过程控制系统4-1

4.2 过程控制系统的动态特性
1. 2. 3. 4. 5. 对象的动态特性是单调、 对象的动态特性是单调、不振荡 对象动态特性的延迟性和时间常数大 对象的动态特性具有纯时间滞后 被控对象的自平衡与非自平衡特性 被控对象的动态特性往往具有非线性特征
4.3 PID调节原理
一、P 比例调节
P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即 u= Kc*e Kc—比例增益，确定调节器的正反作用后确定正或负 过程控制中，习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出之 间的比例关系 1 u= δ e δ 称为比例带， 代表调节阀开度改变100%，即从全关 到全开时所需要的被调量的变化范围。 超出此“比例带”，调节器已处于全关或全开的状态。 调节器暂时失控。
积分速度对调节过程的影响
• 采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分速度S0成正 采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分速度S 增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度， 比。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最 后出现发散的振荡过程。 后出现发散的振荡过程。 • S0，积分速度越大，控制系统的稳定性越差
二、PID调节器正反作用 PID调节器正反作用
• PID控制是一种负反馈控制。 控制是一种负反馈控制。 控制是一种负反馈控制 • 闭环控制两种控制情况： 闭环控制两种控制情况： 负反馈： 负反馈：缓解对象出现的不平衡 正反馈： 正反馈：加剧被控对象的不平衡 工业过程控制中的定值控制， 定值控制 工业过程控制中的定值控制，要求闭环控制实现 的是负反馈 负反馈。 的是负反馈。 • PID调节器的正反作用 调节器的正反作用 调节器 调节器正作用 指调节器的输出信号u随着被调量 正作用： 调节器正作用：指调节器的输出信号 随着被调量 y的增大而增大 的增大而增大 调节器反作用：指调节器的输出信号u随着被调量 调节器反作用：指调节器的输出信号 随着被调量 反作用 y的增大而减小 的增大而减小
积分调节的特性
• 对于同一偏差信号，积分常数越大，积分输出增 对于同一偏差信号，积分常数越大， 加得越快，表示积分调节作用越强；相反， 加得越快，表示积分调节作用越强；相反，积分 常数越小，积分输出增加得越慢， 常数越小，积分输出增加得越慢，表示积分调节 作用越弱；积分常数就表示了积分作用的大小。 作用越弱；积分常数就表示了积分作用的大小。 • 积分常数的倒数叫积分时间，用Ti表示。 积分常数的倒数叫积分时间， 表示。 表示 • 积分调节的显著特点是它们执行机构的位置是 积分调节的显著特点 显著特点是它们执行机构的位置是 浮动” 也就是， “浮动”的，也就是，它和被调量之间没有一一 对应的关系，因此这就解脱了产生静差的原因。 对应的关系，因此这就解脱了产生静差的原因。 只要偏差不为零，控制输出就不为零， 只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就要动 作到把被调量的静差完全消除为止， 作到把被调量的静差完全消除为止，积分调节的 无差调节。 特性就是无差调节 特性就是无差调节。
积分调节的特性 • 调节器的输出变化量与输入偏差值随时间 的积分成正比， 的积分成正比，亦即输出的变化速度与输 入偏差成正比。 入偏差成正比。 • 对于积分调节器，输出变化量的大小，不 对于积分调节器，输出变化量的大小， 仅决定于偏差的大小， 仅决定于偏差的大小，而且取决于偏差存 在的时间长短。 在的时间长短。 • 只要输入偏差存在，输出就一直在变化， 只要输入偏差存在，输出就一直在变化， 只有输入偏差为零，输出才不再变化。 只有输入偏差为零，输出才不再变化。 • 积分调节作用能自动消除静差。 积分调节作用能自动消除静差。
比例调节的特点— 比例调节的特点— 有差调节
直线1:表示比例调节器的静特性 即调节阀开度随水温变化的情况 水温越高， 直线 表示比例调节器的静特性,即调节阀开度随水温变化的情况。水温越高，调节器 表示比例调节器的静特性 即调节阀开度随水温变化的情况。 应该把调节阀开得越小，在图中是左高右低的直线，比例带越大，直线的斜率越大。 应该把调节阀开得越小，在图中是左高右低的直线，比例带越大，直线的斜率越大。 直线2和3：在不同热水流量下的静特性，表示加热器在没有调节器控制时，在不同的 Leabharlann Baidu线 和 ：在不同热水流量下的静特性，表示加热器在没有调节器控制时， 热水流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系。 热水流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系。 直线1和曲线 的交点 代表热水流量Q 直线 和曲线2的交点 代表热水流量 0，这是最 和曲线 的交点O代表热水流量 终要达到的稳态运行点 如果热水流量减少为Q1， 如果热水流量减少为 ，那么调节过程结 束后，新的稳态平衡点将移到直线1和曲线 束后，新的稳态平衡点将移到直线 和曲线 3的交点 的交点A 的交点 于是出现残差： 于是出现残差：θA-θ0
PID调节器的正反作用 调节器的 调节器
控制器
加热器/冷却器 水 燃料 冷却剂
• 加热器 控制器选用： 控制器选用：反作用 • 冷却器 控制器选用：正作用 控制器选用：
PID调节器正反作用的选择 PID调节器正反作用的选择
根据控制系统方框图确定调节器正反作用 图中，Kc是调节器 Kv是调节阀 是调节器、 是调节阀， 是被控对象、Km是测量变 图中，Kc是调节器、Kv是调节阀，K是被控对象、Km是测量变 送器件。 送器件。 1. 被控对象的正反作用：被控对象的正作用，当被控对象的输 被控对象的正反作用：被控对象的正作用 当被控对象的输 正作用， 通过调节阀的物料或能量）增加时， 输出也增加， 入（通过调节阀的物料或能量）增加时，其输出也增加，则 为正作用，此时K +”。反之为反作用， 为正作用，此时K取 “+”。反之为反作用，K取“-”。 2. 调节阀Kv，气开式调节阀，Kv取“+”；气关式Kv取“-”。 调节阀Kv，气开式调节阀， 取 ；气关式Kv取 3. 调节器为正作用时，Kc取“-”；调节器为反作用时，Kc取 调节器为正作用时 Kc取 调节器为反作用时，Kc取 “+” 原则闭合回路所有环节的增益乘积为正数 原则闭合回路所有环节的增益乘积为正数 • Ko=Kc*Kv*K*Km〉0 Ko=Kc*Kv*K*Km〉
比例调节的特点— 比例调节的特点— 有差调节
• 有差调节：采用比例调节，在负荷扰动下的调节 有差调节：采用比例调节， 过程结束后，被调量不可能与设定值绝对相等， 过程结束后，被调量不可能与设定值绝对相等， 它们之间一定有残差 • 水加热器的出口水温控制系统
•在这个控制系统中，热水温度θ 在这个控制系统中，热水温度 在这个控制系统中 是由传感器θT获取信号并送到调 是由传感器 获取信号并送到调 节器θC的 节器 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 也决定于热水温度θ。 水流量 也决定于热水温度 。 •假定现在采用比例调节器，并将 假定现在采用比例调节器， 假定现在采用比例调节器 调节阀开度µ直接视为调节器的输 调节阀开度 直接视为调节器的输 水温愈高， 出。水温愈高，调节器应把调节 阀开得愈小。 阀开得愈小。
比例带的一般选择原则
• 若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太 若对象较稳定（对象的静态放大系数较小， 小，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的 滞后较小）则比例带可选小些， 灵敏度，使反应速度加快一些； 灵敏度，使反应速度加快一些； • 相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间 相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小， 较大，则应当将比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。 较大，则应当将比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。 • 比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下： 比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下：
– – – – 压力调节： 压力调节： 流量调节： 流量调节： 液位调节： 液位调节： 温度调节： 温度调节： 30~70% 40~100% 20~80% 20~60%
二、I 二、I积分调节
du • 在I调节中，调节器的输出信号的变化速度 调节中， 与偏差信 dt 号 e 成正比，即 成正比，
du = S0 e dt
第四章 PID调节原理 PID调节原理
PID控制概述 PID控制概述 P、PI、PD、PID PI、PD、
4.1 PID控制概述 PID控制概述
Propotional-IntigratePID — Propotional-Intigrate-Differential —比例积分微分控制 比例积分微分控制 比例积分微分 优点： 一 优点： 原理简单， 1、原理简单，使用方便 适应性强，适应于化工、热工、冶金、 2、适应性强，适应于化工、热工、冶金、炼 油以及造纸、 油以及造纸、建材等生产部门 鲁棒性强。 3、鲁棒性强。
比例调节和积分调节的比较
• 积分调节可以消除静差。但对比例调节来说，当 积分调节可以消除静差。但对比例调节来说， 被调参数突然出现较大的偏差时， 被调参数突然出现较大的偏差时，调节器能立即 按比例地把调节阀的开度开得很大， 按比例地把调节阀的开度开得很大，但积分调节 器就做不到这一点，它需要一定的时间才能将调 器就做不到这一点， 节阀的开度开大或减小，因此， 节阀的开度开大或减小，因此，积分调节会使调 节过程非常缓慢。 节过程非常缓慢。 • 总之，比例调节能及时进行调节，积分调节可以 总之，比例调节能及时进行调节， 消除静差。 但它的输出有段积累过程， 消除静差。 但它的输出有段积累过程，过渡过程 进行的十分缓慢，如果系统干扰作用频繁， 进行的十分缓慢，如果系统干扰作用频繁，更显 得十分乏力，单独的积分调节系统较罕见，它作 得十分乏力，单独的积分调节系统较罕见， 为一种辅助调节规律与比例调节一起组成比例积 分调节规律。 分调节规律。
残差随着流量变化幅度也随着比 残差随着流量变化幅度也随着比 流量变化幅度也随着 例带的加大而加大 例带的加大而加大
比例带对调节过程的影响 • 比例调节的残差随比例带的加大而加大 • 比例带越大，开环增益越小
比例带对调节过程的影响 • δ很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此 很大意味着调节阀的动作幅度很小， 很大意味着调节阀的动作幅度很小 被调量的变化比较平稳， 被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超 但残差很大，调节时间也很长。 调，但残差很大，调节时间也很长。 • 减小 就加大了调节阀的动作幅度， 引起被 减小δ就加大了调节阀的动作幅度 就加大了调节阀的动作幅度， 调量来回波动，但系统仍可能是稳定的， 调量来回波动，但系统仍可能是稳定的， 残差相应减小。 具有一个临界值 具有一个临界值， 残差相应减小。δ具有一个临界值，系统处 于稳定边界的情况，进一步减小δ系统就不 于稳定边界的情况，进一步减小 系统就不 稳定了。 稳定了。 • δ的临界值 的临界值δcr可以通过试验测定出来：如 可以通过试验测定出来： 的临界值 可以通过试验测定出来 果被调对象的数学模型已知， 果被调对象的数学模型已知，根据控制理 论计算出来。 论计算出来。
• So—积分速度 积分速度
• 调节器的输出与偏差信号的积分成正比
积分调节的特点: 积分调节的特点:无差调节
1.根据式子，只有当被调量偏差e为零时， 1.根据式子，只有当被调量偏差e为零时，I调节器 根据式子 的输出才会保持不变。 的输出才会保持不变。调节器的输出可以保持在 任何一个数值上。 任何一个数值上。 2.I调节的另一特点 稳定作用比P调节差。 调节的另一特点， 2.I调节的另一特点，稳定作用比P调节差。
比例调节的特点 • （1）比例调节的输出增量与输入增量呈一 ） 一对应的比例关系。 一对应的比例关系。即：u=Ke • （2）比例调节反应速度快，输出与输入同 ）比例调节反应速度快， 没有时间滞后，其动态特性好。 步，没有时间滞后，其动态特性好。 • （3）比例调节的结果不能使被调参数完全 3） 回到给定值，而产生残差。 回到给定值，而产生残差。