6過控第六章PID控制器

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容6.1 PID控制原理6.2 PID控制參數(shù)的整定方法6.3 DDZ-III型PID控制器第六章 PID控制器設(shè)計及參數(shù)整定6.1 PID控制原理PID :Proportional-Integral-Derivative(比例積分微分) 本質(zhì)上是一種負反饋控制，特別適用于過程的動態(tài)性能良好而且控制性能要求不太高的情況。6.1 PID控制原理-比例控制控制器的輸出信號u與輸入偏差信號e成比例關(guān)系 0c)()(uteKtu比例增益 控制器輸出信號的起始值 )()(cteKtu增量形式 6.1 PID控制原理-比例控制%1001cK比例帶：調(diào)節(jié)閥開度改變100%（即對于氣開型調(diào)節(jié)閥從

2、全關(guān)到全開）時所需要的系統(tǒng)被控量的允許變化范圍。 比例增益習慣上使用比例度表示比例控制作用的強弱。 6.1 PID控制原理-比例控制特特 點點（1）有差調(diào)節(jié)： -只有當偏差e不為零時，控制器才會有輸出 -利用偏差實現(xiàn)控制 -只能使系統(tǒng)被控量輸出近似跟蹤給定值。6.1 PID控制原理-比例控制特特 點點（2）比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差隨比例帶的增大而增大 增大比例增益Kc，會使系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性變差，但是可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 6.1 PID控制原理-比例控制特特 點點（3）定值控制系統(tǒng)：實現(xiàn)被控量對給定值的有差跟蹤。 隨動控制系統(tǒng)：跟蹤誤差會隨時間的增大而增大。 適用于控制通道

3、滯后小，負荷變化不大，控制要求不高，被控參數(shù)在一定范圍內(nèi)允許有余差的定值控制場合。 振蕩逐漸加劇振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuu P越小，控制過程曲線越小，控制過程曲線越振蕩，周期縮短。越振蕩，周期縮短。 P越大，控制過程曲線越大，控制過程曲線越平穩(wěn)，但控制過程時越平穩(wěn)，但控制過程時間越長，余差也越大。間越長，余差也越大。出現(xiàn)等幅振蕩，這時的出現(xiàn)等幅振蕩，這時的比例度稱為臨界比例度比例度稱為臨界比例度Pmin ，振蕩頻率稱為臨，振蕩頻率稱為臨界振蕩頻率界振蕩頻率M00Id)()(ueStut6.1 PID控制原理-積分控制控制器的輸出信號u與輸入偏差信號e的積分成比例關(guān)系 積分速度控制器輸出信

4、號的起始值 6.1 PID控制原理-積分控制特特 點點（1）一種無差調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。（2）使系統(tǒng)的相頻特性滯后90o，造成控制作用不及時，使系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)變差，過渡過程比較緩慢?？梢姡e分控制是犧牲了動態(tài)品質(zhì)來換取穩(wěn)態(tài)性能的改善。（3）增大積分速度可以在一定程度上提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但卻會加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定程度，使系統(tǒng)振蕩加劇。 00Iccd)()()(ueTKetKtut比例環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)6.1 PID控制原理-比例積分控制增量形式 tteTeeTKetKtu0I0Iccd)(11d)()()(傳遞函數(shù) sTsTKsEsUsGIIcc11111)()()(積分時間常數(shù) 6.1 PI

5、D控制原理-積分控制特特 點點（1）PI控制結(jié)合P控制的快速反應(yīng)與I控制的消除穩(wěn)態(tài)誤差。 粗調(diào)：偏差出現(xiàn)時，比例作用迅速反應(yīng)輸入的變化； 細調(diào)：積分作用使輸出逐漸增加，最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。（2）系統(tǒng)的相頻特性存在相位滯后，造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性和 動態(tài)品質(zhì)變差。 vTI越大，積分作用越大，積分作用越弱，越弱， TI = ，積分作積分作用為零。用為零。TI減小，積分減小，積分作用增強，系統(tǒng)振蕩加作用增強，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。因此，劇，穩(wěn)定性下降。因此，加積分后，比例帶要適加積分后，比例帶要適當加大。當加大。v如果如果T1適當，系統(tǒng)適當，系統(tǒng)能很快消除余差。能很快消除余差。 積分時間積分時間TI 對

6、過渡過程的影響對過渡過程的影響uuuu6.1 PID控制原理-積分控制特特 點點（3）比例增益隨偏差的時間進程而不斷變化的比例作用。 6.1 PID控制原理-積分控制特特 點點（4）存在積分飽和現(xiàn)象 一般采用接入外部積分反饋或在控制內(nèi)自行切換PI-P控制方式等方法來防止積分飽和。 0Dd)(d)(utteStu6.1 PID控制原理-微分控制控制器的輸出信號u與輸入偏差信號e對時間的導數(shù)比例關(guān)系 ttOeOe=A根據(jù)變化趨勢提前動作。單純的微分控制器是不能工作的，只能起輔助調(diào)節(jié)作用。0Dccd)(d)()(utteTKteKtu比例環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)6.1 PID控制原理-比例微分控制增量形式 傳遞

7、函數(shù) 微分時間常數(shù) tteTtetteTKteKtud)(d)(1d)(d)()(DDcc111)()()(DDDcsKTsTsEsUsG微分增益，取5-10 決定微分作用的強弱有2個因素： 1) 起始跳變幅度，用微分增益KD來衡量， 2) 衰減時間長短，用微分時間TD來衡量。 輸出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越強。 微分時間TD越大，微分作用越強。 微分增益KD是固定不變的，只與控制器的類型有關(guān)。 反微分控制器運用于噪音較大的系統(tǒng)，起濾波作用。6.1 PID控制原理-比例微分控制特特 點點（1）有差調(diào)節(jié)。 在穩(wěn)態(tài)時，微分部分已不起作用，PD控制變成P控制。（2）微分環(huán)節(jié)的超前相位，提高

8、了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，有利于 系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，抑制過渡過程的動態(tài)偏差。（3）有利于減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。6.1 PID控制原理-比例微分控制特特 點點6.1 PID控制原理-比例微分控制（4）微分時間常數(shù)過大，微分作用太強，會導致輸出控制作用過大，使調(diào)節(jié)閥頻繁開啟，容易造成系統(tǒng)振蕩。 uuutttut TD較小，控制較小，控制速度稍有加快速度稍有加快 TD=0，純比純比例控制過程例控制過程TD太大，太大，出現(xiàn)出現(xiàn)等幅振蕩等幅振蕩 TD合適合適，控制控制速度明顯加快速度明顯加快 微分時間微分時間TD 對過渡過程的影響對過渡過程的影響0D0Icd)(dd )()()(utteStte

9、SteKtut比例環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)6.1 PID控制原理-比例積分微分控制增量形式 傳遞函數(shù) tteTKtteTKteKtutd)(dd)()()(Dc0IccsTsTsEsUsGDIc111)()()(6.1 PID控制原理-比例微分控制特特 點點與PD相比，PID提高了系統(tǒng)的無差度；與PI相比，PID多了一個零點，為動態(tài)性能的改善提供了可能。PID兼顧了靜態(tài)和動態(tài)控制要求。 對某一對象，用不同控制規(guī)律時階躍干擾過程比較被控變量被控變量t無控制作用無控制作用PPDPIDPI（PID）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響1）廣義過程控制通道時間常數(shù)較大或容積遲延較大時，引入微

10、分調(diào)節(jié)。若工藝容許有靜差，可選用PD調(diào)節(jié)；若工藝要求無靜差，可選用PID調(diào)節(jié)。2）廣義過程控制通道時間常數(shù)較小、負荷變化不大、且工藝要求允許有靜差時，可以選擇P調(diào)節(jié)。3）廣義過程控制通道時間常數(shù)較小、負荷變化不大、且工藝要求允許無靜差時，可以選用PI調(diào)節(jié)。4）廣義過程控制通道時間常數(shù)很大、且純時延較大、負荷變化劇烈時，不宜采用PID控制。6.1 PID控制原理-算法選擇原則5）廣義過程的傳遞函數(shù)表示為如下形式時則可根據(jù)0/T0的比值來選擇調(diào)節(jié)規(guī)律。0/T00.2，選用P或PI調(diào)節(jié)規(guī)律。0.20/T01.0，PID不能滿足控制要求。6.1 PID控制原理-算法選擇原則sesTKsGo1)(ooo

11、確定調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間TI和微分時間TD。整定的實質(zhì)是通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性 相匹配，以改變系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)指標，爭取最佳控制效果。 控制指標：系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)=0.75-0.9（衰減比n=4:1-10:1）6.2 PID控制參數(shù)的整定方法-概念對數(shù)頻率特性法 根軌跡法理論計算整定方法經(jīng)驗法 衰減曲線法 臨界比例度法響應(yīng)曲線法工程整定法需要知道數(shù)學模型需要知道數(shù)學模型不需要事先知道過程的數(shù)學模型，不需要事先知道過程的數(shù)學模型，可直接在系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定，比可直接在系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定，比較簡單較簡單6.2 PID控制參數(shù)的整定方法-分類被控過程的特點及其控制器參數(shù)范圍 6.2

12、 PID控制參數(shù)的整定方法-原則項目時滯容量數(shù)周期噪聲比例帶積分作用微分作用流量液體壓力無多容量110s有100500%50200%重要不用氣體壓力無單容量0無05%不必要不必要液位無單容量110s有550%少用不用溫度蒸汽壓力變動36minh無10100%用重要成分恒定1100minh存在1001000%重要可用調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)優(yōu) 點點缺缺 點點應(yīng)應(yīng) 用用P靈敏、簡單，只有一靈敏、簡單，只有一個整定參數(shù)；個整定參數(shù)；存在靜差存在靜差負荷變化不顯著，工藝指標負荷變化不顯著，工藝指標要求不高的對象。要求不高的對象。PI能消除靜差，又控制能消除靜差，又控制靈敏靈敏對于滯后較大的對象，對于滯后較大

13、的對象，比例積分調(diào)節(jié)太慢，效比例積分調(diào)節(jié)太慢，效果不好。果不好。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負荷變化不大、精度要小、負荷變化不大、精度要求高的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，流求高的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PD增進調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定增進調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定度，可調(diào)小比例度，度，可調(diào)小比例度，而加快調(diào)節(jié)過程，減而加快調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)偏差和靜差小動態(tài)偏差和靜差系統(tǒng)對高頻干擾特別敏系統(tǒng)對高頻干擾特別敏感，系統(tǒng)輸出易夾雜高感，系統(tǒng)輸出易夾雜高頻干擾。頻干擾。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大，但調(diào)節(jié)精度要求不高的大，但調(diào)節(jié)精度要求不高的對象。對象。PID綜合了各類調(diào)節(jié)

14、作用綜合了各類調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點，所以有更高的優(yōu)點，所以有更高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。的調(diào)節(jié)質(zhì)量。對于滯后很大，負荷變對于滯后很大，負荷變化很大的對象，化很大的對象，PID調(diào)調(diào)節(jié)也無法滿足要求，應(yīng)節(jié)也無法滿足要求，應(yīng)設(shè)計復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大、負荷變化較大、精度要大、負荷變化較大、精度要求高的對象。求高的對象。6.2 PID參數(shù)的整定方法-臨界比例度法一種閉環(huán)整定方法，即直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行，不需要測試過程的動態(tài)特性；方法簡單、使用方便。 將控制器的積分時間TI置于最大（ TI =） ，微分時間TD 置零（TD=0），比例帶置為較大的數(shù)值, 把系統(tǒng)投入閉

15、環(huán)運行。 系統(tǒng)穩(wěn)定后，施加一個階躍輸入；減小比例度，直到出現(xiàn)等幅振蕩為止。6.2 PID參數(shù)的整定方法-臨界比例度法 記錄臨界比例帶和等幅振蕩周期。 根據(jù)K和TK ，采用下表中的經(jīng)驗公式，計算控制器各參數(shù)。 按先P，后I，最后D的操作程序，將控制器整定參數(shù)調(diào)到計算值上；觀察其運行曲線，作進一步調(diào)整。6.2 PID參數(shù)的整定方法-臨界比例度法6.2 PID參數(shù)的整定方法-臨界比例度法 受到一定的限制。如有些系統(tǒng)不允許進行反復振蕩試驗；如時間常數(shù)較大的單容過程，采用比例控制時根本不可能出現(xiàn)等幅振蕩。 過程特性不同，整定得到的控制器參數(shù)不一定能獲得滿意結(jié)果。如無自衡特性過程，整定參數(shù)往往會使系統(tǒng)響應(yīng)

16、的衰減率偏大（即0.75）；有自衡特性的高階等容過程，整定參數(shù)使系統(tǒng)衰減率偏?。?.75）。 將控制器的積分時間TI置于最大（ TI =） ，微分時間TD 置零（TD=0），比例帶置為較大的數(shù)值, 把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。 系統(tǒng)穩(wěn)定后，施加一個階躍輸入；減小比例度，直到出現(xiàn)衰減振蕩為止。記錄比例帶，及衰減振蕩周期或上升時間。6.2 PID參數(shù)的整定方法-衰減曲線法 根據(jù)K,TS ,tp，采用下表中的經(jīng)驗公式，計算控制器各參數(shù)。 按先P，后I，最后D的操作程序，將控制器整定參數(shù)調(diào)到計算值上；觀察其運行曲線，作進一步調(diào)整。6.2 PID參數(shù)的整定方法-衰減曲線法6.2 PID參數(shù)的整定方法-衰減曲線

17、法準確地確定系統(tǒng)4:l（或l0:1）的衰減程度比較困難不適用于一些擾動比較頻繁、過程變化比較快的系統(tǒng)。一種開環(huán)整定方法。利用系統(tǒng)開環(huán)廣義對象的階躍響應(yīng)曲線進行控制器參數(shù)整定。6.2 PID參數(shù)的整定方法-反應(yīng)曲線法 系統(tǒng)置于開環(huán)狀態(tài)。 在調(diào)節(jié)閥Gv(s)的輸入端施加一個階躍信號，記錄下測量變送環(huán)節(jié)Gm(s)的輸出響應(yīng)曲線c(t)。 6.2 PID參數(shù)的整定方法-反應(yīng)曲線法 根據(jù)階躍響應(yīng)曲線，得到廣義被控過程的傳遞函數(shù)。 根據(jù)近似經(jīng)驗公式計算控制器參數(shù)。A.無自平衡廣義過程 6.2 PID參數(shù)的整定方法-反應(yīng)曲線法sessG)(08 .0D) 3 . 025. 0 (DTB.自平衡廣義過程 6.

18、2 PID參數(shù)的整定方法-反應(yīng)曲線法8 .0D) 3 . 025. 0 (DTssesTesTKsG0000111)(6.2 PID參數(shù)的整定方法-反應(yīng)曲線法柯恩（Cheen）-庫思（Coon）整定公式 10011( /)0.3333TK100200I00110.9( /)0.0823.33( /)0.3( /) 12.2()TKTTTTT100200I000D00111.35( /)0.272.5( /)0.5( /) 10.6( /)0.37( /)10.2( /)TKTTTTTTTTTP控制器： PI控制器： PID控制器： 幾種整定方法的比較幾種整定方法的比較整定方法整定方法優(yōu)優(yōu) 點點

19、缺缺 點點反應(yīng)曲線法反應(yīng)曲線法方法簡單方法簡單系統(tǒng)開環(huán)，被調(diào)量變化系統(tǒng)開環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn)較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)會出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩會出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線法衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全系統(tǒng)閉環(huán)，安全實驗費時實驗費時經(jīng)驗法經(jīng)驗法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算需要經(jīng)驗需要經(jīng)驗6.2 PID參數(shù)的整定方法-自整定用于在被控過程特性發(fā)生變化時，對控制器參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)整。 6.2 PID參數(shù)的整定方法-自整定極限環(huán)自整定法 開關(guān)S置于位置2，具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)接入閉環(huán)系統(tǒng)，產(chǎn)生自激等幅振蕩，獲得極限環(huán)；測出極限環(huán)的幅值和臨界振蕩周期，計算出臨界比例度

20、；根據(jù)記錄的k和Tk，按照臨界比例度法計算公式計算控制器參數(shù)；將系統(tǒng)切換到PID工作狀態(tài)，投入整定的PID參數(shù)，并在運行過程中適當調(diào)整。 全刻度指示控制器6.3 DDZ-III型PID控制器將變速器送來的1-5V.DC的測量信號，與1-5V.DC的給定信號進行比較得到偏差信號，然后再將其偏差信號進行PID運算，輸出4-20mA.DC信號，傳遞給執(zhí)行器，實現(xiàn)對過程參數(shù)的自動控制。 1、偏差指示控制器2、全刻度指示控制器0204060801000100XS107312549861211(a) 正面板右側(cè)圖(b) 側(cè)面圖左側(cè)圖191617231320222115142427 2625186.3 DD

21、Z-III型PID控制器全刻度指示控制器-外部結(jié)構(gòu)控制單元控制單元指示單元指示單元測量指示電路給定指示電路輸入電路PD電路PI電路輸出電路250硬手動電路軟手動電路測量指示給定指示1 5iVV01V02VsVsS4 20mA0I給定單元給定單元6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-內(nèi)部結(jié)構(gòu)基準電壓0V輸入信號給定信號輸出信號 A1的負反饋6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-輸入電路獲得輸入信號Vi和給定信號Vs之差比例的偏差信號；對偏差信號實現(xiàn)電平移動。12301011211()32BFFiFFiBIIIUUUUUURRRUUUU6.3 DDZ-III型PID

22、控制器全刻度指示控制器-輸入電路)(31321BsTTBSTTUUURUURUURUIII A1為理想運算放大器， 其輸入阻抗為無窮大， T點與F點同電位， 即 UT=UF整理得：U U0101=2=2（U Us s-U-Ui i）U01通過微分電阻RD，微分電容CD進行微分運算，經(jīng)RP比例放大后輸出給U02。6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PD電路S打在右邊：微分作用A2的輸入端由RD、CD等無源PD電路組成6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PD電路11 . 9 和DRDdTRIUnU011的分壓和為11 .9n0111UsCRsCnnIDDDD01

23、11UnnsCIRIDdDd021UUFsKTsTksUsUsWDDDp1)1 ()()()(201022sCRPRPSUnnSUnsUDDDT1)(1)(1)(0101)(11101sUsCRPsCnRPnDDDDTFUU)(11)(0102sUsCRPsCnRPnsUUDDDDFnKD微分增益DDDDDDCRPKCRPnT微分時間常數(shù)6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PD電路s打在左邊時，斷開微分作用電路只有比例作用，CD將與9.1k并聯(lián)，則CD上的電壓始終跟隨9.1k電阻壓降，保證s從”斷“切到“通”時，輸出保持不變，實現(xiàn)無擾切換。6.3 DDZ-III型PID控制器

24、全刻度指示控制器-PD電路S1，S2：聯(lián)動時間開關(guān)S3：積分時間換擋CM：積分電容RPI：積分電阻射極跟隨器：射極輸出近似跟隨基極輸入，且同相位。減少對上級的影響，隔離、提高帶載能力。6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PI電路011030202SCUURUmUSCUUMFIFIF023330311 1111 USCRKCCKSCmRCCUKUMIMIIIMIF02031111USTKSTCCUIIIMI忽略, 11 1,10353MIMICCKCCK6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PI電路S3接到x10位置實際電阻為積分時間常數(shù)積分增益比例增益IIII

25、MIRRCmRTCCKKCCKpPmIIM3I3STKSTKpsWIII1111 )(33min251 . 0,10min5 . 201. 0, 1150006210IIIMITmTmKRFCC6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-PI電路)24(322BBTURRRUU321434,RRRRR245451BTUU同相端反相端1034)(RUUURUUBFFf)(515403UUUUBfF6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-輸出電路0030041244241( )4250FTf03fff03UUUUUI RUIIW sRUVDCURf51,5 .6203DCmAII204006.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器-傳遞函數(shù)STKSTSKTSTKpKpKpKpsWsWsWsWsWIIIDDD111111)()()()()(43214321STKTKKTSKTSTSTTTKpKpKpKpIIIIDDDDIDID11114321STKSKTSFTSFTKpFSWIIDDID1111)(忽略相互干擾系數(shù), 11250124321IIDDIDMITKKTTTFCCnKpKpKpKpKp6.3 DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制