过程控制课件--第二章PID控制

由于比例调节只有一个简单的比例环节, 因此δcr的大小只取 决于被控对象的动态特性.根据奈奎斯特稳定准则,在稳定边界 上有：
Kcr 1,
cr
即cr Kcr
Kcr为广义被控对象在 临界频率下的增益
r
e
y
控制器
－ ym
检测单元
r
e
y
控制器
+ ym
检测单元
负反馈
正反馈
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仪表制造业中偏过程差控制：e=ym-r
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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：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而增大，调节器增
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e≠0.
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过程控制
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加热器出口水温控制系统
原理: 热水温度θ是由传感器θT获 取信号并送到调节器θC的, 调节 器控制加热蒸汽的调节阀开度以 保持出口水温恒定, 加热器的热 负荷既决定于热水流量Q也决定 于热水温度θ。
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过程控制
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微分环节：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．它通过 以不同的比重将比例，积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．
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模拟PID过控程制控制系统原理图

k
Kpe(k)Ki e(j)Kde(k)e(k1) j0
式中，u(k)为第k次采样时刻的控制器的输出值； e (k-1)和e (k)分别为第(k-1)次和第k次采样时刻的偏差值。
只要采样周期T足够小，数字PID控制与模拟PID控制就会十分
精确的接近。
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1.2.2 增量式PID控制算法
e(k )
0 e(k )
e(k) e0 e(k) e0
式中，e(k)为位置跟踪偏差，e0是一个可调参数，其 具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值 太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象
的目的；若e0太大，则系统将产生较大的滞后。
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1.2.9 带死区的PID控制算法
1.1 PID控制原理
闭环控制系统原理框图
图中所示为控制系统的一般形式。被控量y(t)的检测值c(t)与给定值r(t) 进行比较，形成偏差值e(t)，控制器以e(t)为输入，按一定的控制规律 形成控制量u(t)，通过u(t)对被控对象进行控制，最终使得被控量y(t)运 行在与给定值r(t) 对应的某个非电量值上。
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1.1 PID控制原理
模拟PID控制系统原理框图
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1.1 PID控制原理
PID控制器各环节的作用如下：
（1）比例环节的数学式表示是:
Kp e(t)
在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差量e(t)瞬间 作出反应, 产生相应的控制量u(t)，使减少偏差e(t)向减小的 方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp， Kp越大， 控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差ess 也就越小,但是Kp越大，也越容易产生振荡，增加系统的超 调量，系统的稳定性会变差。

第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
第二章
比例积分微分控制及其调节过程
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 基本概念 比例调节 积分调节 比例积分调节 比例积分微分调节
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
§2-1
基本概念
统计表明生产过程80%的控制可以用PID控制器构成单回路 反馈控制系统进行控制（简单控制系统）。 PID控制是比例积分微分控制的简称。 是一种负反馈控制。 即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用
有直接关系 。
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
4.TI变化对系统控制性能指标的影响
r e
1 TI s
u
Ke-τs Ts + 1
D y
衰减率ψ ↑ TI↑ S0↓ 稳态误差ess=0 超调量σ ↓ 振荡频率ω ↓
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
5.与P调节比较
系统稳定性下降（加了一个位于原点的开环极点） 静态：无稳态误差；动态：由于调节不及时σ较大 在相同的稳定裕度下积分调节σ↑，振荡频率低，调节过程加长。
，选择P或PI调节
，选择PD或PID调节 ，用复杂控制。
Ke-τs G(s) = Ts +1
0.2 τ/T 1.0
τ/T > 1.0
蒸 汽 D
θ
B
1
A
θ θ A
0
o
稳态误差
冷 水 Q
冷 凝 水
Ke-τs Ts + 1
θ
1

过程控制系统一般有以下几部分组成： 1、被控对象； 2、用于生产过程参数检测的变送仪表； 3、控制器； 4、执行机构； 5、报警、保护和连锁等其它部件。
r
−
控制器
u
执行机构
被控过程
y(t)
检测与变送仪表
图1.1 过程控制系统基本结构图
+ 控制器（或称调节器）根据系统输出量的检测值y（t）与
设定值r的偏差，按照一定的控制算法输出控制量u，对被 控过程进行控制。执行机构（如调节阀）接受控制器送来 的控制信息调节被控量，从而达到预期的控制目标。过程 的输出信号通过过程检测仪表反馈到控制器的输入端，构 成闭环控制系统。
0
或
1 u = (e + δ TI
1
∫
t 0
ed t )
式中， δ 为比例带， I 为积分时间 T
+ 图6.1是PI调节器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部
分组成的。在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值 为 ∆e / δ 的阶跃，然后以固定速度 ∆e / δ TI 变化。当t = TI 时，调节 器的总输出为 2∆e / δ 。这样就可以根据图6.1确定 δ 和 TI 的数 值。还可以注意到，当 t = TI 时，输出的积分部分正好等于比例 T 的部分。由此可见， I 可以衡量积分部分在总输出中所占的比 重：TI 越小，积分部分所占的比重越大。
+ 安全性 在整个生产过程中，确保人身和设备安全是最基
本和最重要的要求。在生产过程中具体采用越限报警、事 故报警、连锁保护等措施来保证生产过程的安全性。
+ 稳定性 指系统抑制外部干扰、保持生产过程长期稳定运
行的能力。
+ 经济型 在满足以上两个基本要求的基础上，低成本高效