第二章比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過程ppt課件

1、過程控制工程過程控制工程過程控制工程過程控制工程過程控制工程過程控制工程FPID控制的優(yōu)點(diǎn)控制的優(yōu)點(diǎn)F負(fù)反饋控制的概念負(fù)反饋控制的概念F調(diào)節(jié)器正反作用的選擇調(diào)節(jié)器正反作用的選擇過程控制工程過程控制工程FPIDPID控制是比例積分微分控制的簡稱?？刂剖潜壤e分微分控制的簡稱。F在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中，在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中，PIDPID控制是控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。FPID PID 控制的優(yōu)點(diǎn)：控制的優(yōu)點(diǎn)：F原理簡單，使用方便。原理簡單，使用方便。F適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶

2、金、煉油以及造紙等各種生產(chǎn)部門。、煉油以及造紙等各種生產(chǎn)部門。F按按PIDPID控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器已商品化。控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器已商品化。F魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感?；淮竺舾小IDPID控制的優(yōu)點(diǎn)控制的優(yōu)點(diǎn)過程控制工程過程控制工程)(sGc)(sGP)(sGd)(tr)(te)(tu)(tyD圖圖2.12.1生產(chǎn)過程簡單控制系統(tǒng)方框圖生產(chǎn)過程簡單控制系統(tǒng)方框圖)(ty過程控制工程過程控制工程F正作用方式是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)正作用方式是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u(t)u(t)隨隨著被調(diào)量著被調(diào)量y(t)y(t)的增大而增大

3、。的增大而增大。 反作用方式是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)反作用方式是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u(t)u(t)隨隨著被調(diào)量著被調(diào)量y(t)y(t)的增大而減小。的增大而減小。 注意：由于儀表的偏差注意：由于儀表的偏差e(t)=y(t)-r(t),e(t)=y(t)-r(t),所以調(diào)節(jié)器為正作用方式時(shí)，所以調(diào)節(jié)器為正作用方式時(shí)，KcKc為負(fù)。為負(fù)。過程控制工程過程控制工程F調(diào)節(jié)器正反作用的選擇原則：整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)調(diào)節(jié)器正反作用的選擇原則：整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。反饋系統(tǒng)。F調(diào)節(jié)器正反作用的選擇方法：閉環(huán)回路上所有調(diào)節(jié)器正反作用的選擇方法：閉環(huán)回路上所有環(huán)節(jié)的增益之乘積是正數(shù)。環(huán)節(jié)的增益之乘積是正數(shù)。cK)(tr

4、)(te)(tu)(tyvKKmK反作用調(diào)節(jié)器反作用調(diào)節(jié)器過程控制工程過程控制工程LC蒸汽汽包省煤器給水調(diào) 節(jié) 閥：氣關(guān)閥 ()被控對(duì)象： （+）測(cè)量變送器： （+）結(jié)論：調(diào)節(jié)器為（），即正作用 調(diào)節(jié)器分析：分析：H測(cè)量值測(cè)量值Ym（正作用調(diào)節(jié)（正作用調(diào)節(jié)器控制信號(hào)器控制信號(hào)U（氣關(guān)閥閥門開度（氣關(guān)閥閥門開度液位液位H過程控制工程過程控制工程過程控制工程過程控制工程F比例調(diào)節(jié)的動(dòng)作規(guī)律，比例帶比例調(diào)節(jié)的動(dòng)作規(guī)律，比例帶F比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，有差調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，有差調(diào)節(jié)F比例帶對(duì)于調(diào)節(jié)過程的影響比例帶對(duì)于調(diào)節(jié)過程的影響過程控制工程過程控制工程F式中式中 稱為比例增益。稱為比例增益。F在過程控制中

5、習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸在過程控制中習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入于輸出之間的比例關(guān)系：入于輸出之間的比例關(guān)系：eKuccK 比例帶比例帶 的物理意義：假如的物理意義：假如 直接代表調(diào)節(jié)閥直接代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量，那么比例帶開度的變化量，那么比例帶 就代表使調(diào)節(jié)閥就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變開度改變100%100%即從全關(guān)到全開時(shí)所需要的被調(diào)即從全關(guān)到全開時(shí)所需要的被調(diào)量的變化范圍。量的變化范圍。ueu1過程控制工程過程控制工程F比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)。 負(fù)荷：指物料流或能量流的大小。負(fù)荷：指物料流或能量流的大小。01QQ AOB0A0A1001000蒸

6、汽蒸汽D冷水冷水QCT過程控制工程過程控制工程F比例帶比例帶 臨界穩(wěn)定狀態(tài)下的比例帶為：臨界穩(wěn)定狀態(tài)下的比例帶為：crcrcrcrKK即,11穩(wěn)定性變差穩(wěn)定性變差穩(wěn)態(tài)誤差變小穩(wěn)態(tài)誤差變小e() KcrKcr為對(duì)象臨界穩(wěn)定頻率下的增益。為對(duì)象臨界穩(wěn)定頻率下的增益。下面，我們以一個(gè)例題來說明比例帶對(duì)控制系統(tǒng)下面，我們以一個(gè)例題來說明比例帶對(duì)控制系統(tǒng)的影響。知，單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為：的影響。知，單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為：)56()(2sssKsGP過程控制工程過程控制工程的仿真曲線0 . 26 . 12 . 18 . 04 . 0PK過程控制工程過程控制工程的仿真曲線171272PK過程控制

7、工程過程控制工程的仿真曲線323020PK過程控制工程過程控制工程比例控制的優(yōu)點(diǎn)：比例控制的優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)快，控制及時(shí)。偏差越大，輸出的控制反應(yīng)快，控制及時(shí)。偏差越大，輸出的控制作用越強(qiáng)。作用越強(qiáng)。 一般來說，若對(duì)象的滯后較小、時(shí)間一般來說，若對(duì)象的滯后較小、時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時(shí)，控制器的常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時(shí)，控制器的比例度可以學(xué)的小寫，以提高系統(tǒng)的靈敏比例度可以學(xué)的小寫，以提高系統(tǒng)的靈敏度，是反映快些，過渡過程曲線的形狀好度，是反映快些，過渡過程曲線的形狀好些。反之，比例度大寫意保證穩(wěn)定。些。反之，比例度大寫意保證穩(wěn)定。過程控制工程過程控制工程過程控制工程過程控制工程F積分調(diào)節(jié)動(dòng)

8、作規(guī)律積分調(diào)節(jié)動(dòng)作規(guī)律F積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，無差調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，無差調(diào)節(jié)F積分速度對(duì)于調(diào)節(jié)過程的影響積分速度對(duì)于調(diào)節(jié)過程的影響過程控制工程過程控制工程F式中式中 稱為積分速度。稱為積分速度。tedtSueSdtdu0000S二二.積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，無差調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，無差調(diào)節(jié)只要只要 時(shí)，時(shí)， （停止變化）；（停止變化）； 可停止在任何數(shù)值上；可停止在任何數(shù)值上；穩(wěn)定性比穩(wěn)定性比P調(diào)節(jié)差。調(diào)節(jié)差。0)(te常數(shù))(tu)(tu過程控制工程過程控制工程F積分速度積分速度0S穩(wěn)定性變差，系統(tǒng)反應(yīng)變快穩(wěn)定性變差，系統(tǒng)反應(yīng)變快最大偏差最大偏差A(yù)變小變小 下面，我們以一個(gè)例題來說明積分速度對(duì)控制下面，

9、我們以一個(gè)例題來說明積分速度對(duì)控制系統(tǒng)的影響。知，單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)的影響。知，單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為：為：6717400)(2sssGp過程控制工程過程控制工程過程控制工程過程控制工程積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)1pK8 . 00SP 與I調(diào)節(jié)過程的比較過程控制工程過程控制工程So=2 過大So=0.1 太小So=0.8 適當(dāng)積分作用對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響過程控制工程過程控制工程過程控制工程過程控制工程F比例積分調(diào)節(jié)的動(dòng)作規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)的動(dòng)作規(guī)律F比例積分調(diào)節(jié)過程比例積分調(diào)節(jié)過程F積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和的措施積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和的措施過程控制工程過程控制工程tItCedt

10、TeuedtSeKu000)1(1或或etteeITu00eTI可衡量幾分部分在總輸出中占的比重： TI越小，積分部分所占的比重越大。過程控制工程過程控制工程F以下圖中的熱水加熱器為例，分析以下圖中的熱水加熱器為例，分析PIPI調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)過程的進(jìn)行情況。的進(jìn)行情況。 CT蒸汽蒸汽D冷水冷水Q殘差的消除是殘差的消除是PIPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器積分動(dòng)作的結(jié)果。積分動(dòng)作的結(jié)果。假定以假定以 代表調(diào)節(jié)過代表調(diào)節(jié)過程結(jié)束后閥門開度的變程結(jié)束后閥門開度的變化量，則有化量，則有IITedtedtT001或過程控制工程過程控制工程F知，單位負(fù)反饋知，單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：為：)56(1)(2s

11、sssG過程控制工程過程控制工程F應(yīng)當(dāng)注意：應(yīng)當(dāng)注意：F PI調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。F 在比例帶不變下，在比例帶不變下，TI 是控制系統(tǒng)是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調(diào)節(jié)過程加快穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調(diào)節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。、振蕩頻率升高。過程控制工程過程控制工程F積分飽和的概念積分飽和的概念F積分飽和產(chǎn)生的條件積分飽和產(chǎn)生的條件調(diào)節(jié)器具有積分控制規(guī)律調(diào)節(jié)器具有積分控制規(guī)律調(diào)節(jié)器輸入偏差長期得不調(diào)節(jié)器輸入偏差長期得不到校正到校正抗積分飽和的措施：抗積分飽和的措施：外反饋法；外反饋法；積分切除法；積分

12、切除法；限幅法。（是針對(duì)串級(jí)系限幅法。（是針對(duì)串級(jí)系統(tǒng)來說，在第二篇講）統(tǒng)來說，在第二篇講）tttt1t3t2t0100C/r000100MPau/0.100.14過程控制工程過程控制工程F在氣動(dòng)調(diào)節(jié)器和計(jì)算機(jī)上比較有效的辦法是采用在氣動(dòng)調(diào)節(jié)器和計(jì)算機(jī)上比較有效的辦法是采用外加積分反饋，即調(diào)節(jié)器在開環(huán)狀態(tài)下不選用調(diào)外加積分反饋，即調(diào)節(jié)器在開環(huán)狀態(tài)下不選用調(diào)節(jié)器自身的輸出作反饋，而是用其他相應(yīng)的信號(hào)節(jié)器自身的輸出作反饋，而是用其他相應(yīng)的信號(hào)作反饋以限制其積分作用的方法。作反饋以限制其積分作用的方法。reCK11sTIufb圖圖2.13積分動(dòng)作由調(diào)節(jié)器輸出通過積分動(dòng)作由調(diào)節(jié)器輸出通過 慣性慣性環(huán)節(jié)

13、正反饋實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)正反饋實(shí)現(xiàn)y過程控制工程過程控制工程reCK11sTIufbLSHShSauquhuKy間隙單元間隙單元)(11)()(sUsTsEKsUaIC（1正常情況下，低選器正常情況下，低選器的輸出為的輸出為u, 即即f=u, 那么：那么：)()11 ()(sEsTKsUICPI調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)作用（2非正常情況下，低選非正常情況下，低選器的輸出為器的輸出為ua, 即即f=ua, 那那么么調(diào)節(jié)器切換成比例作用，防止了調(diào)節(jié)器切換成比例作用，防止了積分飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)。積分飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)。過程控制工程過程控制工程C2C1R1RIR2oEhESA8Ah+iEhEiEoE0tiE0t0t1tiE正常情

14、況下，開關(guān)正常情況下，開關(guān)S斷開，斷開，PI運(yùn)算；運(yùn)算；iahoEEASEE的反相器，：成為閉合。開關(guān)當(dāng)11,8A8 比例積分運(yùn)算比例積分運(yùn)算放大器，放大器，Ah為比為比較放大器。較放大器。輸出電壓階躍響應(yīng)過程控制工程過程控制工程過程控制工程過程控制工程F微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)F比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律F比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)F比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律過程控制工程過程控制工程dtdeSu2二二.比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律)(12dtdeTeudtdeSeKuDC或111)(SKTsTsGDDD工業(yè)上實(shí)際采用的工業(yè)上實(shí)際采用的PD調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的傳遞

15、函數(shù)是：器的傳遞函數(shù)是：式中式中 稱為微分增益。稱為微分增益。DK具有預(yù)見性具有預(yù)見性過程控制工程過程控制工程eu001) 1(632. 0DK/1DDKTDKtttteu00TDPD調(diào)節(jié)器的單位階躍響應(yīng)PD調(diào)節(jié)器的斜坡響應(yīng)過程控制工程過程控制工程F微分時(shí)間微分時(shí)間適度增加適度增加DT穩(wěn)定性變好，穩(wěn)定性變好，系統(tǒng)反應(yīng)變快，穩(wěn)態(tài)誤差變小系統(tǒng)反應(yīng)變快，穩(wěn)態(tài)誤差變小 206717400)(23SsssGPD調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)；適度引入微分調(diào)節(jié)作用有利于提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；適度引入微分調(diào)節(jié)作用有利于提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；微分作用太強(qiáng)易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和；故微分只起輔助作用微分作用太

16、強(qiáng)易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和；故微分只起輔助作用PD 調(diào)節(jié)器的抗干擾能力很差。調(diào)節(jié)器的抗干擾能力很差。過程控制工程過程控制工程微分調(diào)節(jié)TD=0.2，KP=0.8微分調(diào)節(jié)TD=0.2，KP=5比例調(diào)節(jié)KP=1過程控制工程過程控制工程太大DDTT,5太小DDTT,08. 0適當(dāng)DDTT,2 . 0過程控制工程過程控制工程tDItCdtdeTedtTeudtdeSedtSeKu002011 或sKTsTKsTsTKsGPIDsTsTsGDDIIDCDI1111)(111)(1調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：工業(yè)上實(shí)際采用的過程控制工程過程控制工程 特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，過渡過程時(shí)間短，特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，過渡過程

17、時(shí)間短，但有余差。但有余差。 適用：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大適用：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。，允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。 選擇調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律應(yīng)根據(jù)對(duì)象特性、負(fù)荷選擇調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律應(yīng)根據(jù)對(duì)象特性、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時(shí)變化、主要擾動(dòng)和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時(shí)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等因素。還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等因素。1.比例調(diào)節(jié)器的選擇比例調(diào)節(jié)器的選擇過程控制工程過程控制工程(1)(1)特點(diǎn)：過渡過程結(jié)束時(shí)無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)特點(diǎn)：過渡過程結(jié)束時(shí)無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。定性降低。(2)(2)適用：滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不適用：滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)允許有余差的控制系統(tǒng) 。3 3、PDPD調(diào)節(jié)器的選擇調(diào)節(jié)器的選擇(1)(1)特點(diǎn)：具有超前作用，使系統(tǒng)反應(yīng)變快。特點(diǎn)：具有超前作用，使系統(tǒng)反應(yīng)變快。(2)(2)適用：被控對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容適用：被控對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容積遲延較大的系統(tǒng)積遲延較大的系統(tǒng) 。過