第二章 比例积分微分控制及其调节过程
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过程控制第二章比例积分微分控制和其调节过程
由于比例调节只有一个简单的比例环节, 因此δcr的大小只取 决于被控对象的动态特性.根据奈奎斯特稳定准则,在稳定边界 上有：
Kcr 1,
cr
即cr Kcr
Kcr为广义被控对象在 临界频率下的增益
r
e
y
控制器
－ ym
检测单元
r
e
y
控制器
+ ym
检测单元
负反馈
正反馈
2020/12/8
仪表制造业中偏过程差控制：e=ym-r
7
正作用，反作用方式：
为了适应不同被控对象实现负反馈的需要，工业调节器都设置有正，反作 用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式
正作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而增大，调节器增
如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与 设定值准确相等，它们之间一定有残差，也就是e≠0.
2020/12/8
过程控制
19
加热器出口水温控制系统
原理: 热水温度θ是由传感器θT获 取信号并送到调节器θC的, 调节 器控制加热蒸汽的调节阀开度以 保持出口水温恒定, 加热器的热 负荷既决定于热水流量Q也决定 于热水温度θ。
2020/12/8
过程控制
4
微分环节：作用是阻止偏差的变化．它是根据偏差的变化趋势(变化速度) 进行控制的．偏差变化得越快，微分环节的输出就越大，并能在偏差值变 大之前进行修正．
PID控制中三个环节分别是对偏差的现在，过去和将来进行控制．它通过 以不同的比重将比例，积分和微分三个控制环节叠加起来对被控对象进行 控制，以满足不同的性能要求．
2020/12/8
模拟PID过控程制控制系统原理图
比例积分微分控制及其调节过程课件
比例控制的特点
快速响应
比例控制器能够快速响应输入偏差的变化， 调整输出以减小偏差。
无积分和微分作用
比例控制器只对当前偏差进行调节，不考虑 偏差的历史值和未来的变化趋势。
调节精度
由于没有积分和微分作用，比例控制器可能 无法完全消除偏差，导致调节精度不够高。
比例控制的应用场景
温度控制
在工业生产中，比例控制器常用于温 度控制，通过比较设定温度与实际温 度的偏差来调整加热或冷却设备的输 出。
法。
在化工、制药、食品等行业中， 积分控制也得到了广泛应用，如 反应釜的温度控制、发酵罐的pH
值控制等。
在电力系统中，积分控制也被用 于实现无差调节，如励磁控制、
负荷分配等。
03
微分控制
微分控制的定义
微分控制是一种控制 方法，通过引入微分 环节来改善系统的动 态性能。
微分控制可以有效地 减小系统的超调和调 节时间，提高系统的 响应速度。
比例积分微分控制及其调 节过程课件
目录
• 比例控制 • 积分控制 • 微分控制 • 比例积分微分复合控制 • 控制调节过程
01
比例控制
比例控制的定义
01
比例控制是一种简单的控制系统 ，通过比较设定值与实际值之间 的偏差来调整输出。
02
比例控制器的输出与输入偏差之 间成正比关系，偏差越大，输出 越大。
微分控制的应用场景
过程控制
在化工、制药、冶金等领域，微 分控制被广泛应用于各种过程控 制系统中，如温度、压力、流量
等参数的控制。
伺服系统
在伺服系统中，微分控制可以用于 提高系统的跟踪性能和响应速度。
智能家居
在智能家居领域，微分控制可以用 于实现快速响应的温度、湿度、光 照等环境参数控制。
过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程
如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与 设定值准确相等，它们之间一定有残差，也就是e≠0.
11:33
过程控制
18
加热器出口水温控制系统
原理: 热水温度θ是由传感器θT获 取信号并送到调节器θC的, 调节 器控制加热蒸汽的调节阀开度以 保持出口水温恒定, 加热器的热 负荷既决定于热水流量Q也决定 于热水温度θ。
④ 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达等．
⑤ 校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联 或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能．
正反馈和负反馈
自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果) 的联系. 使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便达 到预定的系统功能. 根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反馈 (positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。
比例带：
u Kce
在过程控制中, 习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出的比例关系：
1
u e
11:33
过程控制
15
1 100%
Kc
其中δ称为比例带，其意义为: 如果输出u直接代表调节阀开度的变化量,那 么δ就代表使调节阀开度改变100%, 即从全关到全开时所需的被调量的变 化范围. 只有当被调量处于这个范围之内, 开度才与偏差成正比,超出这个 比例带之外,调节阀已经处于全关或全开的状态, 暂时失去控制作用.
11:33
模拟PID过控程制控制系统原理图
2
PID控制的优点： ① 原理简单，使用方便 ② 适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式
11:33
过程控制
18
加热器出口水温控制系统
原理: 热水温度θ是由传感器θT获 取信号并送到调节器θC的, 调节 器控制加热蒸汽的调节阀开度以 保持出口水温恒定, 加热器的热 负荷既决定于热水流量Q也决定 于热水温度θ。
④ 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达等．
⑤ 校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联 或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能．
正反馈和负反馈
自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果) 的联系. 使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便达 到预定的系统功能. 根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反馈 (positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。
比例带：
u Kce
在过程控制中, 习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出的比例关系：
1
u e
11:33
过程控制
15
1 100%
Kc
其中δ称为比例带，其意义为: 如果输出u直接代表调节阀开度的变化量,那 么δ就代表使调节阀开度改变100%, 即从全关到全开时所需的被调量的变 化范围. 只有当被调量处于这个范围之内, 开度才与偏差成正比,超出这个 比例带之外,调节阀已经处于全关或全开的状态, 暂时失去控制作用.
11:33
模拟PID过控程制控制系统原理图
2
PID控制的优点： ① 原理简单，使用方便 ② 适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式
比例积分微分调节
比例积分微分调节
比例积分微分调节（PID控制）是一种常用的自动控制算法，用于调节系统的输出以使其达到期望值。
它由三个部分组成：比例（P），积分（I）和微分（D）。
比例控制项（P）根据系统当前偏差与期望偏差之间的差异来调整输出。
它通过将偏差乘以一个比例增益常数来产生控制量，该增益常数决定了输出对误差的敏感程度。
较大的比例增益可以更快地响应误差，但可能导致过冲或震荡。
积分控制项（I）根据系统历史偏差的累积来调整输出。
它通过将偏差与时间的乘积乘以一个积分增益常数来产生控制量，该增益常数决定了积分作用的强度。
积分作用可以消除稳态误差，但如果增益设置不当，可能导致系统过度响应或不稳定。
微分控制项（D）根据系统偏差的变化率来调整输出。
它通过将偏差的变化率乘以一个微分增益常数来产生控制量，该增益常数决定了微分作用的影响程度。
微分作用可以帮助系统更快地响应偏差的变化，但如果增益设置不当，可能导致输出过度敏感或不稳定。
PID控制通过综合比例、积分和微分三个控制项的作用来实现对系统的精确调节。
根据具体应用场景和系统特性，需要合理选择和调整比例增益、积分增益和微分增益，以达到较好的控制效果。
比例-积分-微分PID控制规律
其中Ki 为可调比例系数。 由于I控制器的积分作用，当其输入e(t)存在时，输出相应改变，产生控制作用 去调节系统。当其输入e(t)消失后，输出信号u(t)就可能是一个不为零的常量。或者 说，当偏差为零时，积分调节器的输出保持不变，这就是反馈控制利用偏差来消除 偏差的根本所在。
在串联校正时，采用I 控制器可以提高系统的型别，有利于系统稳态性能 的提高。但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生 90°的相角迟后，对系统的稳定性不利。 因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的I控制器。
§6-2 基本控制规律
一、比例(P)控制规律
具有比例控制规律的控制器，称为P 控制器，如图所示。其中KP称为P控制器 增益。
控制规律
u(t) K p e(t )
对于单位反馈系统 0型 ，系 统 响 应 实 际 阶跃信号 R0 1(t )的 稳 态 误 差 与 其 开 环益 增 K近 似 成 反 比 ， 即 ： R0 lim e(t ) t 1 K 型 系 统 响 应 匀 速 信 R 号 增K v 成 反 比 ， 1t的 稳 态 误 差 与 其 开 环益 即： R1 lim e (t ) t Kv
尼程度，从而改善系统的稳定性。 在串联校正时，可使系统增加一个 因而有助于系统的动态性能的改善。
1 的开环零点，使系统的相角裕度提高， τ
斜坡函数作用下PD 控制器的响应
e(t)
t
u(t)
t
例1.设具有 PD控制器的控制系统方框 图如图所示。 试分析 PD控制规律对该系统性能 的影响。
解 : 1.无PD控制器时，系统的闭环 传递函数为： 1 2 C(s) 1 Js 2 R(s) 1 1 Js 1 Js 2 则系统的特征方程为 Js 2 1 0 阻尼比等于零，其输出 信号 C (t )具有不衰减的等幅振荡 形式。 2.加入 PD控制器后，系统的闭环 传递函数为： 1 K P (1 τs) 2 K P (1 τs ) C(s) Js 2 1 R(s) 1 K (1 τs ) Js K P (1 τs ) P Js 2 2 系统的特征方程为： Js K P τs K P 0
在串联校正时，采用I 控制器可以提高系统的型别，有利于系统稳态性能 的提高。但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生 90°的相角迟后，对系统的稳定性不利。 因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的I控制器。
§6-2 基本控制规律
一、比例(P)控制规律
具有比例控制规律的控制器，称为P 控制器，如图所示。其中KP称为P控制器 增益。
控制规律
u(t) K p e(t )
对于单位反馈系统 0型 ，系 统 响 应 实 际 阶跃信号 R0 1(t )的 稳 态 误 差 与 其 开 环益 增 K近 似 成 反 比 ， 即 ： R0 lim e(t ) t 1 K 型 系 统 响 应 匀 速 信 R 号 增K v 成 反 比 ， 1t的 稳 态 误 差 与 其 开 环益 即： R1 lim e (t ) t Kv
尼程度，从而改善系统的稳定性。 在串联校正时，可使系统增加一个 因而有助于系统的动态性能的改善。
1 的开环零点，使系统的相角裕度提高， τ
斜坡函数作用下PD 控制器的响应
e(t)
t
u(t)
t
例1.设具有 PD控制器的控制系统方框 图如图所示。 试分析 PD控制规律对该系统性能 的影响。
解 : 1.无PD控制器时，系统的闭环 传递函数为： 1 2 C(s) 1 Js 2 R(s) 1 1 Js 1 Js 2 则系统的特征方程为 Js 2 1 0 阻尼比等于零，其输出 信号 C (t )具有不衰减的等幅振荡 形式。 2.加入 PD控制器后，系统的闭环 传递函数为： 1 K P (1 τs) 2 K P (1 τs ) C(s) Js 2 1 R(s) 1 K (1 τs ) Js K P (1 τs ) P Js 2 2 系统的特征方程为： Js K P τs K P 0
PID调节专业知识讲座
第一篇 简单控制
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
第二章
百分比积分微分控制及其调整过程
§2-1 基本概念 §2-2 百分比调整 §2-3 积分调整 §2-4 百分比积分调整 §2-5 百分比积分微分调整
第一篇 简单控制
§2-1
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
基本概念
统计表白生产过程80%旳控制能够用PID控制器构成单回路 反馈控制系统进行控制（简朴控制系统）。
2.调整过程：
θC
蒸
汽
θT
D
热
水
Q
冷
水
冷
Q
凝
水
PI调整
第一篇 简单控制
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
给定值r
e 1（1 + 1 ） u
-δ
TIs
Ke-τs Gp (s) = Ts + 1
被调量y
第一篇 简单控制
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
对PI调整旳了解
第一篇 简单控制
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
τ/T > 1.0
，选择P或PI调整 ，选择PD或PID调整 ，用复杂控制。
给定值r e 1（1 + 1 ）u - δ TIs
阀门 μ
Ke-τs Gp(s) = Ts + 1
被调量y
θC
蒸
汽
θT
D
热
水
Q
调整滞后 y r
u
冷 水
冷
μ
Q
凝
水
第一篇 简单控制
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
§2-5 百分比积分微分调整 e
1.微分调整（D）
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
第二章
百分比积分微分控制及其调整过程
§2-1 基本概念 §2-2 百分比调整 §2-3 积分调整 §2-4 百分比积分调整 §2-5 百分比积分微分调整
第一篇 简单控制
§2-1
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
基本概念
统计表白生产过程80%旳控制能够用PID控制器构成单回路 反馈控制系统进行控制（简朴控制系统）。
2.调整过程：
θC
蒸
汽
θT
D
热
水
Q
冷
水
冷
Q
凝
水
PI调整
第一篇 简单控制
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
给定值r
e 1（1 + 1 ） u
-δ
TIs
Ke-τs Gp (s) = Ts + 1
被调量y
第一篇 简单控制
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
对PI调整旳了解
第一篇 简单控制
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
τ/T > 1.0
，选择P或PI调整 ，选择PD或PID调整 ，用复杂控制。
给定值r e 1（1 + 1 ）u - δ TIs
阀门 μ
Ke-τs Gp(s) = Ts + 1
被调量y
θC
蒸
汽
θT
D
热
水
Q
调整滞后 y r
u
冷 水
冷
μ
Q
凝
水
第一篇 简单控制
第二章 比例积分为分控制及其调节过程
§2-5 百分比积分微分调整 e
1.微分调整（D）
第二章 比例积分微分控制及其调节过程
0
t
de dt
1 1 1 TD s TI s
1 1 u e TI
de 0 edt TD dt
t
实际PID调节器其传递函数为
1 * TD s * TI s * Gc ( s) K C 1 T 1 D s K I TI s K D 1
图2.11表示控制系统在不同积分时间的响应 过程。
三、积分现象与抗积分饱和的措施
具有积分作用的调节器，只要被调量与 设定值之间有偏差，其输出就会不停 地变化。如果由于某种原因（如阀门 关闭、泵故障等），被调量偏差一时 无法消除，然而调节器还是试图校正 这个偏差，经过一段时间后，调节器 输出将进入深度饱和状态，这种现象 称为积分饱和。
三、比例带对于调节过程的影响
比例调节 的残差随着比例带的增加而增加。希望尽量减少 比例带，减少比例带就等于 加大调接系统的开环增益。 δ 对于比例调节过程的影响
2－3 积分调节（I调节）
一、积分调节动作规律 调节器的输出信号的变化速度du/dt与 偏差信号e成正比，即
du S 0 e 或 u S 0 edt dt 0
u S2 de dt
表明，微分调节动作总是 力图抑制被调量的振荡， 它有提高控制系统稳定性的 作用。适度引入微分动作 可以允许稍许减少比例带， 同时保持衰减率的不变。
• 四、比例积分微分调节规律 PID调节器的动作规律是 或 传递函数为
Gc ( s)
u K C e S0 edt S 2
三、积分速度对于调节过程的影响 系统的开环增益与积分速度S0 成正比，增大积分速度将会降 低控制系统的稳定程度。 对于同一被控对象若分别采用P调 节和I调节， 并调整到相同的衰减率ψ=0.75,则 它们在负荷 扰动下的调节过程如图2.8中曲线P 和I所示。它 们清楚地显示出两种调节规律的不 同特点。
t
de dt
1 1 1 TD s TI s
1 1 u e TI
de 0 edt TD dt
t
实际PID调节器其传递函数为
1 * TD s * TI s * Gc ( s) K C 1 T 1 D s K I TI s K D 1
图2.11表示控制系统在不同积分时间的响应 过程。
三、积分现象与抗积分饱和的措施
具有积分作用的调节器，只要被调量与 设定值之间有偏差，其输出就会不停 地变化。如果由于某种原因（如阀门 关闭、泵故障等），被调量偏差一时 无法消除，然而调节器还是试图校正 这个偏差，经过一段时间后，调节器 输出将进入深度饱和状态，这种现象 称为积分饱和。
三、比例带对于调节过程的影响
比例调节 的残差随着比例带的增加而增加。希望尽量减少 比例带，减少比例带就等于 加大调接系统的开环增益。 δ 对于比例调节过程的影响
2－3 积分调节（I调节）
一、积分调节动作规律 调节器的输出信号的变化速度du/dt与 偏差信号e成正比，即
du S 0 e 或 u S 0 edt dt 0
u S2 de dt
表明，微分调节动作总是 力图抑制被调量的振荡， 它有提高控制系统稳定性的 作用。适度引入微分动作 可以允许稍许减少比例带， 同时保持衰减率的不变。
• 四、比例积分微分调节规律 PID调节器的动作规律是 或 传递函数为
Gc ( s)
u K C e S0 edt S 2
三、积分速度对于调节过程的影响 系统的开环增益与积分速度S0 成正比，增大积分速度将会降 低控制系统的稳定程度。 对于同一被控对象若分别采用P调 节和I调节， 并调整到相同的衰减率ψ=0.75,则 它们在负荷 扰动下的调节过程如图2.8中曲线P 和I所示。它 们清楚地显示出两种调节规律的不 同特点。
过程控制第二章比例积分微分控制及其调节过程-PPT精品文档
③ 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行机构 去控制被控对象．对于电压偏差信号，可用晶体管，集成电路，晶闸
管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大．
④ 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达等． ⑤ 校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联 或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能．
正反馈和负反馈
自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果) 的联系. 使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便达 到预定的系统功能. 根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反馈 (positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。
2019/3/27 过程控制 6
负反馈：引入负反馈后使净输入量变小. 它主要是通过输入,输出之间的差 值作用于控制系统. 这个差值就反映了要求的输出和实际的输出之间的差 别.控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形成的系 统,控制精度高,系统运行稳定. 正反馈：引入正反馈后使净输入量变大．在自动控制系统中主要是用来对 小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反 馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。但是正反馈总是起放大 作用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后会使系统损坏。所以一 般正反馈都与负反馈配合使用． r － ym 检测单元 负反馈
PID控制器最先出现在模拟控制系统中.传统的模拟PID控制器是通过硬 件(电子元件,气动和液压元件)来实现它的功能. 在电子电路中就可以通 过将比例电路，积分电路以及微分电路进行求和得到PID控制电路．
2019/3/27
第二章比例积分微分控制及其调节过程
第二章比例积分微分控制及其调节过程比例积分微分控制及其调节过程是控制工程中常用的一种控制方法，本文将介绍其基本概念、原理与调节过程。
1.比例积分微分控制的概念比例积分微分控制是一种基于反馈原理的控制方法。
它通过将被控对象的输出值与期望值之间的差异进行计算，并根据计算结果来调节控制器的输出信号，从而使被控对象的输出值趋于期望值。
在比例积分微分控制中，主要有三个调节参数：比例参数(Kp)、积分参数(Ti)和微分参数(Td)。
比例参数表示控制器输出的增益，积分参数表示控制器对偏差的累积处理，微分参数表示控制器对偏差变化率的处理。
2.比例积分微分控制的原理比例积分微分控制的原理可以用以下公式表示：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t) dt + Kd * de(t)/dt其中，u(t)表示控制器的输出信号，e(t)表示被控对象输出值与期望值的差异，Ki、Kd分别表示积分和微分参数。
比例控制项Kp*e(t)用来根据当前差异进行有限调整，即根据误差大小决定控制器输出的大小。
当误差较大时，比例控制项的影响较大，能够快速调整输出信号，使被控对象尽快趋于期望值。
积分控制项Ki * ∫e(t) dt用来累积误差的信息，即在一段时间内积累误差值，并加大对误差的修正力度。
积分项主要用于调节系统的静态误差，当系统存在静态误差时会积累一定量的误差，通过积分项可以消除这部分误差，使系统更加准确。
微分控制项Kd * de(t)/dt用来预测误差的变化趋势，即通过对误差的变化率进行检测和调整，可以提前对误差进行修正，从而提高系统的响应速度和稳定性。
3.比例积分微分控制的调节过程比例积分微分控制的调节过程主要包括以下几个步骤：（1）初始化控制器参数：设置比例参数Kp、积分参数Ti和微分参数Td的初值，并将控制器的输出信号初始化为0。
（2）测量被控对象的输出值：通过传感器等测量设备获取被控对象的输出值。
（3）计算误差：将被控对象的输出值与期望值进行比较，计算误差e(t)。
比例积分微分控制
比例积分微分控制
比例积分微分控制(PID Control)是一种常用的自动控制技术，它的特点是结构简单，可靠性高，运算方便。
它能控制产品质量、抗环境干扰能力强，是现代自动控制技术的基础内容之一。
比例积分微分控制技术的核心理念是比例、积分和微分三者的结合运用。
比例KP，指的是控制器的输出值与控制量之间的比值，此比值反映了控制器对输入信号的反馈程度；积分KI，指的是控制器输出值与输入误差之间的积分，可以解决比例控制对小量偏差没有响应的问题；微分KD，指的是控制器输出值与预期结果之间差异的变化率，可以减少大量积聚的偏差，使输出抗扰动能力更强。
比例积分微分控制技术的优点在于能够满足零点的准确控制，运算简单，可以根据不同的情况灵活调整，可以对系统进行自适应、实时的调节，以确保系统处于正确的运行状态。
但是，比例积分微分控制技术也存在一些缺点：一方面，精度不足；另一方面，系统存在抖动现象，稳定性差，收敛性差，难以在快速变化过程中保持准确。
总之，比例积分微分控制在控制过程中，在反馈控制的基础上增加了积分和微分的操作，以更好的把握控制系统的总体情况，实现了系统的精细控制，是现代自动控制技术的重要基础内容，具有重要的现实意义。
比例积分微分控制及其调节过程
Kc---调节器运算部分的增益
此处的偏差为: e=r-ym, 与仪表制造业中相差一个符号．在上图中， Kv, K, Km都是正数，因此负反馈要求Kc为正。
Kc为负号: 调节器正作用方式
Kc为正号: 调节器反作用方式
10
调节器正反作用方式(热气)↑y↑
uQ y(不 能 达 到 平 衡 ) eyryuQ y(可 以 达 到 平 衡 )
y↑,u↓, 为反作用方式
2) 冷却过程 条件： u↑ μ↑Q(冷气)↑y↓
uQ y(可 以 达 到 平 衡 ) eyryuQ y(不 能 达 到 平 衡 )
当环节输入增加时，其输出减小则为-
整理课件
9
常见环节的增益的符号的确定
增益K为输出输入增量之比:
1) 控制阀:
K y x
◆气开式: K为正 (常关式) ◆气关式: K为负 (常开式) 2) 被控对象:
调节量↑, 被调量↑, K为正 调节量↑, 被调量↓, K为负
3) 检测环节: 增益一般为正
整理课件
r
e 控制器 y
－ ym
检测单元
r
e 控制器 y
+ ym
检测单元
负反馈
正反馈
仪表制造业中偏整理差课件：e=ym-r
7
正作用，反作用方式：
为了适应不同被控对象实现负反馈的需要，工业调节器都设置有正，反作 用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式
正作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而增大，调节器增
整理课件
6
负反馈：引入负反馈后使净输入量变小. 它主要是通过输入,输出之间的差 值作用于控制系统. 这个差值就反映了要求的输出和实际的输出之间的差 别.控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形成的系 统,控制精度高,系统运行稳定.
近程控制第二章 比例积分微分控制及其调节过程
，
1 u(t) = TI
t
0
edt
TI为积分时间，S0为积分速度
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程 p>p0时，杠杆失去平衡，逆时针转动，
2.调节过程：
l1 R
p
带动阀杆向下移动，关小阀门，气体较
l2 W
少的通过阀门，导致阀后压力下降。阀 杆的移动速度与压力偏差成正比
e(t) 1
1 u(t) = TI
适，则可能导致系统不稳定，适得其反。使用何种调
节规律一般可按：先比例 ，再积分，然后才把微分加
*对象时间常数大或迟延时间长，应引入D作用，若系统 允许有残差，则可选PD调节；系统要求无差，则选PID 规律。 *对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统要求无差， 则使用PI调节。（如锅炉水位控制等） *对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统不要求无 差，则使用P调节。（如锅炉高加水位控制等）
e
PID
u
广义被控对象
被调量y
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
5．正反作用的判断方法(六边形法):
例：过热蒸汽温度控制系统
r
-
e PID
u
Ke-τs G(s) = Ts + 1
y
e（r-y）↑→e´(y-r)↓ y↓
对象K为负，控制器作用应使u↓
正作用
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
控制系统偏差的定义：
e(t) = r(t) - y(t)
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
正
1 u(t) = TI
t
0
edt
TI为积分时间，S0为积分速度
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程 p>p0时，杠杆失去平衡，逆时针转动，
2.调节过程：
l1 R
p
带动阀杆向下移动，关小阀门，气体较
l2 W
少的通过阀门，导致阀后压力下降。阀 杆的移动速度与压力偏差成正比
e(t) 1
1 u(t) = TI
适，则可能导致系统不稳定，适得其反。使用何种调
节规律一般可按：先比例 ，再积分，然后才把微分加
*对象时间常数大或迟延时间长，应引入D作用，若系统 允许有残差，则可选PD调节；系统要求无差，则选PID 规律。 *对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统要求无差， 则使用PI调节。（如锅炉水位控制等） *对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统不要求无 差，则使用P调节。（如锅炉高加水位控制等）
e
PID
u
广义被控对象
被调量y
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
5．正反作用的判断方法(六边形法):
例：过热蒸汽温度控制系统
r
-
e PID
u
Ke-τs G(s) = Ts + 1
y
e（r-y）↑→e´(y-r)↓ y↓
对象K为负，控制器作用应使u↓
正作用
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
控制系统偏差的定义：
e(t) = r(t) - y(t)
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
正
第二章+PID控制及其调节过程
当 当 当
τ
T
〉 0.2
时,选择P或PI动作;
0.2 〈
τ
T
≤ 1.0
时,选择PD或PID动作;
τ
T
〉 1.0
时,应选择复杂控制系统;
系统稳定性降低 震荡加剧 Ｓ０增大 动态偏差减少 调节时间增加
进入 仿真系统
§２-４
比例积分调节(ＰＩ调节)
一. ＰＩ调节的动作规律
u = K c e + S 0 ∫ edt
0 t
或
1 u = (e + δ TI
1
∫
t
0
edt )
δ: 比例带; TI: 积分时间( TI=S0/Kc). 可以衡量积分作用占总 控制作用的比重. TI 越小,积分所占比重越大.
(2)广义对象控制通道的时间常数较小,负荷变 化不大,工艺要求无残差时,选择PI作用; (3)广义对象控制通道的时间常数较小,负荷变 化较小,工艺要求不高时,选择P作用; (4)广义对象控制通道的时间常数较大或容积 迟延较大时,负荷变化也较大时,应设计复杂控制系 统.
Ke −τs 来近似时, 当被控制对象可用 G ( s ) = Ts + 1 τ 还可根据 （称为“可控比”）来选择调节器规律: T
第二章
比例积分微分控制 及其调节过程
基本概念
§2-1
比例积分微分控制简称为PID控制。它是历 史最久、生命力最强的基本控制方式，在目前 的工业过程控制中仍占据着主导地位。 PID控制的优点： • 简单 • 适应性强 • 鲁棒性好
PID控制中的几个基本问题： （1） 负反馈 （2） 偏差信号 （3）调节器的正、反作用 （4）调节器正反作用的确定方法 常见的调节器有以下几大类： 专用调节器 PLC 工控机 DCS、FCS
过程控制动态特性解析
见表1-1（p.28)
第29页/共43页
Y
Y∞
t
Y*´ Y*
1
t
τ
t1 t2
1
G(s)= Ts +1n
nT t1 + t2 2.16
表1-1 高阶对象中n与比值t1/t2的关系
n
t1/t2
n
t1/t2
1
0.317
8
0.684
2
0.46
9
0.699
3
0.534
10
0.712
4
0.584
11
0.724
Y
b
• a点到c点的距离为T；
Y∞
• K = y Δμ0
τ
T
t
c
第27页/共43页
（2）确定
G(s) = Ke-τs 参数的两点法 Ts + 1
• 将响应曲线标幺
y* t = y(t)
y()
0
t<τ
y*
t
=
1
-
exp
-
t-τ T
tτ
Y
Y∞
• 取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t2
1. 把阶跃响应转化成无因次的形式 2. 截去纯迟延部分
第33页/共43页
• 考虑系统的传递函数如下
1 G(s) ansn an1sn1 ... a1s1 1
(4 1)
• 系统的传递函数与微分方程存在一一对应的关系，可以通过
求取 放大
微倍分数K方以程后的，系我数们来要辨得识到系无统因的次传阶递跃函y响(数t应)。在
第5页/共43页
给定值
控制器
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当环节输入增加时，其输出减小则为-
9
常见环节的增益的符号的确定
增益K为输出输入增量之比:
1) 控制阀:
K y x
◆气开式: K为正 (常关式) ◆气关式: K为负 (常开式) 2) 被控对象:
调节量↑, 被调量↑, K为正 调节量↑, 被调量↓, K为负
3) 检测环节: 增益一般为正
10
调节器正反作用方式的选择方法: 1) 加热过程 条件： u↑ μ↑Q(热气)↑y↑
y↑,u↑, 为正作用方式
11
调节器的正反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定．当控制系统包 含多个串联环节时，要组成负反馈，要求闭合回路上所有环节(包括调节 器的运算部分在内)的增益的
μ
y
Kc
Kv
Kp
－
＋
＋
ym
Km 测量变送器
＋ 根据控制系统方框图确定调节器正反作用
r
e
y
控制器
－ ym
检测单元
r
e
y
控制器
+ ym
检测单元
负反馈
正反馈
仪表制造业中偏差：e=ym-r
7
正作用，反作用方式：
为了适应不同被控对象实现负反馈的需要，工业调节器都设置有正，反作 用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式
正作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而增大，调节器增
④ 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达等．
⑤ 校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串 联
或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能．
正反馈和负反馈
自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果) 的联系. 使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便 达到预定的系统功能. 根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反 馈(positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。
6
负反馈：引入负反馈后使净输入量变小. 它主要是通过输入,输出之间的 差值作用于控制系统. 这个差值就反映了要求的输出和实际的输出之间 的差别.控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形 成的系统,控制精度高,系统运行稳定.
正反馈：引入正反馈后使净输入量变大．在自动控制系统中主要是用来对 小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反 馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。但是正反馈总是起放大 作用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后会使系统损坏。所以一 般正反馈都与负反馈配合使用．
反馈控制系统的组成：
反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成，它包括：
① 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入 量 ② 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入值
进行比较，求出它们之间的偏差．常用的比较元件有：差动放大器， 机械差动装置，电桥电路等．
5
③ 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行机构 去控制被控对象．对于电压偏差信号，可用晶体管，集成电路，晶闸 管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大．
PID控制器是控制系统中技术比较成熟, 而且应用最广泛的一种控制器. 它的结构简单, 参数容易调整, 不一定需要系统确切的数学模型, 因此 在工业的各个领域中都有应用.
PID控制器最先出现在模拟控制系统中.传统的模拟PID控制器是通过硬 件(电子元件,气动和液压元件)来实现它的功能. 在电子电路中就可以 通过将比例电路，积分电路以及微分电路进行求和得到PID控制电路．
Kc---调节器运算部分的增益 此处的偏差为: e=r-ym, 与仪表制造业中相差一个符号．在上图中， Kv, K, Km都是正数，因此负反馈要求Kc为正。
Kc为负号: 调节器正作用方式 Kc为正号: 调节器反作用方式
4
微分环节：作用是阻止偏差的变化．它是根据偏差的变化趋势(变化速度) 进行控制的．偏差变化得越快，微分环节的输出就越大，并能在偏差值变 大之前进行修正． PID控制中三个环节分别是对偏差的现在，过去和将来进行控制．它通过以 不同的比重将比例，积分和微分三个控制环节叠加起来对被控对象进行控 制，以满足不同的性能要求．
益为＋: y↑u↑, 增益为+
反作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而减小，调节器增
益为－: y↑u↓, 增益为-
D Gd(s)
调节器
被控过程
r
e
Gc(s) u
Gp(s)
y
－
生成过程简单控制系统方框图
8
•设置的目的：保证控制系统成为负反馈。 •负反馈准则：控制系统开环总增益为正 •开环总增益：各组成环节的增益之积 •环节的增益：当环节输入增加时，其输出增加则为+
u Q y (不能达到平衡)
e yr y
u Q y (可以达到平衡)
y↑,u↓, 为反作用方式
2) 冷却过程 条件： u↑ μ↑Q(冷气)↑y↓
u Q y (可以达到平衡)
e yr y
u Q y (不能达到平衡)
第二章 比例积分微分控制及其调节过 程
重点：
掌握调节器的正反作用方式的确定 掌握PID调节的动作规律和特点 了解PID控制规律的选取原则; 了解积分饱和现象及防积分饱和措施
2
2.1 基本概念
PID控制:比例(proportion),积分(integration ),微分 (differentiation )控制的简称，是一种负反馈控制.
模拟PID控制系统原理图
3
PID控制的优点： ① 原理简单，使用方便 ② 适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式 ③ 鲁棒性强，其控制品质对被控对象的特性的变化不太敏感．
在PID控制系统中,比例, 积分,微分三个环节起着不同的作用: 比例环节:对偏差瞬间作出快速反映.偏差一旦产生,控制器立即产生控制 作用,使控制量向减少偏差的方向变化. 比例控制作用的强弱起决于比例 系数. 积分环节:把偏差的积累作为输出.在控制过程中,只要有偏差存在,积分 环节的输出就会不断变化. 直到偏差e(t)=0, 输出量u(t)才可能维持在 某一常量，使系统在给定值r不变的条件下趋于稳态．
9
常见环节的增益的符号的确定
增益K为输出输入增量之比:
1) 控制阀:
K y x
◆气开式: K为正 (常关式) ◆气关式: K为负 (常开式) 2) 被控对象:
调节量↑, 被调量↑, K为正 调节量↑, 被调量↓, K为负
3) 检测环节: 增益一般为正
10
调节器正反作用方式的选择方法: 1) 加热过程 条件： u↑ μ↑Q(热气)↑y↑
y↑,u↑, 为正作用方式
11
调节器的正反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定．当控制系统包 含多个串联环节时，要组成负反馈，要求闭合回路上所有环节(包括调节 器的运算部分在内)的增益的
μ
y
Kc
Kv
Kp
－
＋
＋
ym
Km 测量变送器
＋ 根据控制系统方框图确定调节器正反作用
r
e
y
控制器
－ ym
检测单元
r
e
y
控制器
+ ym
检测单元
负反馈
正反馈
仪表制造业中偏差：e=ym-r
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正作用，反作用方式：
为了适应不同被控对象实现负反馈的需要，工业调节器都设置有正，反作 用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式
正作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而增大，调节器增
④ 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化，可以有阀，电动 机，液压马达等．
⑤ 校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串 联
或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能．
正反馈和负反馈
自动化技术的核心思想就是反馈,通过反馈建立起输入(原因)和输出(结果) 的联系. 使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略,以便 达到预定的系统功能. 根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分为正反 馈(positive feedback)和负反馈(passive feedback)两种。
6
负反馈：引入负反馈后使净输入量变小. 它主要是通过输入,输出之间的 差值作用于控制系统. 这个差值就反映了要求的输出和实际的输出之间 的差别.控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小.负反馈形 成的系统,控制精度高,系统运行稳定.
正反馈：引入正反馈后使净输入量变大．在自动控制系统中主要是用来对 小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反 馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。但是正反馈总是起放大 作用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后会使系统损坏。所以一 般正反馈都与负反馈配合使用．
反馈控制系统的组成：
反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成，它包括：
① 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入 量 ② 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入值
进行比较，求出它们之间的偏差．常用的比较元件有：差动放大器， 机械差动装置，电桥电路等．
5
③ 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行机构 去控制被控对象．对于电压偏差信号，可用晶体管，集成电路，晶闸 管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大．
PID控制器是控制系统中技术比较成熟, 而且应用最广泛的一种控制器. 它的结构简单, 参数容易调整, 不一定需要系统确切的数学模型, 因此 在工业的各个领域中都有应用.
PID控制器最先出现在模拟控制系统中.传统的模拟PID控制器是通过硬 件(电子元件,气动和液压元件)来实现它的功能. 在电子电路中就可以 通过将比例电路，积分电路以及微分电路进行求和得到PID控制电路．
Kc---调节器运算部分的增益 此处的偏差为: e=r-ym, 与仪表制造业中相差一个符号．在上图中， Kv, K, Km都是正数，因此负反馈要求Kc为正。
Kc为负号: 调节器正作用方式 Kc为正号: 调节器反作用方式
4
微分环节：作用是阻止偏差的变化．它是根据偏差的变化趋势(变化速度) 进行控制的．偏差变化得越快，微分环节的输出就越大，并能在偏差值变 大之前进行修正． PID控制中三个环节分别是对偏差的现在，过去和将来进行控制．它通过以 不同的比重将比例，积分和微分三个控制环节叠加起来对被控对象进行控 制，以满足不同的性能要求．
益为＋: y↑u↑, 增益为+
反作用方式：调节器的输出信号μ随着被调量y的增大而减小，调节器增
益为－: y↑u↓, 增益为-
D Gd(s)
调节器
被控过程
r
e
Gc(s) u
Gp(s)
y
－
生成过程简单控制系统方框图
8
•设置的目的：保证控制系统成为负反馈。 •负反馈准则：控制系统开环总增益为正 •开环总增益：各组成环节的增益之积 •环节的增益：当环节输入增加时，其输出增加则为+
u Q y (不能达到平衡)
e yr y
u Q y (可以达到平衡)
y↑,u↓, 为反作用方式
2) 冷却过程 条件： u↑ μ↑Q(冷气)↑y↓
u Q y (可以达到平衡)
e yr y
u Q y (不能达到平衡)
第二章 比例积分微分控制及其调节过 程
重点：
掌握调节器的正反作用方式的确定 掌握PID调节的动作规律和特点 了解PID控制规律的选取原则; 了解积分饱和现象及防积分饱和措施
2
2.1 基本概念
PID控制:比例(proportion),积分(integration ),微分 (differentiation )控制的简称，是一种负反馈控制.
模拟PID控制系统原理图
3
PID控制的优点： ① 原理简单，使用方便 ② 适应性强，广泛应用于各种生产部门，适用于多种控制方式 ③ 鲁棒性强，其控制品质对被控对象的特性的变化不太敏感．
在PID控制系统中,比例, 积分,微分三个环节起着不同的作用: 比例环节:对偏差瞬间作出快速反映.偏差一旦产生,控制器立即产生控制 作用,使控制量向减少偏差的方向变化. 比例控制作用的强弱起决于比例 系数. 积分环节:把偏差的积累作为输出.在控制过程中,只要有偏差存在,积分 环节的输出就会不断变化. 直到偏差e(t)=0, 输出量u(t)才可能维持在 某一常量，使系统在给定值r不变的条件下趋于稳态．