工业过程控制工程课件第五章常规控制器的选型、整定和系统投运
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为了维持原有稳定性，控制器增益必 须降低，即PI调节器的比例带必须适量 加大。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
讨论：Ti变化对过渡过程的影响 P61图5.1-4
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
积分时间变化对过渡过程的影响：
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5wenku.baidu.com2.1 比例控制器（P控制器）
3) Kc变化对系统指标的影响 见表5.1-1 Kc由小变大 Kc由小变大 衰减系数 大 → 小 稳定程度 大 → 小 衰减比B1/ B2 大 → 小 最大偏差 余差 大→小 大→小
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
P调节：快速消除干扰影响 I调节：消除残差，无差调节（I调节的特 点） 优点：引入积分作用，系统具有消除余差的 功 能。 适用：要求静态无余差，控制对象容量滞后 小，负荷变化幅度较大，变化过程较 缓慢的场合。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2 三类常规控制器
本节的主要内容:
5.2.1 5.2.2 比例控制器（P） 比例积分控制器（PI）
5.2.3
5.2.4
比例积分微分控制器（PID）
积分饱和及其防止
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
1)最基本、最主要的控制规律:
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.2 控制器（调节器）的种类
按传递信号形式分类 模拟调节器 数字调节器
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.3 PID控制器概述
PID控制：比例、积分、微分控制
在生产过程自动控制的发展历程中， PID控制是历史最久、生命力最强的基本控 制方式。 在40年代以前，除了在最简单的情况下 可采用开关控制外，PID是唯一的控制方式。
属于有差（余差、残差或偏差）调节。 优点：能迅速克服扰动影响，较快稳定 下来； 适用：干扰变化幅度小，自平衡能力强， 对象滞后（τ/T）较小，控制质量 要求不高，系统允许有一定范围 余差的场合。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
表达式： 微分方程式
u (t ) K c e (t ) u 0
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.2 控制器（调节器）的种类
按能源分类 气动调节器：以压缩空气为能源及 信号 电动调节器：以电为能源及信号 液动调节器：以液压（油压）为能 源及信号(较少用）
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.2 控制器（调节器）的种类
按控制作用分类 P 调节器 PI 调节器 PD 调节器 PID 调节器 双位调节器 双位调节器:只有通断（或开、闭）两种工 作 状态，作用不连续 。实质是增 益很大的P调节器。
在过程控制中，人们首先想到的总 是PID控制。一个大型的现代化生产装 置的控制回路可能多达一二百甚至更多， 其中绝大部分都采用PID控制。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.3 PID控制器概述
例外情况： 1. 被控对象易于控制，控制要求又不 太高，可采用简单的开关控制方式； 2. 被控对象难以控制，要求又特别高 的情况，这时若PID控制难以达到生 产要求，就要考虑采用更先进的控 制方式。
c
其中（3）由（2）观察推得： KP(Kci) max与Gi’成反比 Gi’小，KP(Kci)max大
G
'
G ( j c ) K cK
p
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
结论：积分作用使系统稳定性降低 （ T 稳定性 ） i PI调节器引入积分作用带来消除系统残 差的好处，同时却降低了原有系统的稳 定性。
PB= e/ Z m ax Z m in P / P m ax
Pm in
100 0 0 Pm in
：调节器输出信号的变化范围 ：仪表量程
P 式中：m ax
Z m ax Z m in
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
2)比例度（比例带）的概念（σ ，PB） P59 通常： 1≤PB≤500% e —偏差 P—调节器输出 对单元组合仪表调节器：
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
积分作用的特点： 具有积分作用的控制器，其静态增益无穷 大，因而能消除余差。
积分作用引起的相角滞后会恶化系统动 态性能。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
例：有一广义对象的传递函数为
1) 其它参数不变（Kc不变），仅Ti变化 Ti↓ → 最大偏差↓ → 工作频率↑ 2) 系统稳定性不变，Ti变化 （ Ti变化后，要调整比例度PB） Ti↓ → 最大偏差↑ → 工作频率↓
5.1.3 PID控制器概述
PID控制的优点： 原理简单，使用方便 适应性强: 按PID进行工作的自动调节 器早已商品化，目前最新式的过程控制 计算机，其基本的控制规律仍然是PID 控制。 鲁棒性强: 其控制品质对被控对象特性 的变化不太敏感。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.3 PID控制器概述
Ti K（K c） 可控性 稳定性 p max T K（K ） 可控性 稳定性 p c max i
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
结论：
PI调节器是在牺牲控制系统的动态
品质的情况下，来换取较好的稳定性能。
(K c 2 ) max
(K c 3 ) max
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
由图中观察到： （1） c1 c 2 c 3 （2） G1 G2 G3
' ' '
Ti c i
Ti Gi
（3） K p ( K c1 ) max
传递函数
G ( s ) K c 或 G ( j ) K
(5.1-1)
(5.1-3)
应用：压缩机储气罐压力控制、储液槽液位控制
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
2)比例度（比例带）的概念（σ ，PB） 控制器中采用比例度表示比例作用的强弱， 其表达式为：
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.3 PID控制器概述
PID控制：比例、积分、微分控制
随着科学技术的发展，特别是μC的诞生 和发展，涌现出许多新的控制算法，如模糊 控制、自适应控制、鲁棒控制等。 PID控制由于其自身的优点，仍是最广 泛应用的基本控制方式。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
3）讨论对系统质量的影响
积分时间对系统质量影响
P61表5.1-4
Ti
10 1 0.1
曲 线 1 2 3
c
c1
c 2
c3
G
G ( j c ) Kc K p
临界控制器增益
(KC)max
G1 G2
G3
(K c1 ) max
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
PI控制器
幅频—相频特性： P60图5.1-2
低频：振幅比
很大
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
积分控制作用可以消除静差，但因积分作用 时随着时间积累而逐渐加强，所以控制作用缓慢， 在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及时 控制。 当对象的惯性较大时，被控参数将出现较大 的超调量，控制时间也较长，严重时甚至使系统 难以稳定。 因此，积分作用不宜单独使用，往往将P和I 组合成PI调节器，这样控制既及时，又能消除余 差。
PB= 1 K
c
100
0 0
(5.1-2)
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
比例度（PB）的物理意义
物理意义：输出信号作全范围的变化时，所需 输入的信号的变化（占全量程）的百分数。 对于阀门开度：PB代表阀门开度改变100％， 即从全关到全开时，所需的被调量的变化范围。 只有当被调量处在这个范围以内，阀的开度（变 化）才与偏差成比例。超过这个“比例带”以外， 阀就处于全开或全关的状态，此时调节器的输入 与输出已不再保持比例关系，调节器暂时失去控 制作用。
传递函数
u (t ) K c ( e
1 Ti
t 0
edt ) u 0
T i j 1 T i j
(5.1-5)
G c ( s ) K c (1
1 Ti s
) G c ( j ) K c (
)
(5.1-6)
幅频—相频特性：P60图5.1-2 低频：振幅比很大
f (频率) 0时，AR （振幅比） ，（相角） -90
G p (s)
K
2
p
( T1 s 1) ( T 2 s 1)
式中，T1＝1， T2＝0.1 讨论：PI控制器当积分时间Ti 变化时，对系统 质量的影响。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
解：1）先求开环频率特性：
G ( j ) K c ( j ) G p ( j ) K c (1 1 )
5.2.2 比例积分控制器（PI）
P I调节器： 添加积分作用的目的：在系统经受干扰后， 使输出返回设定值，即消除余差。 注意：PI控制器在某些控制系统中，可能 产生积分饱和现象，具体选用时，应注 意考虑采取抗饱和措施。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
比例积分控制器表达式： 微分方程式
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
第五章 常规控制器的选型、整定 和系统投运
本章的主要内容: 5.1 5.2 基本概念 三类常规控制器 P59 P59
5.3
5.4
控制规律的选取
控制器参数整定
P63
P64
5.5
控制系统的投运
P67
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1
基本概念
本节的主要内容:
K p ( K c 2 ) max K p ( K c 3 ) max
Ti (K ci )max
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
临界震荡条件： K c K p G ( j ) 1 a. 开环系统的振幅比为1 b. 开环系统的相角为-180°
(5.1-8)
Kp
2
Ti j (T1 s 1) (T 2 s 1)
Kp (T1 s 1) (T 2 s 1)
2
+
R (s)
Kc(
Ti s 1 Ti s
)
Y (s)
方框图
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
2）按十倍频之差选三种积分时间
Ti1 10 Ti 2 1 Ti 3 0.1
5.2.1 比例控制器（P控制器）
3) Kc变化对系统指标的影响
K c B1 B2 稳定度 最大偏差A 余差
Kc调整中的矛盾：稳定程度（最大偏差A） 控制精度（余差）
K c 精度 稳定度
Kc参数的整定，就是对这两个指标作权衡， 使得两个指标都符合要求。
5.1.1 5.1.2 控制器的作用 控制器（调节器）的种类 按能源分类 按控制作用分类 按传递运算信号形式分类 PID控制器概述
5.1.3
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.1 控制器的作用
控制器是控制系统的心脏，是系统重要的 组成部分，其输出一般送到控制阀。 控制 (调节)作用：将被控量与给定值进行比较， 得到偏差，并按一定的控制规律发出控制信号， 控制生产过程，使被控量等于给定值。 控制规律：调节器的输出随输入的变化而变化的 规律。
绘制开环频率特性图（对数频率特性） P61图5.1-3 0－对象频率特性 1，2，3－经Ti1、Ti2、Ti3叠加后系统开 环特性
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
开环频率特性图 （对数频率特性） P61图5.1-3 0－对象频率特性 1，2，3 - 经Ti1、 Ti2、Ti3叠加后 系统开环特性
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
讨论：Ti变化对过渡过程的影响 P61图5.1-4
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
积分时间变化对过渡过程的影响：
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5wenku.baidu.com2.1 比例控制器（P控制器）
3) Kc变化对系统指标的影响 见表5.1-1 Kc由小变大 Kc由小变大 衰减系数 大 → 小 稳定程度 大 → 小 衰减比B1/ B2 大 → 小 最大偏差 余差 大→小 大→小
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
P调节：快速消除干扰影响 I调节：消除残差，无差调节（I调节的特 点） 优点：引入积分作用，系统具有消除余差的 功 能。 适用：要求静态无余差，控制对象容量滞后 小，负荷变化幅度较大，变化过程较 缓慢的场合。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2 三类常规控制器
本节的主要内容:
5.2.1 5.2.2 比例控制器（P） 比例积分控制器（PI）
5.2.3
5.2.4
比例积分微分控制器（PID）
积分饱和及其防止
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
1)最基本、最主要的控制规律:
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.2 控制器（调节器）的种类
按传递信号形式分类 模拟调节器 数字调节器
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.3 PID控制器概述
PID控制：比例、积分、微分控制
在生产过程自动控制的发展历程中， PID控制是历史最久、生命力最强的基本控 制方式。 在40年代以前，除了在最简单的情况下 可采用开关控制外，PID是唯一的控制方式。
属于有差（余差、残差或偏差）调节。 优点：能迅速克服扰动影响，较快稳定 下来； 适用：干扰变化幅度小，自平衡能力强， 对象滞后（τ/T）较小，控制质量 要求不高，系统允许有一定范围 余差的场合。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
表达式： 微分方程式
u (t ) K c e (t ) u 0
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.2 控制器（调节器）的种类
按能源分类 气动调节器：以压缩空气为能源及 信号 电动调节器：以电为能源及信号 液动调节器：以液压（油压）为能 源及信号(较少用）
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.2 控制器（调节器）的种类
按控制作用分类 P 调节器 PI 调节器 PD 调节器 PID 调节器 双位调节器 双位调节器:只有通断（或开、闭）两种工 作 状态，作用不连续 。实质是增 益很大的P调节器。
在过程控制中，人们首先想到的总 是PID控制。一个大型的现代化生产装 置的控制回路可能多达一二百甚至更多， 其中绝大部分都采用PID控制。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.3 PID控制器概述
例外情况： 1. 被控对象易于控制，控制要求又不 太高，可采用简单的开关控制方式； 2. 被控对象难以控制，要求又特别高 的情况，这时若PID控制难以达到生 产要求，就要考虑采用更先进的控 制方式。
c
其中（3）由（2）观察推得： KP(Kci) max与Gi’成反比 Gi’小，KP(Kci)max大
G
'
G ( j c ) K cK
p
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
结论：积分作用使系统稳定性降低 （ T 稳定性 ） i PI调节器引入积分作用带来消除系统残 差的好处，同时却降低了原有系统的稳 定性。
PB= e/ Z m ax Z m in P / P m ax
Pm in
100 0 0 Pm in
：调节器输出信号的变化范围 ：仪表量程
P 式中：m ax
Z m ax Z m in
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
2)比例度（比例带）的概念（σ ，PB） P59 通常： 1≤PB≤500% e —偏差 P—调节器输出 对单元组合仪表调节器：
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
积分作用的特点： 具有积分作用的控制器，其静态增益无穷 大，因而能消除余差。
积分作用引起的相角滞后会恶化系统动 态性能。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
例：有一广义对象的传递函数为
1) 其它参数不变（Kc不变），仅Ti变化 Ti↓ → 最大偏差↓ → 工作频率↑ 2) 系统稳定性不变，Ti变化 （ Ti变化后，要调整比例度PB） Ti↓ → 最大偏差↑ → 工作频率↓
5.1.3 PID控制器概述
PID控制的优点： 原理简单，使用方便 适应性强: 按PID进行工作的自动调节 器早已商品化，目前最新式的过程控制 计算机，其基本的控制规律仍然是PID 控制。 鲁棒性强: 其控制品质对被控对象特性 的变化不太敏感。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.3 PID控制器概述
Ti K（K c） 可控性 稳定性 p max T K（K ） 可控性 稳定性 p c max i
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
结论：
PI调节器是在牺牲控制系统的动态
品质的情况下，来换取较好的稳定性能。
(K c 2 ) max
(K c 3 ) max
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
由图中观察到： （1） c1 c 2 c 3 （2） G1 G2 G3
' ' '
Ti c i
Ti Gi
（3） K p ( K c1 ) max
传递函数
G ( s ) K c 或 G ( j ) K
(5.1-1)
(5.1-3)
应用：压缩机储气罐压力控制、储液槽液位控制
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
2)比例度（比例带）的概念（σ ，PB） 控制器中采用比例度表示比例作用的强弱， 其表达式为：
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.3 PID控制器概述
PID控制：比例、积分、微分控制
随着科学技术的发展，特别是μC的诞生 和发展，涌现出许多新的控制算法，如模糊 控制、自适应控制、鲁棒控制等。 PID控制由于其自身的优点，仍是最广 泛应用的基本控制方式。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
3）讨论对系统质量的影响
积分时间对系统质量影响
P61表5.1-4
Ti
10 1 0.1
曲 线 1 2 3
c
c1
c 2
c3
G
G ( j c ) Kc K p
临界控制器增益
(KC)max
G1 G2
G3
(K c1 ) max
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
PI控制器
幅频—相频特性： P60图5.1-2
低频：振幅比
很大
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
积分控制作用可以消除静差，但因积分作用 时随着时间积累而逐渐加强，所以控制作用缓慢， 在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及时 控制。 当对象的惯性较大时，被控参数将出现较大 的超调量，控制时间也较长，严重时甚至使系统 难以稳定。 因此，积分作用不宜单独使用，往往将P和I 组合成PI调节器，这样控制既及时，又能消除余 差。
PB= 1 K
c
100
0 0
(5.1-2)
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.1 比例控制器（P控制器）
比例度（PB）的物理意义
物理意义：输出信号作全范围的变化时，所需 输入的信号的变化（占全量程）的百分数。 对于阀门开度：PB代表阀门开度改变100％， 即从全关到全开时，所需的被调量的变化范围。 只有当被调量处在这个范围以内，阀的开度（变 化）才与偏差成比例。超过这个“比例带”以外， 阀就处于全开或全关的状态，此时调节器的输入 与输出已不再保持比例关系，调节器暂时失去控 制作用。
传递函数
u (t ) K c ( e
1 Ti
t 0
edt ) u 0
T i j 1 T i j
(5.1-5)
G c ( s ) K c (1
1 Ti s
) G c ( j ) K c (
)
(5.1-6)
幅频—相频特性：P60图5.1-2 低频：振幅比很大
f (频率) 0时，AR （振幅比） ，（相角） -90
G p (s)
K
2
p
( T1 s 1) ( T 2 s 1)
式中，T1＝1， T2＝0.1 讨论：PI控制器当积分时间Ti 变化时，对系统 质量的影响。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
解：1）先求开环频率特性：
G ( j ) K c ( j ) G p ( j ) K c (1 1 )
5.2.2 比例积分控制器（PI）
P I调节器： 添加积分作用的目的：在系统经受干扰后， 使输出返回设定值，即消除余差。 注意：PI控制器在某些控制系统中，可能 产生积分饱和现象，具体选用时，应注 意考虑采取抗饱和措施。
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
比例积分控制器表达式： 微分方程式
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
第五章 常规控制器的选型、整定 和系统投运
本章的主要内容: 5.1 5.2 基本概念 三类常规控制器 P59 P59
5.3
5.4
控制规律的选取
控制器参数整定
P63
P64
5.5
控制系统的投运
P67
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1
基本概念
本节的主要内容:
K p ( K c 2 ) max K p ( K c 3 ) max
Ti (K ci )max
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
临界震荡条件： K c K p G ( j ) 1 a. 开环系统的振幅比为1 b. 开环系统的相角为-180°
(5.1-8)
Kp
2
Ti j (T1 s 1) (T 2 s 1)
Kp (T1 s 1) (T 2 s 1)
2
+
R (s)
Kc(
Ti s 1 Ti s
)
Y (s)
方框图
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
2）按十倍频之差选三种积分时间
Ti1 10 Ti 2 1 Ti 3 0.1
5.2.1 比例控制器（P控制器）
3) Kc变化对系统指标的影响
K c B1 B2 稳定度 最大偏差A 余差
Kc调整中的矛盾：稳定程度（最大偏差A） 控制精度（余差）
K c 精度 稳定度
Kc参数的整定，就是对这两个指标作权衡， 使得两个指标都符合要求。
5.1.1 5.1.2 控制器的作用 控制器（调节器）的种类 按能源分类 按控制作用分类 按传递运算信号形式分类 PID控制器概述
5.1.3
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.1.1 控制器的作用
控制器是控制系统的心脏，是系统重要的 组成部分，其输出一般送到控制阀。 控制 (调节)作用：将被控量与给定值进行比较， 得到偏差，并按一定的控制规律发出控制信号， 控制生产过程，使被控量等于给定值。 控制规律：调节器的输出随输入的变化而变化的 规律。
绘制开环频率特性图（对数频率特性） P61图5.1-3 0－对象频率特性 1，2，3－经Ti1、Ti2、Ti3叠加后系统开 环特性
第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运
5.2.2 比例积分控制器（PI）
开环频率特性图 （对数频率特性） P61图5.1-3 0－对象频率特性 1，2，3 - 经Ti1、 Ti2、Ti3叠加后 系统开环特性