PID控制

PID参数的整定
• PID参数
– 比例增益 – 积分时间 – 微分时间
• PID参数整定
– 经验法 – 自整定软件
SP，设定值 PV，测量值 OP，输出值 MODE，控制模式
出现报警时， 变为红色
PID的工作原理
• PV（Process Value）值
– 以工程单位显示 – Auto：来自现场测量值 – Man：来自操作人员手动输入的假值 – Sub：来自程序的计算值
– 应选择合适的微分时间，如果微分时间过大，可能 使系统响应产生震荡
TIC100
AI Channel
AO Channel
PID控制范例
• 应用范例
– 工艺要求：一个反应器的反 应温度应保持在300度左 右， 可通过PID算法实现这 个要求
– 当实际测量的温度PV值大于 300度（SP）时，PID参数 作用在偏差上，减小阀门开 度，从而减小燃料的进料 量，以降低温度
DACA PV
PIDA SP
OP AI Channel
温度主回路CM
流量副回路CM
FIC100.PIDA.SP= TIC1000.PIDA.OP *(FIC1000.PIDA.SPEUHI-FIC1000.PIDA.SPEULO)
建立串级控制回路
• 串级回路不投用时：
– 主回路不再起作用 – 副回路是一个单回路控制 – 副回路在Man或者Auto方式下工作 – 操作员对副回路进行操作
AO Channel
PID的工作原理
• PID三部曲（3）
– 执行：输出OP值 通过DCS AO卡 上的某个通道将 4-20mA的信号 送到现场的阀门 定位器上，控制 现场调节阀的开 度。
PID的工作原理
CV：计算出来的输出值，也就是OP值 T1：积分时间常数 T2：微分时间常数 s,a：计算常数，不能修改 PVP：PV值的百分比 SPP：SP值的百分比
– PV跟踪功能
• 用于手动到自动的无扰切换 • 在手动模式下起作用 • SP值随时跟随着PV值的变化而变化
SP值的容忍值
是否使用PV跟踪的功能 被初始化后是否使用PV跟踪
PID控制的回路构成
• PID功能块：
– 初始化现象
• AO channel in manual mode • AO channel inactive • AO卡 IDLE • AO卡故障 • OP值无法正常输出 • PID的OP值跟随着AO channel的OP值变
– 当实际测量的温度PV值小于 300度（SP）时，PID参数 作用在偏差上，增大阀门开 度，从而增加燃料的进料 量，以提高温度
TIC100
AI Channel
AO Channel
PID控制范例
• PID三部曲（1）
– 测量：温度测量值 是通过测量元件， 例如热电偶或热电 阻，将温度信号送 到DCS的AI卡上， 再通过AI Channel 的组态，系统得到 测量值
• PID控制回路的CM中包括：
– 1个AI Channel – 1个DACA功能块 – 1个PID功能块 – 1个AO Channel
• 控制回路需下装并激活 • 控制回路的细目画面显示在操作站上
PID控制的回路构成
• AI Channel：
– 将现场模拟输入信号采集入系统 – 需设定信号的类型 – PV钳位功能
• 为什么提供初始化功能？
– 实现无扰动切换 – 使副回路从AUTO切换到CAS模式时，工艺过
程没有扰动
谢谢！
化
PID控制的回路构成
• PID功能块：
– SP的爬坡功能
• 提供SP值平缓上升或下降的功能 • 可自行定义
– 变化速率 – 最大爬坡偏差 – 积分饱和时是否停止爬坡功能
是否使用SP值爬坡功能
SP值爬坡的速率
SP值和PV值的偏差是 多少时，停止爬坡功能
PID控制的回路构成
• PID功能块：
– OP值可设置
• Yes：将超出扩展量程的信号钳制至量程上 限或者量程下限，并做相应的标注
• No：将超出扩展量程的信号显示为坏值
– 特性化
• 线性 • 开平方
– 小信号切除
PID控制的回路构成
• DACA功能块：
– 量程的设定和转换 – PV值报警功能
• 高报、低报、高高报、低低报 • 上升速率报警、下降速率报警 • 高显著报警、低显著报警
PID控制课程
PID的工作原理
• PID是过程控制中应用最为广泛的一种 控制方式，它是比例、积分和微分调节 规律的线性组合，吸取了比例调节的快 速反应功能、积分调节的消除误差功能 和微分调节的预测功能等优点，而弥补 了三者的不足，是一种比较理想的复合 调节规律。
PID的工作原理
• 比例P
– 是最简单的调节方法 – 是一种有差调节，即只有在偏差（PV-
• SP（Set Point）值
– 设定值（目标值） – 操作人员手动输入
PID的工作原理
• OP（Output）值
– 输出值 – 百分比 – 控制现场阀门的开度
• Mode
– 控制模式 – Man：手动，操作员控制OP值 – Auto：自动，操作员控制SP值
积分时间的设定
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微分时间的设定
PID控制的回路构成
• 上下限和扩展上下限 • 最大变化速率限幅 • 最小变化值 • 安全OP值 • 容忍值 • 是否取反 • 是否指示取反
输出值变化速率的最大限制
输出值最小变化的限制
设定安全输出值
OP值的容忍值
PID控制的回路构成
• PID功能块：
– 报警功能
• OP值的高报和低报 • 正向偏差报警 • 反向偏差报警 • 输出故障报警
• PID功能块：
– 控制作用的方向
• 正向：PV↑，OP ↑ • 反向：PV↑，OP ↓
– PID常数的缺省值设定 – 比例增益的选项
• LIN：线性增益 • GAP： • 其他
PID控制的作用方向
PID控制的回路构成
• PID功能块：
– SP值的设定
• SP值的上下限 • SP值的容忍值
– 存在的问题：被控变量温度的反应比较滞后， 当燃料流量受压力等因素影响发生波动时，反 应到温度的变化再通过PID进行调节，有相当 长的滞后时间，这样波动无法及时消除，从而 导致温度控制回路无法稳定工作，则无法满足 工艺过程的控制要求
建立串级控制回路
• 串级控制范例：
– 解决方案：引入一个反应敏感的控制变量参与 到控制回路中，消除反应滞后的问题。燃料的 流量即可以引入到控制方案中，温度回路作为 主控制回路，流量回路作为副控制回路，主回 路的输出送给副回路的给定值，完成串级控制 方案。
– 串级控制的优势：当流量副回路的PV值发生波 动时，在副回路环节就可以被调整，不会影响 到主回路，从而使主回路的控制效果更加稳定
– 最常见的串级控制回路是温度与流量串级和液 位与流量串级
建立串级控制回路
• 串级控制范例：
– 串级控制回路的实现
AI Channel PV
DACA PV
PIDA
OP
AI Channel PV
SP）不为0时，调节器才会有输出。 – 比例调节器存在稳态误差，误差随比例度的
增大而增大。若需减小误差，则要减小比例 度，这又会使系统的稳定性下降
PID的工作原理
• 积分I
– 调节器的输出信号与输入偏差信号的积分成 正比
– 只要偏差存在，积分作用越来越强，可能会 导致输出达到饱和，使调节器失去调节作 用，因此需要防止积分饱和
• 初始化的现象：
– 初始化发生在主回路上 – 在主回路控制模式的上方出现INIT字样 – 初始化与主回路的控制模式没有关系 – 主回路的OP值时时跟随着副回路SP值的变化
而变化
主回路的OP值 INIT（被初始化）
115300/2/20000==7655%%
副回路的SP值 115300
串级回路中的初始化功能
– 报警优先等级 – 报警死区
PID控制的回路构成
• PID功能块：
– PID运算公式的选择
• EQA：标准PID运算 • EQB：P、I作用在偏差上，D作用在PV值
的变化上 • EQC：I作用在偏差上，P、D作用在PV值
的变化上 • EQD：纯积分控制器 • EQE：纯比例控制器
PID控制的回路构成
– 积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作 用弱
– 可以提高系统的稳态控制精度，但会牺牲系 统的稳定性
PID的工作原理
• 微分D
– 微分调节器的输出与被调量偏差的变化率成正比， 因此微分调节不是等被调量出现偏差后才动作，而 是根据变化趋势提前动作。
– 微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见 性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控 制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作 用消除。因此，可以改善系统的动态性能。微分作 用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调 节，对系统抗干扰不利。
输出值的高报和低报
设置SP值和PV值的偏差报警
建立串级控制回路
• 串级控制范例：
– 工艺过程描述：一个反应器的反应温度应控制 在300度左右，它的温度是由燃料的进料量来 控制的。当温度低于300度时，应增加燃料的 进量；当温度高于300度时，应减少燃料的进 量。这可以通过PID单回路来实现控制要求。
TIC100
AI Channel
AO Channel
PID控制范例
• PID三部曲（2）
– 比较&计算： DCS内的PID算 法将实际测量PV 值与设定SP值相 减，得到偏差 值，再将比例P、 积分I和微分D作 用在偏差上，得 到计算出来的OP 值（0%100%）
TIC100
AI Channel
建立串级控制回路
• 串级回路投用时：
– 主回路应处于自动状态 – 副回路首先应在手动状态工作 – 副回路投自动 – 稳定后副回路投串级
串级回路中的初始化功能
• 什么情况下发生初始化？
– 副回路在手动模式下工作 – 副回路在自动模式下工作 – 只要副回路不在串级模式下工作，主回路就会
被初始化
串级回路中的初始化功能