电子教案与课件：《过程控制工程》电子课件 3_1 PID 控制器
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PID控制经典PPT
PID控制广泛应用于各种工业过程控制系统中，如温度、压力、流量等。
PID控制的基本概念
03
微分控制
通过微分项预测误差的变化趋势，提前调整输入信号，以减小超调和缩短调节时间。
01
比例控制
通过调整输入信号的比例系数，对误差进行直接控制，以快速减小误差。
02
积分控制
通过积分项对误差进行累积，并调整输入信号，以消除长期误差。
频率响应法
通过分析系统的频率特性，如幅频特性和相频特性，来评估PID控制器的性能，主要关注系统的稳定性和抗干扰能力。
误差积分法
通过对系统误差进行积分，得到一个反映系统误差累积的指标，以此评估PID控制器的性能，关注系统误差的控制能力。
阶跃响应法
通过调整比例系数，改变系统的放大倍数，影响系统的响应速度和稳态精度。适当增大比例系数可以提高系统的响应速度，但过大会导致系统不稳定；适当减小比例系数可以减小超调量，但过小会导致系统响应迟缓。
PID控制器在机器人控制系统中具有重要的作用，是实现机器人精确控制的关键之一。
04
PID控制的改进与发展
模糊PID控制
总结词：模糊PID控制是一种将模糊逻辑与PID控制相结合的方法，通过模糊化处理将不确定性和非线性因素引入PID控制器中，提高系统的鲁棒性和适应性。
神经网络PID控制
总结词：神经网络PID控制是一种基于神经网络的PID控制器，通过神经网络的自学习和自适应能力，实现对PID参数的在线调整和优化。
pid控制经典
CATALOGUE
目录
PID控制理论概述 PID控制器的设计 PID控制的应用 PID控制的改进与发展 PID控制性能的评估与优化
01
PID控制理论概述
PID控制的基本概念
03
微分控制
通过微分项预测误差的变化趋势，提前调整输入信号，以减小超调和缩短调节时间。
01
比例控制
通过调整输入信号的比例系数，对误差进行直接控制，以快速减小误差。
02
积分控制
通过积分项对误差进行累积，并调整输入信号，以消除长期误差。
频率响应法
通过分析系统的频率特性，如幅频特性和相频特性，来评估PID控制器的性能，主要关注系统的稳定性和抗干扰能力。
误差积分法
通过对系统误差进行积分，得到一个反映系统误差累积的指标，以此评估PID控制器的性能，关注系统误差的控制能力。
阶跃响应法
通过调整比例系数，改变系统的放大倍数，影响系统的响应速度和稳态精度。适当增大比例系数可以提高系统的响应速度，但过大会导致系统不稳定；适当减小比例系数可以减小超调量，但过小会导致系统响应迟缓。
PID控制器在机器人控制系统中具有重要的作用，是实现机器人精确控制的关键之一。
04
PID控制的改进与发展
模糊PID控制
总结词：模糊PID控制是一种将模糊逻辑与PID控制相结合的方法，通过模糊化处理将不确定性和非线性因素引入PID控制器中，提高系统的鲁棒性和适应性。
神经网络PID控制
总结词：神经网络PID控制是一种基于神经网络的PID控制器，通过神经网络的自学习和自适应能力，实现对PID参数的在线调整和优化。
pid控制经典
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目录
PID控制理论概述 PID控制器的设计 PID控制的应用 PID控制的改进与发展 PID控制性能的评估与优化
01
PID控制理论概述
pid控制PPT课件
k
Kpe(k)Ki e(j)Kde(k)e(k1) j0
式中，u(k)为第k次采样时刻的控制器的输出值； e (k-1)和e (k)分别为第(k-1)次和第k次采样时刻的偏差值。
只要采样周期T足够小，数字PID控制与模拟PID控制就会十分
精确的接近。
ppt精选版
12
1.2.2 增量式PID控制算法
e(k )
0 e(k )
e(k) e0 e(k) e0
式中，e(k)为位置跟踪偏差，e0是一个可调参数，其 具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值 太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象
的目的；若e0太大，则系统将产生较大的滞后。
ppt精选版
35
1.2.9 带死区的PID控制算法
1.1 PID控制原理
闭环控制系统原理框图
图中所示为控制系统的一般形式。被控量y(t)的检测值c(t)与给定值r(t) 进行比较，形成偏差值e(t)，控制器以e(t)为输入，按一定的控制规律 形成控制量u(t)，通过u(t)对被控对象进行控制，最终使得被控量y(t)运 行在与给定值r(t) 对应的某个非电量值上。
ppt精选版
1
1.1 PID控制原理
模拟PID控制系统原理框图
ppt精选版
2
ppt精选版
3
1.1 PID控制原理
PID控制器各环节的作用如下：
（1）比例环节的数学式表示是:
Kp e(t)
在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差量e(t)瞬间 作出反应, 产生相应的控制量u(t)，使减少偏差e(t)向减小的 方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp， Kp越大， 控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差ess 也就越小,但是Kp越大，也越容易产生振荡，增加系统的超 调量，系统的稳定性会变差。
《PID控制原理》课件
智能PID控制器
随着人工智能技术的发展，将人工智能算法与PID控制器相结合，形成智能PID控制器，可以自动调整PID控制器的参数，提高控制效果。
自适应PID控制器
自适应PID控制器可以根据系统参数的变化自动调整PID控制器的参数，提高系统的适应性和鲁棒性。
多变量PID控制器
多变量PID控制器可以同时控制多个变量，提高系统的控制精度和效率。
02
CHAPTER
PID控制器的参数整定
PID控制器参数对系统性能的影响
PID控制器的参数直接决定了系统的响应速度、超调量、调节时间和稳定性等性能指标，因此合理整定PID控制器参数对控制系统至关重要。
PID控制器参数与系统动态特性的关系
PID控制器参数的选择与系统的动态特性密切相关，不同的系统需要不同的PID参数配置，以实现最佳的控制效果。
根据系统特性选择合适的PID控制器参数
不同类型的系统具有不同的动态特性，需要根据系统的具体情况选择合适的PID参数。例如，对于快速响应系统，应选择较大的比例增益和较小的积分时间常数；对于慢速响应系统，应选择较小的比例增益和较大的积分时间常数。
逐步调整PID控制器参数
在调整PID控制器参数时，应遵循逐步调整的原则，先调整比例增益，再调整积分时间常数和微分时间常数。每次调整后都需要观察系统的响应特性，根据实际情况进行调整。
微分环节
比例环节
根据误差信号的大小，成比例地调整输出信号。当误差较大时，输出信号也相应增大，以迅速减小误差；当误差较小时，输出信号逐渐减小，以避免超调。
积分环节
对误差信号进行积分运算。积分环节的作用是消除静差，提高系统的控制精度。通过积分运算，可以逐渐减小误差，直到误差为零。
微分环节
《PID控制原理》课件
PID调节器
PID调节器的设计方法多种多样。本节将介绍手动调节法和自动调节法，以及它们在不同情况下的应用。
PID控制器的设计与应用
了解PID控制器的稳定性和性能分析，以及参数选取方法对于在实际工程中应用PID控制器至关重要。
结论
PID控制器有其优点和缺点。本节将总结这些，并展望PID控制器的未来发展 方向。
参考文献
掌握PID控制原理所需要的理论基础、应用知识以及T课件
简介
PID控制器是自动控制领域中常用的控制算法之一。本节将介绍PID控制器的 概述、应用场景以及与传统控制器的区别。
PID控制器原理
在PID控制器中，P（比例）、I（积分）、D（微分）控制器起着重要的作用。了解这些基本原理是理 解PID控制器工作方式的关键。
《过程控制工程》课件
详细描述
反馈控制原理基于负反馈机制，通过传感器检测系统输出，并将其与期望输出进行比较，产生一个误差信号。控 制器根据误差信号调整系统输入，以减小实际输出与期望输出之间的偏差。这种控制方式具有快速响应、抗干扰 能力强等优点。
前馈控制原理
总结词
前馈控制原理是一种开环控制系统，通过预先对扰动因素进行补偿，来减小其 对系统输出的影响。
执行器分为电动、气动和液压等类型，根据被控对象的特性选择合适的执行器， 以实现精确的控制效果。
传感器
传感器是过程控制系统中的测量元件，用于检测被控对象的 参数并将其转换为电信号或数字信号。
传感器的类型包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等 ，它们的选择直接影响系统的测量精度和控制效果。
过程单元
系统仿真
总结词
系统仿真是在计算机上模拟实际生产过 程，用于评估和比较不同控制策略的效 果。
VS
详细描述
系统仿真通过模拟生产过程中各个工艺变 量的变化，可以预测系统在不同控制策略 下的行为。通过比较不同控制策略的效果 ，可以找到最优的控制方案。系统仿真还 可以用于培训操作人员，提高其对系统的 理解和操作能力。
02
过程控制系统的基本组 成
控制器
控制器是过程控制系统的核心，用于 接收来自传感器的输入信号，并根据 设定值与实际值的偏差产生控制输出 。
控制器的类型包括比例控制器、积分 控制器和微分控制器等，它们通过不 同的控制算法来调整执行器的输出， 以实现系统的稳定和优化。
执行器
执行器是过程控制系统的执行机构，根据控制器的输出信号来调节被控对象的参 数。
详细描述
集成化控制系统将生产过程中的各种设备和系统进行集成，实现数据共享、信息交互和协同工作，提高生产过程 的整体协调性和效率。同时，集成化控制系统还有助于降低能源消耗和减少环境污染，促进可持续发展。
反馈控制原理基于负反馈机制，通过传感器检测系统输出，并将其与期望输出进行比较，产生一个误差信号。控 制器根据误差信号调整系统输入，以减小实际输出与期望输出之间的偏差。这种控制方式具有快速响应、抗干扰 能力强等优点。
前馈控制原理
总结词
前馈控制原理是一种开环控制系统，通过预先对扰动因素进行补偿，来减小其 对系统输出的影响。
执行器分为电动、气动和液压等类型，根据被控对象的特性选择合适的执行器， 以实现精确的控制效果。
传感器
传感器是过程控制系统中的测量元件，用于检测被控对象的 参数并将其转换为电信号或数字信号。
传感器的类型包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等 ，它们的选择直接影响系统的测量精度和控制效果。
过程单元
系统仿真
总结词
系统仿真是在计算机上模拟实际生产过 程，用于评估和比较不同控制策略的效 果。
VS
详细描述
系统仿真通过模拟生产过程中各个工艺变 量的变化，可以预测系统在不同控制策略 下的行为。通过比较不同控制策略的效果 ，可以找到最优的控制方案。系统仿真还 可以用于培训操作人员，提高其对系统的 理解和操作能力。
02
过程控制系统的基本组 成
控制器
控制器是过程控制系统的核心，用于 接收来自传感器的输入信号，并根据 设定值与实际值的偏差产生控制输出 。
控制器的类型包括比例控制器、积分 控制器和微分控制器等，它们通过不 同的控制算法来调整执行器的输出， 以实现系统的稳定和优化。
执行器
执行器是过程控制系统的执行机构，根据控制器的输出信号来调节被控对象的参 数。
详细描述
集成化控制系统将生产过程中的各种设备和系统进行集成，实现数据共享、信息交互和协同工作，提高生产过程 的整体协调性和效率。同时，集成化控制系统还有助于降低能源消耗和减少环境污染，促进可持续发展。
自控原理PID控制器ppt课件
主要内容
1. 比例控制器（P） 2. 比例加微分控制器（PD） 3. 积分控制规律 （I） 4. 比例加积分控制规律（PI） 5. 比例加积分加微分控制器（PID）
2
比例控制器（P）
输入输出关系
m(t) K pe(t)
R(s)
特点
K0 T1s1
C(s)
1. 提高比例增益，可以减小系统 e(t)
m(t)
过大增大比例导致系统不稳定实际应用比例与其他环节配合使用4比例加微分控制器pd输入输出关系0gsrscspkmtetppmtketket???pks?1cpmsgskses????特点1
自动控制原理
潘剑飞 2653-4850（办公室）
pjf@ 深圳大学 机电与控制工程系
1
PID 控制器介绍
的稳态误差，提高系统精度
Kp
2. 一阶系统可以减低系统惯性
3. 过大增大比例导致系统不稳定
实际应用比例与其他环节配合使用
3
比例加微分控制器（PD）
输入输出关系
m(t) K pe(t) K p e&(t)
R(s)
Gc (s)
M (s) E(s)
Kp
(1
s)
特点
e(t )
1. PD控制规律 “预见性”（微 分控制规律能预知偏差信号变 化率起的作用）
E(s)
1 M (s)
K p (1 Ti s )
G0 (s)
C(s)
G0 (s)
K0 s(Ts 1)
6
比例加积分加微分控制器（PID）
输入输出关系
m(t)
Gc (s)
K pe(t)
Kp Ti
M (s) K
1. 比例控制器（P） 2. 比例加微分控制器（PD） 3. 积分控制规律 （I） 4. 比例加积分控制规律（PI） 5. 比例加积分加微分控制器（PID）
2
比例控制器（P）
输入输出关系
m(t) K pe(t)
R(s)
特点
K0 T1s1
C(s)
1. 提高比例增益，可以减小系统 e(t)
m(t)
过大增大比例导致系统不稳定实际应用比例与其他环节配合使用4比例加微分控制器pd输入输出关系0gsrscspkmtetppmtketket???pks?1cpmsgskses????特点1
自动控制原理
潘剑飞 2653-4850（办公室）
pjf@ 深圳大学 机电与控制工程系
1
PID 控制器介绍
的稳态误差，提高系统精度
Kp
2. 一阶系统可以减低系统惯性
3. 过大增大比例导致系统不稳定
实际应用比例与其他环节配合使用
3
比例加微分控制器（PD）
输入输出关系
m(t) K pe(t) K p e&(t)
R(s)
Gc (s)
M (s) E(s)
Kp
(1
s)
特点
e(t )
1. PD控制规律 “预见性”（微 分控制规律能预知偏差信号变 化率起的作用）
E(s)
1 M (s)
K p (1 Ti s )
G0 (s)
C(s)
G0 (s)
K0 s(Ts 1)
6
比例加积分加微分控制器（PID）
输入输出关系
m(t)
Gc (s)
K pe(t)
Kp Ti
M (s) K
过程控制工程第4章PID控制器讲义
积分环节
Kc u (t ) K c (t )e TI
比例环节
e( )d u
0
t
0
积分时间常数
Kc 增量形式 u (t ) K c (t )e TI
传递函数 Gc ( s)
1 1 e 0 e( )d TI
t
0 e( )d
控制器的输出信号u与输入偏差信号e的积分成比例关系
1 u (t ) TI
积分时间常数
t
0
e( )d u0
控制器输出的稳态值
河南理工大学 电气工程与自动化学院
积分作用对控制性能的影响
河南理工大学 电气工程与自动化学院
4.1 PID控制原理---积分控制
特 点
1. 能消除稳态余差，提高稳态控制精度；
2. 使系统的相位滞后90o，造成控制作用不及时，动态品质变差，过渡过程缓慢，
积分控制是牺牲了动态品质来换取稳态性能的改善； 3. 增大积分作用（或减小积分时间常数）可以在一定程度上提高响应速度，但会加 剧系统的不稳定性，使振荡加剧； 4. 不单独使用。
河南理工大学 电气工程与自动化学院
4.1 PID控制原理---比例积分控制
河南理工大学 电气工程与自动化学院
比例增益对开环不稳定系统稳定裕量的影响
Bode Diagram Gm = -39.2 dB (at 0 rad/sec) , Pm = 89.4 deg (at 45.5 rad/sec) 40
对开环不稳定的一 阶惯性系统，比例 增益越大，系统的 稳定裕量越大，稳 定性越好。
2 K c e
ui (t )
K c e
o e
t0 Ti
u p (t )
Kc u (t ) K c (t )e TI
比例环节
e( )d u
0
t
0
积分时间常数
Kc 增量形式 u (t ) K c (t )e TI
传递函数 Gc ( s)
1 1 e 0 e( )d TI
t
0 e( )d
控制器的输出信号u与输入偏差信号e的积分成比例关系
1 u (t ) TI
积分时间常数
t
0
e( )d u0
控制器输出的稳态值
河南理工大学 电气工程与自动化学院
积分作用对控制性能的影响
河南理工大学 电气工程与自动化学院
4.1 PID控制原理---积分控制
特 点
1. 能消除稳态余差，提高稳态控制精度；
2. 使系统的相位滞后90o，造成控制作用不及时，动态品质变差，过渡过程缓慢，
积分控制是牺牲了动态品质来换取稳态性能的改善； 3. 增大积分作用（或减小积分时间常数）可以在一定程度上提高响应速度，但会加 剧系统的不稳定性，使振荡加剧； 4. 不单独使用。
河南理工大学 电气工程与自动化学院
4.1 PID控制原理---比例积分控制
河南理工大学 电气工程与自动化学院
比例增益对开环不稳定系统稳定裕量的影响
Bode Diagram Gm = -39.2 dB (at 0 rad/sec) , Pm = 89.4 deg (at 45.5 rad/sec) 40
对开环不稳定的一 阶惯性系统，比例 增益越大，系统的 稳定裕量越大，稳 定性越好。
2 K c e
ui (t )
K c e
o e
t0 Ti
u p (t )
《过程控制工程》教学课件—03 PID反馈控制器
Gc
(s)
Kc
Td s Td
Ad
1 s 1
1
1 Ti s
Ad 为微分增益, 通常Ad = 10 。
单回路PID控制系统应用问题
DVs
ysp + _
干扰通道
控制器
u(t)
MV 控制阀
+ 控制通道 +
y(t)
被控过程
传感变送器
ym(t)
广义对象
对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何选择 PID控制器形式，并整定PID控制器参数 ?
TT 27
ym(t) TO, % u(t)
TC
CO, % 27 ysp(t)
%
%
Controller Output 62
60
58
56
54
0
10
20 30
40
50 60
70 80
90 100
Transmitter Output 80
78
76
74
72
70
68
66
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
弹簧 密封填料
薄膜片 阀杆 阀芯
弹簧 密封填料
薄膜片 推杆 阀芯
阀体
#1 控制阀
#2 控制阀
控制阀的气开气关特性
1. 气开阀与气关阀
* 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”, “无气则关”) * 气关阀： pc↑→ f↓ (“有气则关”, “无气则开”) 无气源（ pc = 0）时，气开阀全关，气关阀全开。
控制器正反作用的选择
被控过程
《数字PID控制器》课件
影响系统的稳态误差消除能力。积分 系数越大，稳态误差消除越快，但过 大的积分系数可能导致系统在平衡点 附近振荡。
PID控制器参数的整定方法
试凑法
通过尝试不同的参数组合，观察系统的响应特性，从而找到最优的参数设置。这种方法 需要丰富的经验和反复的试验。
临界比例法
通过调整比例系数，观察系统的响应特性，当系统出现等幅振荡时，此时的参数即为临 界参数，在此基础上适当减小比例系数即可得到较为满意的参数。
《数字PID控制器》PPT 课件
CATALOGUE
目 录
• PID控制器简介 • 数字PID控制器 • 数字PID控制器的参数整定 • 数字PID控制器的应用实例 • 数字PID控制器的优缺点及改进方法
01
CATALOGUE
PID控制器简介
PID控制器的定义
总结词
PID控制器是一种比例-积分-微分控制器，通过将系统的误差 信号分别进行比例、积分和微分运算，然后根据运算结果调 整系统的控制输入，以达到减小系统误差的目的。
Ziegler-Nichols法
基于系统的开环传递函数，通过特定的计算公式得到PID控制器的参数。这种方法适用 于已知系统传递函数的场合。
PID控制器参数的调整原则
先比例，后积分， 最后微分
在调整PID控制器参数时，应 先调整比例系数，确保系统响 应快速且稳定；然后调整积分 系数，消除系统的稳态误差； 最后调整微分系数，提高系统 的动态性能和抗干扰能力。
PID控制器参数的物理意义
比例系数（P）
微分系数（D）
影响控制系统的响应速度和系统的稳 定性。比例系数越大，系统的响应速 度越快，但过大的比例系数可能导致 系统不稳定。
影响系统的动态性能和抗干扰能力。 微分系数越大，系统对干扰的响应越 快，但过大的微分系数可能导致系统 对噪声过于敏感。
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T
工艺介质
蒸汽 RV
热交换器 冷凝水
TC 22 为 反作用控 制器
Tsp + _
步骤 1：画控制回路方块图，并标 注广义对象的正反作用
步骤 2：由广义对象正反作用决定 控制器正反作用以构成负反馈回路
D (t)
广义对象
TC 22
u(t)
RV
T
蒸汽阀
换热器
TT 22
Tm
(+)
基于回路分析法
控制器正反作用选择举例#2
2. 控制阀气开/气关特征的选择——安全性
* 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热 炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气 关阀，如放热反应器冷却水阀。
控制阀气开气关特性
选择举例
Tsp TC u(t)
22
Tm
TT 22
T
工艺介质
蒸汽 RV
热交换器 冷凝水
例1
Tsp
TC
TT
25
工艺介质入口
介质 入口
放热 反应器
冷却水阀须为气关阀，因此 u↑→ （冷却水量）Fw↓
假设TC 25为正作用控制器 ，如果 T↑，则
正作用 控制器
气关阀
T
Tm
u
Fw
T
结论：TC 25须为反作用控制器
有无其它更简 单方法 ?
基于回路分析法
控制器正反作用选择举例#1
Tsp TC u(t)
22
Tm
TT 22
弹簧 密封填料
薄膜片 阀杆 阀芯
弹簧 密封填料
薄膜片 推杆 阀芯
阀体
#1 控制阀
#2 控制阀
控制阀的气开气关特性
1. 气开阀与气关阀
* 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”, “无气则关”) * 气关阀： pc↑→ f↓ (“有气则关”, “无气则开”) 无气源（ pc = 0）时，气开阀全关，气关阀全开。
25
Tm u(t)
T
Fw 冷却剂
工艺介质入口
介质 入口
放热 反应器
例2
控制器的“正反作用”
定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大 ，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制 器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。 选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。 选择方法： （1）假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制 回路能否成为“负反馈”系统。 （2）回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路 广义对象的作用方向，再确定控制器的正反作用。
Tsp
TC
TT
25
25
Tm u(t)
T
Fw 冷却剂
工艺介质入口
介质 入口
放热 反应器
Tsp + _
TC
u(t)
25
TC 25 为反作用控 制器。为什么？
D (t)
广义对象
冷却剂 FW 放热 T TT
Tm
阀
反应器
25
(+)
过程控制系统的性能指标
ySP
B B'
y(∞)
y0
t0
t1
t2
t3
什么是最好的系统响应 ?
余差：
e() ysp y()
衰减比：
n B B
振荡周期：T t3 t2
调节时间（也称过渡 过程时间） ts
纯比例控制器
ysp
e(t)
+ _
控制器
D (t)
%CO
控制阀
MV
+ 被控过程 +
y(t)
u(t)
ym(t) %TO
传感变送器
u(t) Kce(t) u0,
e(t) ysp (t) ym (t)
% TO 52
1
u(t) Kc (e Ti
t
ed )
0
%
51
u0 ,
50
1%
set point
49
1
0
5
10
15
20
25
30
Gc (s) Kc (1 Tis )
60 58
% CO
56
%
Ti 被称为积分时间，
54 52
单位：min或second 50
Kc Kc
48
0
5
10
15
20
25
30
TI
Time, min
PI 控制回路的仿真结果
Fi(t) h(t)
A
y(t)
LT 41
% TO
LC
41 ysp
u(t) % CO
Fo(t)
Fi(t) 在10 min 时，从10升/min
阶跃增加至11升/min
%
TO of Liquid Level 58
57
56
P (Kc=1) 55
54
53
52
51
50 set point
控制器正反作用的选择
被控过程
DVs
干扰通道
ysp + _
控制器
u(t) 控制阀
MV
+ 控制通道 +
y(t)
ym(t) 传感变送器
问题：（1）正作用与反作用控制器的定义？ （2）如何使控制回路成为“负反馈”系统 ?
控制器正反作用选择举例#1
Tsp TC u(t)
22
Tm
TT 22
T
工艺介质
蒸汽 RV
Kc = 4.0
10
20
30
40
50
Time, min
仿真结果分析
比例带的概念
定义：比例带是
指使控制器输出 CO全范围变化所 对应的控制误差 的比例。
PB 100 Kc
100
75
% CO
50
25
25% PB 50% PB 100% PB 200% PB
0 0
25 50 75 100 % TO
比例积分 (PI) 控制器
49
PI (Kc = 1, Ti = 10 min)
48
0
10
20
30
40
50
60
PID反馈控制器
戴连奎 浙江大学工业控制研究所
2012/02/25
预习讨论题
控制阀分气开、气关阀，它们的物理意义是什么？ 气开/气关阀的使用场合？
反馈控制器正反作用的定义是什么？针对具体对 象，如何选择控制器正反作用？
如何评价一个控制系统的品质（定性与定量）？ 描述P, PI 与 PID控制器的输入输出关系 对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生
热交换器 冷凝水
考虑到控制系统在断电断气情 况下的安全性，蒸汽阀应为气 开阀，因此 u↑→ RV↑
假设控制器TC 22为正作用。 如果 T↑, 则
Tm
u
RV
T
Tm
结论：为使控制回路成为“负反馈”系统，TC22 须 为 反作用控制器。
控制器正反作用选择举例#2
Tsp
TC
TT
25
25
Tm u(t)
T
Fw 冷却剂
KC 被称为控制器增益。
P 控制回路的仿真结果
Fi(t) h(t)
A
62
60
y(t)
LT
LC
58
41
% TO
41 ysp
56
%
u(t) % CO
54
52
Fo(t)
50
Fi(t) 在10 min 时，从10升/min
48 0
阶跃增加至11升/min
TO of Liquid Level Kc = 0.5 Kc = 1.0 Kc = 2.0
余差而采用PI控制器能消除余差？ 为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使
用的不多？
内容
控制阀的作用选择 反馈控制器的正反作用 过程控制系统的性能指标 了解 P, PI 与 PID控制器的功能 问题讨论
分析下列两控制阀的差别
pc
pc
....... .......
....... .......
工艺介质
蒸汽 RV
热交换器 冷凝水
TC 22 为 反作用控 制器
Tsp + _
步骤 1：画控制回路方块图，并标 注广义对象的正反作用
步骤 2：由广义对象正反作用决定 控制器正反作用以构成负反馈回路
D (t)
广义对象
TC 22
u(t)
RV
T
蒸汽阀
换热器
TT 22
Tm
(+)
基于回路分析法
控制器正反作用选择举例#2
2. 控制阀气开/气关特征的选择——安全性
* 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热 炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气 关阀，如放热反应器冷却水阀。
控制阀气开气关特性
选择举例
Tsp TC u(t)
22
Tm
TT 22
T
工艺介质
蒸汽 RV
热交换器 冷凝水
例1
Tsp
TC
TT
25
工艺介质入口
介质 入口
放热 反应器
冷却水阀须为气关阀，因此 u↑→ （冷却水量）Fw↓
假设TC 25为正作用控制器 ，如果 T↑，则
正作用 控制器
气关阀
T
Tm
u
Fw
T
结论：TC 25须为反作用控制器
有无其它更简 单方法 ?
基于回路分析法
控制器正反作用选择举例#1
Tsp TC u(t)
22
Tm
TT 22
弹簧 密封填料
薄膜片 阀杆 阀芯
弹簧 密封填料
薄膜片 推杆 阀芯
阀体
#1 控制阀
#2 控制阀
控制阀的气开气关特性
1. 气开阀与气关阀
* 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”, “无气则关”) * 气关阀： pc↑→ f↓ (“有气则关”, “无气则开”) 无气源（ pc = 0）时，气开阀全关，气关阀全开。
25
Tm u(t)
T
Fw 冷却剂
工艺介质入口
介质 入口
放热 反应器
例2
控制器的“正反作用”
定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大 ，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制 器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。 选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。 选择方法： （1）假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制 回路能否成为“负反馈”系统。 （2）回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路 广义对象的作用方向，再确定控制器的正反作用。
Tsp
TC
TT
25
25
Tm u(t)
T
Fw 冷却剂
工艺介质入口
介质 入口
放热 反应器
Tsp + _
TC
u(t)
25
TC 25 为反作用控 制器。为什么？
D (t)
广义对象
冷却剂 FW 放热 T TT
Tm
阀
反应器
25
(+)
过程控制系统的性能指标
ySP
B B'
y(∞)
y0
t0
t1
t2
t3
什么是最好的系统响应 ?
余差：
e() ysp y()
衰减比：
n B B
振荡周期：T t3 t2
调节时间（也称过渡 过程时间） ts
纯比例控制器
ysp
e(t)
+ _
控制器
D (t)
%CO
控制阀
MV
+ 被控过程 +
y(t)
u(t)
ym(t) %TO
传感变送器
u(t) Kce(t) u0,
e(t) ysp (t) ym (t)
% TO 52
1
u(t) Kc (e Ti
t
ed )
0
%
51
u0 ,
50
1%
set point
49
1
0
5
10
15
20
25
30
Gc (s) Kc (1 Tis )
60 58
% CO
56
%
Ti 被称为积分时间，
54 52
单位：min或second 50
Kc Kc
48
0
5
10
15
20
25
30
TI
Time, min
PI 控制回路的仿真结果
Fi(t) h(t)
A
y(t)
LT 41
% TO
LC
41 ysp
u(t) % CO
Fo(t)
Fi(t) 在10 min 时，从10升/min
阶跃增加至11升/min
%
TO of Liquid Level 58
57
56
P (Kc=1) 55
54
53
52
51
50 set point
控制器正反作用的选择
被控过程
DVs
干扰通道
ysp + _
控制器
u(t) 控制阀
MV
+ 控制通道 +
y(t)
ym(t) 传感变送器
问题：（1）正作用与反作用控制器的定义？ （2）如何使控制回路成为“负反馈”系统 ?
控制器正反作用选择举例#1
Tsp TC u(t)
22
Tm
TT 22
T
工艺介质
蒸汽 RV
Kc = 4.0
10
20
30
40
50
Time, min
仿真结果分析
比例带的概念
定义：比例带是
指使控制器输出 CO全范围变化所 对应的控制误差 的比例。
PB 100 Kc
100
75
% CO
50
25
25% PB 50% PB 100% PB 200% PB
0 0
25 50 75 100 % TO
比例积分 (PI) 控制器
49
PI (Kc = 1, Ti = 10 min)
48
0
10
20
30
40
50
60
PID反馈控制器
戴连奎 浙江大学工业控制研究所
2012/02/25
预习讨论题
控制阀分气开、气关阀，它们的物理意义是什么？ 气开/气关阀的使用场合？
反馈控制器正反作用的定义是什么？针对具体对 象，如何选择控制器正反作用？
如何评价一个控制系统的品质（定性与定量）？ 描述P, PI 与 PID控制器的输入输出关系 对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生
热交换器 冷凝水
考虑到控制系统在断电断气情 况下的安全性，蒸汽阀应为气 开阀，因此 u↑→ RV↑
假设控制器TC 22为正作用。 如果 T↑, 则
Tm
u
RV
T
Tm
结论：为使控制回路成为“负反馈”系统，TC22 须 为 反作用控制器。
控制器正反作用选择举例#2
Tsp
TC
TT
25
25
Tm u(t)
T
Fw 冷却剂
KC 被称为控制器增益。
P 控制回路的仿真结果
Fi(t) h(t)
A
62
60
y(t)
LT
LC
58
41
% TO
41 ysp
56
%
u(t) % CO
54
52
Fo(t)
50
Fi(t) 在10 min 时，从10升/min
48 0
阶跃增加至11升/min
TO of Liquid Level Kc = 0.5 Kc = 1.0 Kc = 2.0
余差而采用PI控制器能消除余差？ 为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使
用的不多？
内容
控制阀的作用选择 反馈控制器的正反作用 过程控制系统的性能指标 了解 P, PI 与 PID控制器的功能 问题讨论
分析下列两控制阀的差别
pc
pc
....... .......
....... .......