《過程控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

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1、第四章 PID調(diào)節(jié)原理,PID控制概述 P、PI、PD、PID,4.1 PID控制概述,PID Propotional-Intigrate-Differential 比例積分微分控制 一 優(yōu)點： 1、原理簡單，使用方便 2、適應(yīng)性強，適應(yīng)于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等生產(chǎn)部門 3、魯棒性強。,二、PID調(diào)節(jié)器正反作用,PID控制是一種負反饋控制。 閉環(huán)控制兩種控制情況： 負反饋：緩解對象出現(xiàn)的不平衡 正反饋：加劇被控對象的不平衡 工業(yè)過程控制中的定值控制，要求閉環(huán)控制實現(xiàn)的是負反饋。 PID調(diào)節(jié)器的正反作用 調(diào)節(jié)器正作用：指調(diào)節(jié)器的輸出信號u隨著被調(diào)量y的增大而增大 調(diào)節(jié)器反作用：

2、指調(diào)節(jié)器的輸出信號u隨著被調(diào)量y的增大而減小,PID調(diào)節(jié)器的正反作用,加熱器 控制器選用：反作用 冷卻器 控制器選用：正作用,PID調(diào)節(jié)器正反作用的選擇,根據(jù)控制系統(tǒng)方框圖確定調(diào)節(jié)器正反作用 圖中，Kc是調(diào)節(jié)器、Kv是調(diào)節(jié)閥，K是被控對象、Km是測量變送器件。 被控對象的正反作用：被控對象的正作用，當(dāng)被控對象的輸入（通過調(diào)節(jié)閥的物料或能量）增加時，其輸出也增加，則為正作用，此時K取 “+”。反之為反作用，K取“-”。 調(diào)節(jié)閥Kv，氣開式調(diào)節(jié)閥，Kv取“+”；氣關(guān)式Kv取“-”。 調(diào)節(jié)器為正作用時，Kc取“-”；調(diào)節(jié)器為反作用時，Kc取“+” 原則閉合回路所有環(huán)節(jié)的增益乘積為正數(shù) Ko=Kc*K

3、v*K*Km0,對象的動態(tài)特性是單調(diào)、不振蕩 對象動態(tài)特性的延遲性和時間常數(shù)大 對象的動態(tài)特性具有純時間滯后 被控對象的自平衡與非自平衡特性 被控對象的動態(tài)特性往往具有非線性特征,4.2 過程控制系統(tǒng)的動態(tài)特性,4.3 PID調(diào)節(jié)原理,一、P 比例調(diào)節(jié) P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號u與偏差信號e成比例，即 u= Kc*e Kc比例增益，確定調(diào)節(jié)器的正反作用后確定正或負 過程控制中，習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比例關(guān)系 u= e 稱為比例帶， 代表調(diào)節(jié)閥開度改變100%，即從全關(guān)到全開時所需要的被調(diào)量的變化范圍。 超出此“比例帶”，調(diào)節(jié)器

4、已處于全關(guān)或全開的狀態(tài)。調(diào)節(jié)器暫時失控。,比例調(diào)節(jié)的特點 有差調(diào)節(jié),有差調(diào)節(jié)：采用比例調(diào)節(jié)，在負荷擾動下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值絕對相等，它們之間一定有殘差 水加熱器的出口水溫控制系統(tǒng),在這個控制系統(tǒng)中，熱水溫度是由傳感器T獲取信號并送到調(diào)節(jié)器C的，調(diào)節(jié)器控制加熱蒸汽的調(diào)節(jié)閥開度以保持出口水溫恒定，加熱器的熱負荷既決定于熱水流量Q也決定于熱水溫度。 假定現(xiàn)在采用比例調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)閥開度直接視為調(diào)節(jié)器的輸出。水溫愈高，調(diào)節(jié)器應(yīng)把調(diào)節(jié)閥開得愈小。,比例調(diào)節(jié)的特點 有差調(diào)節(jié),直線1:表示比例調(diào)節(jié)器的靜特性,即調(diào)節(jié)閥開度隨水溫變化的情況。水溫越高，調(diào)節(jié)器應(yīng)該把調(diào)節(jié)閥開得越小，在圖中是左

5、高右低的直線，比例帶越大，直線的斜率越大。,直線2和3：在不同熱水流量下的靜特性，表示加熱器在沒有調(diào)節(jié)器控制時，在不同的熱水流量下的穩(wěn)態(tài)出口水溫與調(diào)節(jié)閥開度之間的關(guān)系。,直線1和曲線2的交點O代表熱水流量Q0，這是最終要達到的穩(wěn)態(tài)運行點,如果熱水流量減少為Q1，那么調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，新的穩(wěn)態(tài)平衡點將移到直線1和曲線3的交點A,于是出現(xiàn)殘差：A-0,殘差隨著流量變化幅度也隨著比例帶的加大而加大,比例帶對調(diào)節(jié)過程的影響,比例調(diào)節(jié)的殘差隨比例帶的加大而加大 比例帶越大，開環(huán)增益越小,很大意味著調(diào)節(jié)閥的動作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至可以沒有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時間也很長。 減小就加大了調(diào)

6、節(jié)閥的動作幅度， 引起被調(diào)量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。具有一個臨界值，系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。 的臨界值cr可以通過試驗測定出來：如果被調(diào)對象的數(shù)學(xué)模型已知，根據(jù)控制理論計算出來。,比例帶對調(diào)節(jié)過程的影響,（1）比例調(diào)節(jié)的輸出增量與輸入增量呈一一對應(yīng)的比例關(guān)系。即：u=Ke （2）比例調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，輸出與輸入同步，沒有時間滯后，其動態(tài)特性好。 （3）比例調(diào)節(jié)的結(jié)果不能使被調(diào)參數(shù)完全回到給定值，而產(chǎn)生殘差。,比例調(diào)節(jié)的特點,比例帶的一般選擇原則,若對象較穩(wěn)定（對象的靜態(tài)放大系數(shù)較小，時間常數(shù)不太小，滯后較小）則比例帶可選小些，這樣可以提高系統(tǒng)的

7、靈敏度，使反應(yīng)速度加快一些； 相反，若對象的放大系數(shù)較大，時間常數(shù)較小，滯后時間較大，則應(yīng)當(dāng)將比例帶可選大一些，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 比例帶的選取，一般情況下，比例帶的范圍大致如下： 壓力調(diào)節(jié)： 3070% 流量調(diào)節(jié)： 40100% 液位調(diào)節(jié)： 2080% 溫度調(diào)節(jié)： 2060%,二、I積分調(diào)節(jié),在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度 與偏差信號 e 成正比，即 So積分速度 調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比 積分調(diào)節(jié)的特點:無差調(diào)節(jié) 1.根據(jù)式子，只有當(dāng)被調(diào)量偏差e為零時，I調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變。調(diào)節(jié)器的輸出可以保持在任何一個數(shù)值上。 2.I調(diào)節(jié)的另一特點，穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差。,積分

8、速度對調(diào)節(jié)過程的影響,采用積分調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度S0成正比。增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。 S0，積分速度越大，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差,積分調(diào)節(jié)的特性,調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差值隨時間的積分成正比，亦即輸出的變化速度與輸入偏差成正比。 對于積分調(diào)節(jié)器，輸出變化量的大小，不僅決定于偏差的大小，而且取決于偏差存在的時間長短。 只要輸入偏差存在，輸出就一直在變化，只有輸入偏差為零，輸出才不再變化。 積分調(diào)節(jié)作用能自動消除靜差。,積分調(diào)節(jié)的特性,對于同一偏差信號，積分常數(shù)越大，積分輸出增加得越快，表示積分調(diào)節(jié)作用越強；相反，積分常數(shù)越小，積分

9、輸出增加得越慢，表示積分調(diào)節(jié)作用越弱；積分常數(shù)就表示了積分作用的大小。 積分常數(shù)的倒數(shù)叫積分時間，用Ti表示。 積分調(diào)節(jié)的顯著特點是它們執(zhí)行機構(gòu)的位置是“浮動”的，也就是，它和被調(diào)量之間沒有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此這就解脫了產(chǎn)生靜差的原因。 只要偏差不為零，控制輸出就不為零，它就要動作到把被調(diào)量的靜差完全消除為止，積分調(diào)節(jié)的特性就是無差調(diào)節(jié)。,比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的比較,積分調(diào)節(jié)可以消除靜差。但對比例調(diào)節(jié)來說，當(dāng)被調(diào)參數(shù)突然出現(xiàn)較大的偏差時，調(diào)節(jié)器能立即按比例地把調(diào)節(jié)閥的開度開得很大，但積分調(diào)節(jié)器就做不到這一點，它需要一定的時間才能將調(diào)節(jié)閥的開度開大或減小，因此，積分調(diào)節(jié)會使調(diào)節(jié)過程非常緩慢。 總之

10、，比例調(diào)節(jié)能及時進行調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)可以消除靜差。 但它的輸出有段積累過程，過渡過程進行的十分緩慢，如果系統(tǒng)干擾作用頻繁，更顯得十分乏力，單獨的積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)較罕見，它作為一種輔助調(diào)節(jié)規(guī)律與比例調(diào)節(jié)一起組成比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律。,三、D微分調(diào)節(jié),在微分調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對時間的導(dǎo)數(shù)成正比，即 微分調(diào)節(jié)可以根據(jù)被調(diào)量的變化速度來修正偏差，有一定的預(yù)見性。微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用。與其他調(diào)節(jié)動作結(jié)合成PD或PID調(diào)節(jié)動作,四、比例積分PI調(diào)節(jié),PI 調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差。調(diào)節(jié)規(guī)律為： 或 PI調(diào)

11、節(jié)器的階躍響應(yīng)如下圖所示,PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)，它是比例動作和積分動作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個幅值為 的階躍，然后以固定速度變化 。 當(dāng)tTI時，調(diào)節(jié)器的總輸出為 。這樣，就可以根據(jù)圖4.17確定 和 的數(shù)值。還可以注意到，當(dāng)tTI時，輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見，TI可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：TI愈小，積分部分所占的比重愈大。,出水口水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)過程分析,殘差的消除是PI調(diào)節(jié)器積分動作的結(jié)果。正是積分部分的閥位輸出使調(diào)節(jié)閥開度最終得以到達抵消擾動所需的位置。比例部分的閥位輸出Up在調(diào)節(jié)過程的初始階段起較大作用，但調(diào)節(jié)過程

12、結(jié)束后又返回到擾動發(fā)生前的數(shù)值。,積分飽和現(xiàn)象,具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會不停地變化。如果由于某種原因(如閥門關(guān)閉、泵故障等)、被調(diào)量偏差一時無法消除，然而調(diào)節(jié)器還是要試圖校正這個偏差，結(jié)果經(jīng)過一段時間后、調(diào)節(jié)器輸出將進入深度飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。進入深度積分飽和的調(diào)節(jié)器，要等被調(diào)量偏差反向以后才慢慢從飽和狀態(tài)中退出來，重新恢復(fù)控制作用。 水溫控制系統(tǒng)的積分飽和 PI調(diào)節(jié)器積分部分的輸出在偏差長期存在時會超過輸出額定值，引起積分飽和,克服積分飽和的方法一,關(guān)鍵：偏差為零時，PI調(diào)節(jié)器的輸出在額定值內(nèi) 方法一：接入外部積分反饋,正常情況下，f=u，則

13、有,如果加入一個間隙單元，如下圖,當(dāng)uuh時，低選器選擇f=ua 通過間隙單元切換比例作用，防止積分飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)。,以上分析是在預(yù)置負荷uqo，即無高值選擇器Hs的情況。 當(dāng)調(diào)節(jié)器出現(xiàn)大偏差時，Ua會相當(dāng)小，uUh。因而，當(dāng)偏差e減小時，u可以在零以下持續(xù)很長的一段時間，其結(jié)果正好與積分飽和相反，使得被調(diào)量極其緩慢地趨向設(shè)定值。 為避免這種情況出現(xiàn)，可以限制間隙單元中低值選擇器Ls的輸入Sh，使Sh不至于低于uq。其中uq的值應(yīng)為比例調(diào)節(jié)器的工作點。此時如果偏差e回到零調(diào)節(jié)器的輸出u就等于uq。,1- 純PI調(diào)節(jié)，有積分飽和 2- 有間隙單元，但uq=0 3- 有間隙單元，uq不為0,克服積

14、分飽和的方法二,由調(diào)節(jié)器內(nèi)實行PI-P調(diào)節(jié)動作的自動切換,A1為比例積分運算放大器 Ah比例放大器,E0Eh 時，場效應(yīng)管開關(guān)S斷開 此時為正常PI調(diào)節(jié) E0Eh時，Ah的輸出使場效應(yīng)管 開關(guān)s閉合，此時R1 C1 并聯(lián)，R2 C2并聯(lián)。且R1=R2 ，電路變?yōu)?：1 反向器，實施P調(diào)節(jié),PD調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是 或 工業(yè)上實際采用PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 PD調(diào)節(jié)器的單位階躍響應(yīng),五、比例微分PD調(diào)節(jié),如果TD = 0即沒有微分動作，那么輸出u將按虛線變化。微分動作的引入使輸出的變化提前一段時間發(fā)生，而這段時間就等于TD。 PD調(diào)節(jié)器有導(dǎo)前作用，其導(dǎo)前時間即是微分時間TD。,比例

15、微分PD調(diào)節(jié),,引入適當(dāng)微分，可以采用較小的比例帶，減小殘差，減小了短期最大偏差和提高了震蕩頻率 微分的不利之處：微分太強，容易導(dǎo)致飽和。引入微分調(diào)節(jié)，抗干擾能力差，只適合被調(diào)量變化平緩的過程。,六、PID調(diào)節(jié),PID調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是 PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 各種調(diào)節(jié)動作對應(yīng) 的響應(yīng)過程,,PID調(diào)節(jié)規(guī)律選擇的原則,（1）廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容積延遲較大時，應(yīng)引入微分動作。如工藝容許有殘差，可選用比例微分動作，如工藝要求無殘差時，則選用比例積分微分動作。如溫度、成分、pH值控制等。 （2）當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負荷變化也不大，而工藝要求無殘差時，可選擇比例積分動作。如管道壓力和流量的控制。 （3）廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負荷變化較小，工藝要求不高時，可選擇比例動作，如貯罐壓力、液位的控制。 （4）當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)或容積遲延很大，負荷變化亦很大時，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)。如果被控對象傳遞函數(shù)可用 ： 則可根據(jù)對象的可控比T選擇調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律： 當(dāng)T 1.0時，采用簡單控制系統(tǒng)往往不能滿足控制要求，應(yīng)選用如串級、前饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)。,