开始时不显著，伴积分作用开始时不显著，伴随时间推移，其作用逐步增大，随时间推移，其作用逐步增大，起主要控制作用，直到余差消起主要控制作用，直到余差消失为止。失为止。64第64页在在在在PIDPID控制中控制中控制中控制中:越小越小越小越小(KC(KC越大越大越大越大),),百分比作用越强百分比作用越强百分比作用越强百分比作用越强;TITI越小越小越小越小,积分作用越强积分作用越强积分作用越强积分作用越强;TDTD越大越大越大越大,微分作用越强微分作用越强微分作用越强微分作用越强;TDTD0,0,则为则为则为则为PIPI控制控制控制控制;TITI,则为则为则为则为PDPD控制控制控制控制.65第65页在控制系统设计中在控制系统设计中,选择哪些控制器选择哪些控制器,需要综合考虑各种原因才需要综合考虑各种原因才能取得合理处理能取得合理处理.通常通常,选择调整器动作规律时应依据对象特征选择调整器动作规律时应依据对象特征,负荷改变负荷改变,主要扰动和系统控制要求详细情况主要扰动和系统控制要求详细情况,同时还应考虑系同时还应考虑系统经济性以及系统投入方便等统经济性以及系统投入方便等 广义对象控制通道时间常数较大或容积拖延较大时广义对象控制通道时间常数较大或容积拖延较大时,应引入应引入微分动作微分动作.如工艺允许有残差如工艺允许有残差,可选取百分比微分动作可选取百分比微分动作;如工如工艺要求无残差则选取百分比积分微分动作艺要求无残差则选取百分比积分微分动作 当广义对象控制通道时间常数较小当广义对象控制通道时间常数较小,负荷改变不大负荷改变不大,而工而工艺要求无残差时艺要求无残差时,可选择百分比积分动作可选择百分比积分动作.如管道压力和流量如管道压力和流量控制控制.调整规律选择调整规律选择 广义对象控制通道时间常数较小广义对象控制通道时间常数较小,负荷改变较小负荷改变较小,工艺要求工艺要求不高时不高时,可选择百分比动作可选择百分比动作,如液位控制如液位控制.66第66页 当广义对象控制通道时间常数或容积拖延很大当广义对象控制通道时间常数或容积拖延很大,负荷改变也负荷改变也很大时很大时,简单控制系统已不能满足要求简单控制系统已不能满足要求,应设计复杂控制系统应设计复杂控制系统 假如被控对象传递函数为假如被控对象传递函数为控比控比/T选择调整器动作规律：选择调整器动作规律：则可依据对象可则可依据对象可/T0/T0.2-2-选择百分比或百分比积分动作选择百分比或百分比积分动作0 0.221/T1.0-0-采取简单控制系统不能满足控制要求采取简单控制系统不能满足控制要求,应应选取复杂控制系统选取复杂控制系统,如串级如串级,前馈控制等前馈控制等.越大越大,则过程越靠近纯拖延过程则过程越靠近纯拖延过程,因而该过因而该过程就属难控过程程就属难控过程.67第67页68第68页五五 PID PID调整器控制系统稳态误差调整器控制系统稳态误差稳态偏差传递函数为：稳态偏差传递函数为：其稳态值为：Gc(s)G(s)H(s)R(s)(s)Y(s)控制器被控对象普通情况下H为常数，则稳态误差为：1)输入引发误差输入引发误差69第69页被控对象为一阶惯性步骤，输入为阶跃输入并采取不一样调整被控对象为一阶惯性步骤，输入为阶跃输入并采取不一样调整器时稳态误差情况器时稳态误差情况(输入引发误差输入引发误差)控制步骤稳态偏差稳态偏差ss稳态误差稳态误差ess P R/(KH)R/(KH2)PI 0 0 PID 0 0输入引发误差表输入引发误差表70第70页2)干扰引发误差干扰引发误差Y(s)Gc(s)G(s)H(s)R(s)(s)控制器被控对象N(s)干扰干扰N(s)=N/s,则则控制步骤稳态偏差稳态偏差ss稳态误差稳态误差ess P -N -N/H PI 0 0 PID 0 0干扰引发误差表71第71页控制器参数对被控对象影响控制器参数对被控对象影响KC衰减率衰减率 稳态误差稳态误差e essss超调量超调量 振荡频率振荡频率TIS S0 0衰减率衰减率 稳态误差稳态误差e essss=0=0超调量超调量 振荡频率振荡频率 TDS S2 2衰减率衰减率 稳态误差稳态误差e ess ss 超调量超调量 振荡频率振荡频率 72第72页2.