2.1 控制仪表概述基本PID概念及调节器作用方式

§2-1基本概念
•基本控制算法,基本PID控制算法,PID调节的优点,调节器偏差的定义, 调节器正反作用定义,正反作用的判断方法
§2-2比例调节
•比例调节规律(P调节),比例带,调节过程, 特点,K
变化对系统性能指标的影响
C
§2-3积分调节
•积分调节规律(I), 过程, 特点, TI变化对性能指标的影响,与P调节比较
§2-4比例积分调节
•比例积分调节规律(PI), 调节过程, 比例积分调节的特点, 对系统控制性能指标的影响, 与P调节比较, 积分饱和现象
§2-5比例积分微分调节
•微分调节(Derivative Control),比例微分调节(PD),比例微分调节特点,比例微分控制算法使用注意事项,比例积分微分调节(PID),PID控制作用对过渡过程的影响
控制仪表概述 控制仪表包括:调节器和执行器
调节器气动执行器
控制仪表模拟表
数字表基地式仪表DDZ仪表
智能调节器可编程调节器组件组装仪表
执行器
电动执行器
气动控制仪表的特点(QDZ) ：•结构简单，性能稳定
可靠，维护方便，价
格便宜；
•并且具有本质安全防
爆性能；
•特别适用于石油、化
工等有爆炸危险的场
所。

电动控制仪表的特点：
•可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。

•由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，•因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。

单元组合式仪表(DDZ)
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按各组成环节的不同功能和
使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点
是应用灵活，通用性强，使
用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；
可编程调节器 具有比传统模拟仪表更为丰富
的运算和控制功能，
它可以提供多种软件功能模
块，由用户根据生产控制的
要求通过组态完成各种运算
处理和复杂控制，
具有很大的应用灵活性，
但其软件系统比较复杂。

信号制及供电方式
信号制----指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出间采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。

•气动控制仪表：0.02～0.1MPa气源压力:0.14MPa
•电动控制仪表，
•电动Ⅱ型：采用0～10mA（DC）电流信号
•电动Ⅲ型：
•采用4～20mA（DC）电流信号
•供电: 24V（DC）
•1～5V（DC）电压信号
•传输方式：进出控制室的传输信号采用电流信号，
控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号
调节规律概述
调节规律:指调节器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。

在单回路定值控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。

即：e(t)= y(t)－r(t)
式中e(t)——偏差，y(t)——被控变量的测量值，
r(t)——被控变量的给定值
调节器的输出信号是相对于调节器输入信号e的输出的变化量Δu。

如果输入e与输出Δu的变化方向相同，则称调节器为正作
用调节器；
反之，如果输入e与输出Δu变化方向相反，则称调节器为
反作用调节器。

调节规律的表示形式例：双位调节
⎩⎨
⎧<>=0
0min
max e u e u u 当当⎩⎨
⎧<>=0
0max
min
e u e u u 当当或者u
开位
关位
e
J
H 0
§2-1 PID ：基本概念
控制器
PID
广义被控对象
给定值r
被调量y
e
u
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。

其作用是对输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。

控制器包括求偏差和PID 运
算
1）比例（proportional ）控制作用：控制作用u 与偏差e 成比例2）积分（integral ）控制作用：控制作用u 与偏差e 对时间的积分成比例3）微分(derivative)控制作用：控制作用u 与偏差e 对时间的导数成比例)()(P P t e K t u =⎰=t
t e K t u d )()(I I t
t e K t u d )(d )(D D =1.基本控制算法
2.基本PID 控制算法⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛++=++=++=⎰⎰t t e T t t e T t e K t
t e K t t e K t e K t u t u t u t u d )(d d )(1)(d )(d d )()()
()()()(D I C D I P D I P 传递函数为：理想PID
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛++==s T s T K s E s U s G C D I C 11)()()(C D D I C I ,K K T K K T ==参数物理意义为：
⎪⎪⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+++==111)()()(D D D I C s K T s T s T K s E s U s G C 实际PID 的传递函数为：实际微分
K C ：比例系数T I ：积分时间T D ：微分时间K D ：微分增益
⎪⎪⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+++==11)11()()()(D D D I C s K T s T s T K s E s U s G C 并联实现串联实现
3．PID调节的优点
♠原理简单（适用和实现方便）
♠适应性强（应用面宽）
♠鲁棒性强（对过程变化不敏感）4．调节器偏差的定义
（1）按仪表制造业的规定：
调节器偏差=测量值-给定值，即
（2）控制系统偏差的定义：)(
)(
)(t r
t
y
t
e-
=
*
)(
)(
)(t
y
t
r
t
e-
=
二者相反！
Automatic Feedback Control When there is an error, the controller
makes a change in its output.
It determines:
How much? Proportional Mode How long?
Integral Mode
How fast? Derivative Mode
5.调节器正反作用
（1）控制规律与环节的正反作用
♠常用控制一般都采用PID控制，通过适当调节比例常数、积分时间常数和微分时间常数可以实现多
种控制规律
♠实际控制系统的每个环节都有正反作用规律：测量环节：间接指标与直接指标反向对应；
控制环节：可以用被测参数减去设定值，也可以
用设定值减去被测参数；
执行环节：控制信号加大执行结果加大(如气开阀)或减少(如气关阀)
正作用：e * (y-r)↑ (e (r-y)↓) →u ↑，即K C 为负反作用：e *(y-r)↑(e (r-y)↓) →u ↓，即K C 为正
设置正反作用的目的：
使控制系统能够构成负反馈系统！
PID 广义被控对象给定值r 被调量y e u 控制器(调节器)
2）调节器正反作用的定义e*和u 变化方向相同e*和u 变化方向相反
（2）调节器正反作用的设置
设置的目的：保证控制系统构成负反馈系统
负反馈准则：控制系统的开环总增益为正
开环总增益：各环节的增益之积
环节增益为正：环节的输入增加时，输出也增加
6．正反作用的判断方法:
e （r -y ）↑→e *(y-r)↓y ↓对象K 0为负，控制器作用应使u ↓正
作
用
例1：如图为过热蒸汽温度控制
系统，选择控制器TC
PID r y
u -τs Ke G(s)=Ts+1-PID e
1)(000+=-s T e K s G s τK 0<0 (why?)
确定调节器正反作用的步骤：
1）根据工艺安全性的要求，确定控制阀的作用方式，如气开阀的增益为正，气闭阀的增益为负；
2）根据对象的输入和输出关系确定对象增益的正负3）根据检测变送环节的输入输出关系确定检测变送环节的增益正负
4）根据负反馈准则，确定调节器的正反作用
信息科学与工程学院
2015年2月5日星期四19:49No. 21
负反馈准则0 m p v c K K K K
信息科学与工程学院
2015年2月5日星期四19:49No. 22气
开
阀
例二+++调节器
反作用+
信息科学与工程学院2015年2月5日星期四19:49No. 23蒸汽气闭阀例三：加热系统
++——调节器正作
用。