1、过程控制系统过程控制系统主讲教师：姜萍第三章第三章 控制器的控制规律控制器的控制规律 o3.1 3.1 基本控制规律基本控制规律3.1.1 3.1.1 双位控制双位控制3.1.2 3.1.2 比例控制比例控制3.1.3 3.1.3 积分及比例积分积分及比例积分3.1.4 3.1.4 微分及比例微分控制微分及比例微分控制3.1.5 3.1.5 比例积分微分控制比例积分微分控制PIDPIDo3.2 PID3.2 PID控制器的离散形式控制器的离散形式3.2.1 3.2.1 理想理想PIDPID的离散型的离散型3.2.2 3.2.2 改进型改进型PIDPID 积分分离、微分先行、二维积分分离、微分先
2、行、二维PIDPID 带不灵敏区、定值滤波带不灵敏区、定值滤波o3.3 3.3 集散控制系统中的集散控制系统中的PIDPID算法算法3.1 基本控制规律双位控制双位控制 断续控制开关断续控制开关P Proportional I Integra 连续量控制连续量控制D Derivative过程控制中，大部分基于反馈控制过程控制中，大部分基于反馈控制 偏差偏差e 测量信号测量信号pv：检测仪表送来：检测仪表送来 设定信号设定信号sp：内部人工设定或是外部输入：内部人工设定或是外部输入仪表系统中定义：仪表系统中定义：e=sp-pv 或为或为 e=r-y 或为或为 e=y-r=pv-spo 控制规律控
3、制规律就是控制器的输出信号随偏差信号变化而变化就是控制器的输出信号随偏差信号变化而变化的规律，即为一种函数关系。的规律，即为一种函数关系。偏差信号：偏差信号：e=r-y 控制输出：控制输出：u=f(e)3.1.1 双位控制（古老、简单）（又称开关控制）双位控制（古老、简单）（又称开关控制）根据输入偏差的正负，控制器输出为最大、最小，相应根据输入偏差的正负，控制器输出为最大、最小，相应执行器只有开和关的动作。执行器只有开和关的动作。)0(0)0(0minmaxeoreueoreuu理想时 理想的双位控制执行机构动理想的双位控制执行机构动作非常频繁，易损坏，执行机作非常频繁，易损坏，执行机构频繁动
4、作，加回差则控制不构频繁动作，加回差则控制不精确。精确。实际的双位控制器有中间区实际的双位控制器有中间区 例如热水器例如热水器若设定为若设定为50，通电，一直到，通电，一直到55，emax=5，才断开。，才断开。断开后温度下降，下降到断开后温度下降，下降到45时，时，emin=-5，才又通电加热。，才又通电加热。被控量在断续控制下为等幅振荡过程，如图：被控量在断续控制下为等幅振荡过程，如图：分析时以振幅和周期作为品质指标，希望振幅小，周期长分析时以振幅和周期作为品质指标，希望振幅小，周期长 双位控制小结双位控制小结o 双位控制器结构简单，容易实现控制，价格便宜；双位控制器结构简单，容易实现控制
5、，价格便宜；o 适用于单容对象且时间常数较大，负荷变化较小，过程适用于单容对象且时间常数较大，负荷变化较小，过程时滞小，工艺过程允许被控量在一定范围内波动的场合。时滞小，工艺过程允许被控量在一定范围内波动的场合。例如：贮槽液位，恒温箱，管式炉的温度控制等例如：贮槽液位，恒温箱，管式炉的温度控制等o 实施：带上、下限触点的检测仪表，双位控制器，配上实施：带上、下限触点的检测仪表，双位控制器，配上继电器，电磁阀执行器，磁力起动器等。继电器，电磁阀执行器，磁力起动器等。3.1.2 比例控制比例控制o1、比例控制规律比例控制规律 控制器输出量与偏差成比例关系控制器输出量与偏差成比例关系 即即Kp为比例
6、增益（放大倍数），为比例增益（放大倍数），决定了比例作用的强弱。决定了比例作用的强弱。)()(teKtupPcKsEsuG)()(实例实例：自力式液位比例控制系统自力式液位比例控制系统o 测量：浮球测量：浮球o 控制器控制器:杠杆杠杆o 执行器：活塞阀执行器：活塞阀baueeabu 当出水量变化时，要达到新的当出水量变化时，要达到新的平衡需要进水量相应变化，这平衡需要进水量相应变化，这要求浮球位置的改变，也就是要求浮球位置的改变，也就是说，控制是有余差的。这也是说，控制是有余差的。这也是比例控制的特点。比例控制的特点。abKp2、比例控制的范围及控制输出的饱和特性、比例控制的范围及控制输出的饱
7、和特性 o 图中的量是图中的量是百分数百分数o 控制输出有饱和特性（控制输出有饱和特性（u(t)有有量程范围），比例控制就有一量程范围），比例控制就有一定的范围定的范围o Kp越大，保持线性的范围越小越大，保持线性的范围越小o 过程控制中常用过程控制中常用比例度（带）比例度（带）P含义：输入偏差的相对变化值含义：输入偏差的相对变化值与控制器输出相对变化之比与控制器输出相对变化之比%100minmaxminmaxuuuyyepe(t)-50%50%50%100%u(t)Kp1Kp=1Kp1o 在控制器输入输出量程相同时，在控制器输入输出量程相同时，比例度（比例度（带带）p=1/Kp 比例增益（放
8、大倍数）的倒数。比例增益（放大倍数）的倒数。%100minmaxminmaxuuuyyep例：例：DDZ 仪表的输入仪表的输入/出量程为出量程为 420mAP=50%只要输入偏差变化只要输入偏差变化50%，即，即(20-4)50%=8mA 时，时，则输出变化全量程则输出变化全量程100%P=200%即输入变化即输入变化200%，即（，即（20-4）200%=32mA时，时，输出才变化全量程，输出才变化全量程，这是不可能的，越限了，最大只可能这是不可能的，越限了，最大只可能16mA 则输出变化了则输出变化了50%P越小，越小，Kp越大，控制能力越强越大，控制能力越强3、比例控制的特点及、比例控制
9、的特点及Kp的作用的作用（1）控制及时，反应灵敏；偏差越大，控制力度越大。）控制及时，反应灵敏；偏差越大，控制力度越大。（2）存在余差（静差）存在余差（静差）（3）Kp越大，余差越小，稳定性越差。越大，余差越小，稳定性越差。KKTSKKTSKKTSKKRYpppP1111SR1在单位阶跃输入SBTKKSAsYp1)(KKKKBBApp1)1()(11tTKKtTKKppeBBAetY若若，则，则有有 11)(limKKKKBtYppt有静差有静差4 4、分析比例系数、分析比例系数KpKp参数对过程的影响参数对过程的影响例如：受控对象为例如：受控对象为 取比例控制的参数为取比例控制的参数为 通过
10、通过MATLAB/SIMULINK MATLAB/SIMULINK 仿真实验得：仿真实验得：3.1.3 积分及比例积分积分及比例积分2、比例积分规律、比例积分规律PIe(t)Au(t)ttKpA iT1Ti2Ti12TTii 2Tti 1Tti 2KpA右图中右图中3、积分饱和问题、积分饱和问题o 积分饱和：积分饱和：只要偏差存在，积分作用不断增大或减小，只要偏差存在，积分作用不断增大或减小，直到极限值；若偏差直到极限值；若偏差e 一时不能消除，则调节器处于深一时不能消除，则调节器处于深度饱和。当偏差度饱和。当偏差e反向后，才能慢慢从饱和状态中退出，反向后，才能慢慢从饱和状态中退出，重新恢复控
11、作用。重新恢复控作用。积分饱和现象，大多数是有害的。积分饱和现象，大多数是有害的。o 一般的系统由于积分可消除余差，调节过程中逐步使一般的系统由于积分可消除余差，调节过程中逐步使 e 0，不会出现积分饱和现象。不会出现积分饱和现象。o 多发生于较复杂的控制系统，如选择性控制，自动启动多发生于较复杂的控制系统，如选择性控制，自动启动间隙控制，串级等。间隙控制，串级等。4 4、分析积分时间、分析积分时间TiTi参数对过程的影响参数对过程的影响 例如：例如：受控对象为受控对象为 取比例积分控制的参数为取比例积分控制的参数为通过通过MATLAB/SIMULINK建立仿真模型如下，建立仿真模型如下，23
12、5102、分分别别取取，ipTK 可见，在同样的比例系数下，积分时间越小，积分作用越强，稳定性越差。可见，在同样的比例系数下，积分时间越小，积分作用越强，稳定性越差。3.1.4微分控制及比例微分控制微分控制及比例微分控制o在比例在比例P的基础上增加了积分作用的基础上增加了积分作用I后，可消除余差，但为了抑制超后，可消除余差，但为了抑制超调，必须减少调，必须减少Kp，使整体性能变差，当对象之后很大时，或负荷变，使整体性能变差，当对象之后很大时，或负荷变化剧烈时，不能及时控制，而且偏差变化速度越大，产生的超调越大，化剧烈时，不能及时控制，而且偏差变化速度越大，产生的超调越大，需要越长的控制时间，此
13、时引入微分作用需要越长的控制时间，此时引入微分作用D。o微分作用微分作用D是根据是根据e的变化趋势进行动作，从而可能避免产生较大的的变化趋势进行动作，从而可能避免产生较大的偏差，可以减少调整时间。偏差，可以减少调整时间。1、微分作用、微分作用D 理想微分阶跃输出是幅度无穷大，脉宽趋理想微分阶跃输出是幅度无穷大，脉宽趋于于0的脉冲。的脉冲。D输出只与偏差的变化速度有关，与偏差的存输出只与偏差的变化速度有关，与偏差的存在与否无关，在与否无关，t0后，后，e固定不变时，不论固定不变时，不论e多大，多大，微分作用无输出微分作用无输出微分作用仅在微分作用仅在t=t0瞬间，持续时间太短，不能瞬间，持续时间
14、太短，不能有效推动阀门，所以加惯性延迟有效推动阀门，所以加惯性延迟实际中难以实现理想微分（实际中难以实现理想微分（D不单独使用）不单独使用）e(t)ttu(t)0t0t2、比例微分作用、比例微分作用PD 实际实际PD:工业中一般工业中一般KD取取510之间之间e(t)Au(t)KpAKpKdA0.368KpA(Kd-1)KdTdt 单位阶跃响应：单位阶跃响应：当当比例微分比例微分PD的特点：的特点：o PD也是有差调节也是有差调节o 微分微分D超前，用超前，用e变化趋势产生控制作用，能抑制振荡，变化趋势产生控制作用，能抑制振荡，有提高系统稳定性的作用，所以在比例有提高系统稳定性的作用，所以在比
15、例P的基础上引入微的基础上引入微分分D时，可适当减小比例度（即加入比例增益），性能改时，可适当减小比例度（即加入比例增益），性能改善。善。o PD的抗干扰能力较差的抗干扰能力较差3、分析微分时间、分析微分时间Td参数对过程的影响参数对过程的影响 215.02.05d、分分别别取取，TKp 例如：例如：受控对象为受控对象为 比例微分控制的参数为比例微分控制的参数为在同样的比例系数下，增大微分时间在同样的比例系数下，增大微分时间Td可抑制超调增强稳定性，如可抑制超调增强稳定性，如Td=1时时，比，比Td=0.2 时超调和稳定性都要好；但微分时间时超调和稳定性都要好；但微分时间Td过大，微分作用过强
16、时过大，微分作用过强时反而也出现振荡甚至发散。反而也出现振荡甚至发散。3.1.5 PID控制控制P、I、D三种控制方式各有其独特的作用，三种控制方式各有其独特的作用，oP是基本的控制方式，自始至终起着与是基本的控制方式，自始至终起着与e相对应的控制作用；相对应的控制作用；o加入了加入了I，可消除，可消除P无法消除的余差；无法消除的余差；o添入添入D可以在受到快速变化的干扰时，及时加入抑制，增加系统的可以在受到快速变化的干扰时，及时加入抑制，增加系统的稳定程度，稳定程度，理想理想PID 实际实际PID PID P I D偏差的偏差的 现在现在 过去过去 将来将来)(111)(sEKsTsTsTK
17、sudddip当输入偏差为阶跃变化当输入偏差为阶跃变化 则则 可见：可见：比例比例P是始终起作用的基本是始终起作用的基本分量分量微分微分D是偏差出现一开始有是偏差出现一开始有很大的输出，具有超前作用，很大的输出，具有超前作用，然后逐渐消失然后逐渐消失积分积分I则在开始时作用不明显，则在开始时作用不明显，随着时间的推移，作用逐渐增随着时间的推移，作用逐渐增大，起主要控制作用，直至余大，起主要控制作用，直至余差消失为止差消失为止PID 控制器三参数控制器三参数 Kp、Ti、Td的设定，实现的设定，实现P、PI、PD、PID。应用非常广泛，工业控制领域，实际应用达。应用非常广泛，工业控制领域，实际应
18、用达90%以上。以上。分析分析PID 各参数造成系统振荡的区别各参数造成系统振荡的区别o 在前面的分析中可知，无论比例作用、积分作用还是微分作用，在前面的分析中可知，无论比例作用、积分作用还是微分作用，当参数设置使其作用过强时，系统输出都有可能出现振荡，但各当参数设置使其作用过强时，系统输出都有可能出现振荡，但各种作用造成振荡的周期有一定的区别。种作用造成振荡的周期有一定的区别。o 例如某对象为例如某对象为 o 分别用分别用 (1)纯比例控制纯比例控制 Kp=1.9o (2)PI控制控制 Kp=1，Ti=2.5o (3)PD控制控制 Kp=1，Td=3o 进行调节，闭环系统的阶跃响应如图所示进行调节，闭环系统的阶跃响应如图所示o 可见，微分作用过强而引起的振荡周期最短；积分作用过强可见，微分作用过强而引起的振荡周期最短；积分作用过强而引起的振荡周期最长短；比例作用过强而引起的振荡周期而引起的振荡周期最长短；比例作用过强而引起的振荡周期介于二者之间。介于二者之间。o 根据此特点，在根据此特点，在PID 调节器整定参数时可以进行调整。调节器整定参数时可以进行调整。sessG4131)(
