15控制器模拟控制算法解析课件.ppt

1、过程控制过程控制2022-12-512022-12-521、5 控制器的控制器的模拟控制算法模拟控制算法F常规控制器的组成：给定值设定机构，常规控制器的组成：给定值设定机构，偏差比较机构，控制运算模块。偏差比较机构，控制运算模块。ruy+-e2022-12-522022-12-53F反馈控制给定（目标）给定（目标）输出（控制结果）输出（控制结果）根据误差进行的控制根据误差进行的控制2022-12-532022-12-54F反馈控制反馈控制控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量测量/变送器变送器-+目标目标误差误差输出输出广义对象广义对象PID2022-12-542022-12-55F常规

2、常规PID控制系统的原理控制系统的原理 输入：控制偏差输入：控制偏差e(t)=r(t)-y(t)输出：偏差的比例输出：偏差的比例(P)、积分、积分(I)和微分和微分(D)的线性组合的线性组合 )()(1)()(0dttdeTdtteTteKtuDtIP 式中式中 KP 比例系数比例系数 TI 积分时间常数积分时间常数 TD 微分时间常数微分时间常数2022-12-552022-12-56PID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；适应性强；鲁棒性强；鲁棒性强；控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。对模型依赖少。对模型依赖少。

3、1.5.1 1.5.1 常规控制器模拟控制算法分析常规控制器模拟控制算法分析2022-12-562022-12-57 是最基本的控制规律。当负荷变化时，是最基本的控制规律。当负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，但过程终了时存在余差，且负荷变时间短，但过程终了时存在余差，且负荷变化越大余差也越大。比例控制适用于控制通化越大余差也越大。比例控制适用于控制通道滞后较小、时间常数不太大、扰动幅度较道滞后较小、时间常数不太大、扰动幅度较小，负荷变化不大、控制质量要求不高，允小，负荷变化不大、控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液

4、位的许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。比例控制算法（比例控制算法（P P调节）调节）2022-12-572022-12-58PID模拟控制算法)11()(sTsTKsGdicc传递函数：传递函数：001)(udtdeTedteKudtTci控制算式：控制算式：理想算法理想算法 skTsTksTsTksGDDiiDicC1111)(*1111)(sATsTsTKsGdddicc实际算法实际算法2022-12-582022-12-59比例调节中，调节比例调节中，调节器的输出信号与偏器的输出信号与偏差信号成比例差信号成比例:00

5、)()()(uteuteKtuc1)(cKsG一、比例控制算法一、比例控制算法传递函数：1 1）比例控制算法）比例控制算法2022-12-592022-12-510yuuyKc比例控制算法比例控制算法F比例控制器的调整参比例控制器的调整参数：数：Kc:比例放大比例放大倍数倍数1cK：比比例带例带 阶阶跃响应曲线跃响应曲线2022-12-5102022-12-511比例控制算法比例控制算法FP调节的阶跃响应调节的阶跃响应 P P调节对偏差信号能做出及时调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。反应，没有丝毫的滞后。输出输出u u实际上是对其起始值的实际上是对其起始值的增量。因此，当偏差增量。

6、因此，当偏差e e为零，为零，因而因而u u0 0时，并不意味着调节时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有器没有输出，它只说明此时有u=u0。u0的大小是可以通过调整调节的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。器的工作点加以改变的。u=Kp eu0u0+Kpe02022-12-5112022-12-512比例带是一个无量纲的纯比例带是一个无量纲的纯数值数值其物理意义为：调节阀从全开到全关（输出作其物理意义为：调节阀从全开到全关（输出作全量程范围变化时），输入（被控量）的变化全量程范围变化时），输入（被控量）的变化占其全量程变化范围的百分数。占其全量程变化范围的百分数。输输入输出是相

7、对于控制器而言的入输出是相对于控制器而言的%1001%100)/()/(minmaxminmaxminmaxminmax eeuuKuuueeeP 是指控制器输入的变化相对值与相应的输是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。出变化相对值之比的百分数。2022-12-5122022-12-513F如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是统一的标准信号，即是统一的标准信号，即，则有，则有F此时比例带（比例度）此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生例带小，则较小的偏差就能激

8、励调节器产生100%的开度变化，相应的比例增益就大。的开度变化，相应的比例增益就大。%1001%100 PKue minmaxminmaxuuee2022-12-5132022-12-514u代表调节阀开度的变化量，代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变就代表使调节阀开度改变100%100%即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。例如，若测量仪表的量程为例如，若测量仪表的量程为100则则50%就表示被就表示被调量需要改变调量需要改变50才能使调节阀从全关到全开。才能使调节阀从全关到全开。当被调量处在当被调量处在“比例带比例带”以内调节阀的开度

9、以内调节阀的开度(变化变化)才与偏才与偏差成比例。差成比例。超出这个超出这个“比例带比例带”以外调节阀已处于全关或全开的状态以外调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保持比例关系。，调节器的输入与输出已不再保持比例关系。2022-12-5142022-12-515举例举例一只比例作用的电动温度控制器一只比例作用的电动温度控制器,它的量程是它的量程是 100100200,200,电动控制器的输出是电动控制器的输出是0 010mA,10mA,假如当假如当指示值从指示值从140140变化到变化到160160时时,相应的控制器输出相应的控制器输出从从3mA3mA变化到变化到8mA,8m

10、A,这时的比例度为为这时的比例度为为%40%100010/38100200/1401602022-12-5152022-12-516 当温度变化全量程的当温度变化全量程的40%40%时时,控制器的输出从控制器的输出从0mA0mA变化变化到到10mA10mA。在这个范围内。在这个范围内,温度的变化和控制器的输出变化温度的变化和控制器的输出变化p是成比例的。但是当温度变化超过全量程的是成比例的。但是当温度变化超过全量程的40%40%时时 (在在上例中即温度变化超过上例中即温度变化超过4040时时),),控制器的输出就不能再跟控制器的输出就不能再跟着变化了。着变化了。这是因为控制器的输出最多只能变化

11、这是因为控制器的输出最多只能变化100%100%。所以。所以,比比例度实际上就是使控制器输出变化全范围时例度实际上就是使控制器输出变化全范围时,输入偏差改输入偏差改变量占满量程的百分数。变量占满量程的百分数。2022-12-5162022-12-517比例度与输入输出的关系比例度与输入输出的关系ue2022-12-5172022-12-518以原始平衡点作为设定点。例：流入量0.5t/h;流出量0.5t/h,水位高度40cm;流出量?新的水位高度？比例控制算法存在余差比例控制算法存在余差2022-12-5182022-12-519杠杆水槽液位浮子+-r=40cmyuym+进水阀D出水阀2022

12、-12-5192022-12-520比例调节特点比例调节特点abeuKP这里的杠杆充当了这里的杠杆充当了比比例调节器例调节器：液位变化液位变化e e是其输入；是其输入；阀杆位移阀杆位移u u 是其输出；是其输出；调节器的调节器的比例增益为：比例增益为：该比例调节器是有余差的！该比例调节器是有余差的！余差的大小与比例增益有关，余差的大小与比例增益有关，Kp大，余差小。大，余差小。2022-12-5202022-12-521比例调节特点比例调节特点F余差（或静差）是指：余差（或静差）是指：被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。的差值。F余差的大小与

13、调节器的放大系数余差的大小与调节器的放大系数K或比例带或比例带有关有关 放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。越强，余差就越小。2022-12-5212022-12-5222)2)比例比例增益对控制系统的影响增益对控制系统的影响K KC C变化对过渡过程的影响曲线变化对过渡过程的影响曲线K KC C从从0505变化到变化到1515时，随着时，随着K KC C的减少的减少输出响应曲线的变化从黑色线变化到输出响应曲线的变化从黑色线变化到蓝色线蓝色线2022-1

14、2-5222022-12-5232022-12-5232022-12-5242022-12-5242022-12-525a)大大 调节阀的动作幅度小，变化平调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长调节时间也很长b)减小减小 调节阀动作幅度加大，被调量调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差减小来回波动，余差减小c)进一步减小进一步减小 被调量振荡加剧被调量振荡加剧d)为临界值为临界值 系统处于临界稳定状态系统处于临界稳定状态e)小于临界值小于临界值 系统不稳定，振荡发散系统不稳定，振荡发散 对比例调节过程的影响2022-12-5252022-

15、12-526比例调节的显著特点就是有差调节。比例调节的显著特点就是有差调节。Kc（)最大偏差减小最大偏差减小 调节周期缩短调节周期缩短 稳定性变差稳定性变差 余差也随着减少余差也随着减少2022-12-5262022-12-527若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，滞后较小）时间常数不太大，滞后较小）则比例增益可选大些，这样可以提高系统的灵敏则比例增益可选大些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快一些；度，使反应速度加快一些；相反，若对象的放大系数较大，时间常数较相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大小，滞后时间较大则

16、比例增益可选小一些，以提高系统的稳定性。则比例增益可选小一些，以提高系统的稳定性。比例增益的一般选择原则：比例增益的一般选择原则：2022-12-5272022-12-528二、比例二、比例控制算法控制算法 edtKIu 当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。础上，再加上能消除余差的积分控制作用。积分控制作用的输出变化量积分控制作用的输出变化量 p与输入偏差与输入偏差e的积分成的积分成正比，即正比，即 积分控制规律积分控制规律0000)(1)()(udtteTudtteKtutitiKiKi:积分速度；

17、积分速度；Ti Ti:积分时间积分时间2022-12-5282022-12-529二、比例二、比例控制算法控制算法1)1)积分控制器的动作规律积分控制器的动作规律积分时间越大，积分作用越弱。积分时间越大，积分作用越弱。积分时间是指控制器在阶跃作用下，从起点积分时间是指控制器在阶跃作用下，从起点到控制器输出累计到与输入量相等所需要的到控制器输出累计到与输入量相等所需要的时间时间0000)(1)()(udtteTudtteKtutitiTi2022-12-5292022-12-530F积分调节的阶跃响应积分调节的阶跃响应 I I调节器的输出不仅与偏差信号调节器的输出不仅与偏差信号的大小有关，还与偏

18、差存在的的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。时间长短有关。只要偏差存在，调节器的输出只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化，直到偏差为零就会不断变化，直到偏差为零调节器的输出才稳定下来不再调节器的输出才稳定下来不再变化。变化。所以所以积分调节作用能自动消除积分调节作用能自动消除余差余差。注意注意I I调节的输出不像调节的输出不像P P调节那调节那样随偏差为零而变到零。样随偏差为零而变到零。tidtteTtu0)(1)(2022-12-5302022-12-531积分控制系统的特点：积分控制系统的特点：无差控制：只要有偏差存在，控制器就无差控制：只要有偏差存在，控制器就会一直调整输出，直到偏

19、差为零会一直调整输出，直到偏差为零动作过程慢：积分环节有动作过程慢：积分环节有9090相角滞后，相角滞后，增加一个滞后环节，使过程变慢。增加一个滞后环节，使过程变慢。积分作用对系统稳定性不利积分作用对系统稳定性不利1.5.2 1.5.2 2022-12-5312022-12-532F积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响：增大积分速度（增大积分速度（积分时间减小）积分时间减小）u调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低u当积分速度大到超过某一临界值时，整个当积分速度大到超过某一临界值时，整个系统变为不稳定，出现发散的振荡

20、过程。系统变为不稳定，出现发散的振荡过程。uS S0 0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来愈小。愈小。减小积分速度（减小积分速度（积分时间增大）积分时间增大）u调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢增加了，但调节速度变慢u当积分常数小到某一临界值时，调节过程当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程。变为非振荡过程。无论增大还是减小积分速度，被调量无论增大还是减小积分速度，被调量最后都没有残差最后都没有残差2022-12-53

21、22022-12-533F积分调节的滞后性积分调节的滞后性它的滞后特性使其难它的滞后特性使其难以对干扰进行及时控制以对干扰进行及时控制，所以一般在工业中，所以一般在工业中，很少单独使用很少单独使用I I调节，调节，而基本采用而基本采用PIPI调节代替调节代替纯纯I I调节。调节。2022-12-5332022-12-5342)2)比例积分控制比例积分控制作用作用00)(1)(1)(udtteTtetuti2KcE2022-12-5342022-12-535残差的消除是残差的消除是PIPI调节器积分动作的结果。调节器积分动作的结果。积分部分的阀位输出使调节阀开度最终得以到积分部分的阀位输出使调节

22、阀开度最终得以到达抵消扰动所需的位置。达抵消扰动所需的位置。比例部分的阀位输出比例部分的阀位输出UpUp在调节过程的初始阶段在调节过程的初始阶段起较大作用，但调节过程结束后又返回到扰动起较大作用，但调节过程结束后又返回到扰动发生前的数发生前的数值。值。比例积分调节过程比例积分调节过程2022-12-5352022-12-536比例积分控制过程特点比例积分控制过程特点具有比例调节作用反应快、无滞后的优点，可具有比例调节作用反应快、无滞后的优点，可以加快调整作用，缩短调节时间，又具有积分以加快调整作用，缩短调节时间，又具有积分调节的优点，可以消除静差。调节的优点，可以消除静差。比例控制作用为主，积

23、分控制作用为辅（仅用比例控制作用为主，积分控制作用为辅（仅用于消除稳态偏差）于消除稳态偏差）PIPI调节引入积分动作消除了系统余差，却降低调节引入积分动作消除了系统余差，却降低了原有系统的稳定性。了原有系统的稳定性。2022-12-5362022-12-537控制器积分时间变化时的输出曲线控制器积分时间变化时的输出曲线定值控制系统2022-12-5372022-12-538随动控制系统控制器积分时间变化时的输出曲线控制器积分时间变化时的输出曲线2022-12-5382022-12-5393）比例积分调节对比例积分调节对过渡过渡过程的影响过程的影响F 当当工艺要求静态无余差，控制对象容工艺要求静

24、态无余差，控制对象容量滞后小，负荷变化幅度较大，但变化量滞后小，负荷变化幅度较大，但变化过程又较慢的场合，可采用比例积分作过程又较慢的场合，可采用比例积分作用控制规律的控制器。一般来说，积分用控制规律的控制器。一般来说，积分时间越小，积分作用越强，系统的稳定时间越小，积分作用越强，系统的稳定性也相应下降，消除余差能力增强。性也相应下降，消除余差能力增强。2022-12-5392022-12-5403）积）积分时间对过渡过程的影响分时间对过渡过程的影响调节器其它参数不变，调节器其它参数不变，Ti仅仅变化时仅仅变化时 在同样比例度下，当缩短积分时间，加强在同样比例度下，当缩短积分时间，加强积分控制

25、作用时，一方面克服余差的能力提高积分控制作用时，一方面克服余差的能力提高，最大偏差减小；调节周期缩短，这是有力的，最大偏差减小；调节周期缩短，这是有力的一面。但另一方面会使过渡过程震荡加剧，稳一面。但另一方面会使过渡过程震荡加剧，稳定性降低。积分时间越短，震荡倾向越强烈，定性降低。积分时间越短，震荡倾向越强烈，甚至会成为不稳定的发散震荡，这是不利的一甚至会成为不稳定的发散震荡，这是不利的一方面。方面。2022-12-5402022-12-5413）积）积分时间对过渡过程的影响分时间对过渡过程的影响以系统稳定性保持不变为前提，当以系统稳定性保持不变为前提，当T Ti i变化后必变化后必须相应调整

26、比例度。须相应调整比例度。在相同的衰减比的情况下。当缩短积分时间在相同的衰减比的情况下。当缩短积分时间，加强积分控制作用时，克服余差的能力提高，加强积分控制作用时，克服余差的能力提高，但最大偏差增加；调节周期增长。这主要是，但最大偏差增加；调节周期增长。这主要是因为调节器加入积分后，使调节系统的稳定性因为调节器加入积分后，使调节系统的稳定性变差，为保持原系统的稳定性，必须将比例度变差，为保持原系统的稳定性，必须将比例度增大，这样出现了以上的结论。增大，这样出现了以上的结论。2022-12-5412022-12-542F 积分饱和积分饱和:具有积分作用的调节器，具有积分作用的调节器，只要被调量与

27、设定值之间有偏差，其输只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停的变化。如果由于某种原因出就会不停的变化。如果由于某种原因（如阀门关闭、泵故障等），被调量偏（如阀门关闭、泵故障等），被调量偏差一时无法消除，然而调节器还是要试差一时无法消除，然而调节器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节器输出将达到某个限制值并停留，调节器输出将达到某个限制值并停留在该值上，这种情况称为积分饱和。在该值上，这种情况称为积分饱和。4 4）积分饱和及其防止积分饱和及其防止2022-12-5422022-12-543 积分饱和现象经常发生在间歇过程的控制中，如图积分饱和现

28、象经常发生在间歇过程的控制中，如图从安全角度考虑调节阀选气关式，调节器选反作用从安全角度考虑调节阀选气关式，调节器选反作用。2022-12-5432022-12-544 u0.100.140.10-100%+-ruymcK11sTi+-2022-12-5442022-12-545积分饱和的防止积分饱和的防止 限限幅法幅法用用高低值限幅器高低值限幅器,控制器积分反馈信号限定在某个控制器积分反馈信号限定在某个区域区域。外反外反馈法馈法在在控制器开环状态下，不再使它自身的信号做积控制器开环状态下，不再使它自身的信号做积分反馈，而是采用合适的外部信号作为积分反馈分反馈，而是采用合适的外部信号作为积分反

29、馈信号。从而也切断了积分正反馈，防止了进一步信号。从而也切断了积分正反馈，防止了进一步的偏差积分作用。的偏差积分作用。积分切积分切除法除法它它是从控制器本身的线路结构上想办法。使控制是从控制器本身的线路结构上想办法。使控制器积分线路在开环情况下，会暂时自动切除，使器积分线路在开环情况下，会暂时自动切除，使之仅具有比例作用。所以这类控制器称为之仅具有比例作用。所以这类控制器称为PI-PPI-P控控制器。制器。2022-12-5452022-12-546比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例积分控制器对于多数系统都可采用，两个参数均可调整。两个参数均可调整。当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最

30、当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用。微分作用。三、三、比例微分比例微分控制算法控制算法2022-12-5462022-12-547 微分时间微分时间T Td d；微分增益微分增益K Kd d提供提供0 0至至9090o o导前角，改善系统动态特性导前角，改善系统动态特性微分作用在静态时输出为微分作用在静态时输出为0 0，无控制作用，无控制作用sTsGd)(1)(sKTsTsGddd三、三、比例微分比例微分控制算法控制算法理想

31、微分理想微分实际微分实际微分dtdeTpD具有微分控制规律的控制器具有微分控制规律的控制器（9-20）2022-12-5472022-12-548比例微分比例微分控制算法控制算法0udtdeTkekudcc111)(skTsTKsGDDDccdtdeTkekudcc理想理想比例微分比例微分控制算控制算法法增量式增量式实际实际比例微分比例微分控控制器传递函数制器传递函数2022-12-5482022-12-549 PD PD 调节器的单位阶跃响应调节器的单位阶跃响应 )/exp()1(11DDDKTtKu 微分作用微分作用纯比例作用纯比例作用纯比例作用纯比例作用TD大，微分作用强大，微分作用强2

32、022-12-5492022-12-550实际PD阶跃响应2022-12-5502022-12-551引入微分作用要适当引入微分作用要适当高频噪声大的被控对象不宜引入微分高频噪声大的被控对象不宜引入微分Kd1正微分正微分 Kd1 反微分反微分比例微分控制算法使用注意事项比例微分控制算法使用注意事项说明：说明：F微分作用的强弱用微分时间微分作用的强弱用微分时间TD来衡量来衡量 微分时间微分时间TD越大，微分作用越强，超前时间越大。越大，微分作用越强，超前时间越大。F理想的微分调节是不能单独使用的，它总是依理想的微分调节是不能单独使用的，它总是依附于比例调节或比例积分调节的。附于比例调节或比例积分

33、调节的。2022-12-5512022-12-552比例微分控比例微分控制的特点制的特点PD调节也是有差调节调节也是有差调节 在稳态下，在稳态下，dedt0，PD调节器的微分部分输出为零，因调节器的微分部分输出为零，因此，此时此，此时PD调节与调节与P调节相同。调节相同。微分调节有提高控制系统稳定性的作用微分调节有提高控制系统稳定性的作用 微分调节微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡动作总是力图抑制被调量的振荡 引入微分动作要适度，当引入微分动作要适度，当TD超出某一上限值后，系统反而变得超出某一上限值后，系统反而变得不稳定不稳定适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带适度引入微分动作可以允许稍

34、许减小比例带 这样可以减小残差、减小短期最大偏差、提高振荡频率同时保这样可以减小残差、减小短期最大偏差、提高振荡频率同时保持衰减率不变。持衰减率不变。2022-12-5522022-12-553 微分调节也有不利之处微分调节也有不利之处：微分动作太强容易导致调节阀开度向两端饱和微分动作太强容易导致调节阀开度向两端饱和 在在PD调节中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅调节中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅助调节作用。助调节作用。PD调节器的抗干扰能力很差调节器的抗干扰能力很差 只能应用于被调量的变化非常平稳的过程，一般不用于流量和只能应用于被调量的变化非常平稳的过程，一般不用于流量和液位控

35、制系统。液位控制系统。微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。比例微分控比例微分控制的特点制的特点2022-12-5532022-12-554PDPD控制系统不同微分时间的响应过程控制系统不同微分时间的响应过程2022-12-5542022-12-555)()(1)()(0dttdeTdtteTteKtudtiC v PID PID调节：调节：将比例、积分、微分三种调节作用结合起将比例、积分、微分三种调节作用结合起来的调节。来的调节。v PID PID调节器的动作规律是：调节器的动作规律是：比例积分微分比例积分微分(PID)控制算法控制算法 v PID PID调

36、节的三个特征参数调节的三个特征参数比例带比例带、积分时间、积分时间T TI I、微分时间、微分时间T TD D2022-12-5552022-12-556四四.比例积分微分三作用控制器比例积分微分三作用控制器)11()(sTsTKsGdiC 理想理想PIDPID传递函数传递函数实际实际PIDPID传递函数传递函数)11)(1()111()(sTsKTsKTTKsTsKTsTKsGidddddCidddC 2022-12-5562022-12-5572 2、阶跃响应与特征参数、阶跃响应与特征参数3 3、三种作用的相互配合、三种作用的相互配合2022-12-5572022-12-558Tim e(

37、sec.)AmplitudeS tep Response02468100246810121416182022)1119(%501)(99ssssGPIDPIDPDPDP PK KC CK Kd dE EKCE2022-12-5582022-12-559P、I、PI、PD、PID控制作用对过渡过程的影响：控制作用对过渡过程的影响：2022-12-5592022-12-5601.5.2 1.5.2 数字数字PIDPID控制算法控制算法由气动或液动、电动仪表组成的模拟由气动或液动、电动仪表组成的模拟PIDPID控制器控制器 由计算机实现的数字由计算机实现的数字PIDPID控制器控制器 2022-12

38、-5602022-12-5611.5.2 1.5.2 数字数字PIDPID控制算法控制算法F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化连续时间连续时间t离散化离散化采样时刻点采样时刻点KT2022-12-5612022-12-562001()()()tcdide tuKe te t dtTuTdt微分比例积分数字PID中对应的各项应为怎样呢？F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化2022-12-5622022-12-563F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化001()()()tcdide tuKe te t dtTuTdt微分比例积分()()()()

39、()mPce kr kyku kK e k控制器每执行一次就计算一次2022-12-5632022-12-564F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化001()()()tcdide tuKe te t dtTuTdt微分比例积分1()()()()()mkcsiie kr kykK Tu ke iTI控制器每执行一次就计算一次Ts是控制周期，一个常量2022-12-5642022-12-565F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化()()()()(1)()mcdse kr kyke ke ku kK TTD001()()()tcdide tuKe te t dtT

40、uTdt微分比例积分控制器每执行一次就计算一次Ts是控制周期，一个常量2022-12-5652022-12-566F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化1()()()()(1)ksdcsiisTTu kKe ke ie ke kuTT001()()()tcdide tuKe te t dtTuTdt数字数字PID，位置式位置式计算到终端执行器的输出计算到终端执行器的输出将三种作用汇将三种作用汇集起来集起来求和取代积分求和取代积分差分取代微分差分取代微分2022-12-5662022-12-567F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化F位置式位置式PIDPID控制

41、算法带来的问题控制算法带来的问题对对e(ke(k)的累加增大了计算机的存储量和的累加增大了计算机的存储量和运算的工作量运算的工作量u(ku(k)的直接输出易造成执行机构的大幅的直接输出易造成执行机构的大幅度动作度动作有些应用场合要求增量式有些应用场合要求增量式u(ku(k)2022-12-5672022-12-5681()()()()(1)ksdcsiisTTu kKe ke ie ke kuTT数字数字PID，增量式增量式计算到达终端执行器的计算到达终端执行器的变化量变化量()()(1)()()2(1)(2)()()(1)sdcisTTu kKe ke ke ke ke ke kTTu ku

42、 ku k F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化2022-12-5682022-12-569F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化F增量式增量式PIDPID控制系统示意图控制系统示意图F位置式位置式PIDPID控制系统示意图控制系统示意图2022-12-5692022-12-570F（一）（一）PIDPID控制算法离散化控制算法离散化增量式增量式PID控制算法的优点控制算法的优点不累加误差，增量的确定仅与最近几次偏差不累加误差，增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，采样值有关，计算精度计算精度对控制量的计算影响对控制量的计算影响较小；较小；得出的是控制量的增量

43、，得出的是控制量的增量，误动作影响误动作影响小；小；增量型算法不对偏差做累加，因而也不易引增量型算法不对偏差做累加，因而也不易引起起积分饱和积分饱和；易实现易实现手动到自动手动到自动的无冲击切换。的无冲击切换。2022-12-5702022-12-571（二）数字（二）数字PIDPID控制算法的改进控制算法的改进积分项的改进积分项的改进 积分分离积分分离PIDPID算法算法 遇限削弱积分遇限削弱积分PIDPID算法算法2022-12-5712022-12-572（二）数字（二）数字PIDPID控制算法的改进控制算法的改进 积分分离积分分离PID算法算法u控制偏差较大时，取消积分作用，以减小控制

44、偏差较大时，取消积分作用，以减小超调；控制偏差较小时，再恢复积分作用超调；控制偏差较小时，再恢复积分作用，以消除余差，以消除余差 式中 )1()()()()(0 kekeTTjeTTkeKkuDkjIp|e(k)|e(k)|0 1 2022-12-5722022-12-573（二）数字（二）数字PIDPID控制算法的改进控制算法的改进F遇限削弱积分遇限削弱积分PIDPID算法算法若上一时刻控制输出已经达到最大（小）若上一时刻控制输出已经达到最大（小），则此次，则此次只累加负（正）偏差只累加负（正）偏差 ，以避免控，以避免控制量长时间停留在饱和区。制量长时间停留在饱和区。2022-12-5732

45、022-12-574（二）数字（二）数字PIDPID控制算法的改进控制算法的改进F微分项的改进微分项的改进微分作用对高频干扰非常灵敏，容易引起微分作用对高频干扰非常灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。为此有必要控制过程振荡，降低调节品质。为此有必要对对PIDPID算法中的微分项进行改进。算法中的微分项进行改进。F微分项的改进算法微分项的改进算法不完全微分算法不完全微分算法微分先行微分先行2022-12-5742022-12-575（二）数字（二）数字PIDPID控制算法的改进控制算法的改进1()1()cdiu tKT s e tTs11()1dcifT suKe tTsT s不完全微分2

46、022-12-5752022-12-576（二）数字（二）数字PIDPID控制算法的改进控制算法的改进F微分先行微分先行只对测量值只对测量值y(ty(t)微分，而不对偏差微分，而不对偏差e(te(t)微分微分，也即对给定值，也即对给定值r(tr(t)无微分作用。无微分作用。这样在调整设定值时，控制器的输出就不会这样在调整设定值时，控制器的输出就不会产生剧烈的跳变，也就避免了给定值升降给产生剧烈的跳变，也就避免了给定值升降给系统造成的冲击。系统造成的冲击。2022-12-5762022-12-577()2()()(1)(2)1)()sdcisTTe ke ku kKe ke ke kTTe k(

47、)2()()(1)(2)1)()sdcisTTy ky ku kKey kke ke kTT（二）数字（二）数字PIDPID控制算法的改进控制算法的改进2022-12-5772022-12-5781.5.3 1.5.3 开关控制开关控制F一、双位控制一、双位控制00,)0(0,minmaxeepeepp或或理想的双位控制器其输出理想的双位控制器其输出p p与输入偏差额与输入偏差额e e之间的关系为之间的关系为理想双位控制特性理想双位控制特性双位控制示例双位控制示例2022-12-5782022-12-579 将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，

48、便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。器中运动部件的使用寿命。实际的双位控制规律实际的双位控制规律F二、具有中间区的双位控制二、具有中间区的双位控制具有中间区的双位控制过程具有中间区的双位控制过程1.5.3 1.5.3 开关控制开关控制2022-12-5792022-12-5801.5.3 1.5.3 开关

49、控制开关控制双位控制过程中一般采用双位控制过程中一般采用振幅振幅与与周期周期作为品质指标作为品质指标 结论结论被控变量波动的上、下限在允许范围内，使被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长周期长些比较有利。些比较有利。双位控制器双位控制器结构简单结构简单、成本较低成本较低、易于实现易于实现，因而，因而应用很普遍。应用很普遍。2022-12-5802022-12-5811.5.3 1.5.3 开关控制开关控制F三、多位控制三、多位控制 对系统的控制效果较好，但会使控制装置的复对系统的控制效果较好，但会使控制装置的复杂程度增加。杂程度增加。三位控制器特性图三位控制器特性图2022-12-581

50、2022-12-582控制控制规律规律优缺点优缺点适用场合适用场合位式位式结构简单结构简单 ;价格便宜价格便宜 ;控控制质量不高制质量不高 ;被控变量会被控变量会振荡振荡 对象容量大对象容量大 ,负荷变化小负荷变化小 ,控制质量要求控制质量要求不高不高 ,允许等幅振荡允许等幅振荡 比例比例（P P）结构简单结构简单 ;控制及时控制及时 ;参参数整定方便数整定方便 ;控制结果有控制结果有余差余差 对象容量大对象容量大 ,负荷变化不大、纯滞后小负荷变化不大、纯滞后小 ,允许有余差存在允许有余差存在 ,例如一些塔釜液位、贮例如一些塔釜液位、贮槽液位、冷凝器液位和次要的蒸汽压力控槽液位、冷凝器液位和次