过程控制 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23:38过程控制2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重点：23:38过程控制32.1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.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．模拟PID控制系统原理图23:38过程控制4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．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．23:38过程控制5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．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．23:38过程控制6③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．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(positivefeedback)和负反馈(passivefeedback)两种。正反馈和负反馈23:38过程控制7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．y控制器检测单元－rym负反馈e控制器检测单元+ryym正反馈e仪表制造业中偏差：e=ym-r23:38过程控制8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-Gc(s)Gp(s)reuy－调节器被控过程Gd(s)D生成过程简单控制系统方框图23:38过程控制9•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+当环节输入增加时，其输出减小则为-23:38过程控制10常见环节的增益的符号的确定yKx增益K为输出输入增量之比:1)控制阀:◆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23:38过程控制11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↑()()uQyeyryuQy不能达到平衡可以达到平衡y↑,u↓,为反作用方式2)冷却过程条件：u↑μ↑Q(冷气)↑y↓()()uQyeyryuQy可以达到平衡不能达到平衡y↑,u↑,为正作用方式23:38过程控制12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)的增益的乘积为正数．KcKvKpKmreμuyym－＋＋＋根据控制系统方框图确定调节器正反作用调节阀被控过程测量变送器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23:38过程控制133)加热过程调节阀被控过程KcKvKpKmreμuyym－＋＋＋根据控制系统方框图确定调节器正反作用测量变送器条件：u↑μ↑Q↑y↑保证系统为负反馈的条件:Kv*Kp*Km*Kc为正++++Kc为正号调节器为反作用方式23:38过程控制144)冷却过程条件：u↑μ↑Q(冷气)↑y↓KcKvKpKmreμuyym－＋-＋根据控制系统方框图确定调节器正反作用测量变送器保证系统为负反馈的条件:Kv*Kp*Km*Kc为正+-+-Kc为负号调节器为正作用方式23:38过程控制15正作用方式:y↑u↑,调节器增益为“+”,Kc(调节器运算部分增益)为“-”反作用方式:y↑u↓,调节器增益为“-”,Kc(调节器运算部分增益)为“+”原因:仪表业规定调节器运算部分偏差e与控制中相差一个负号23:38过程控制162-2比例调节(P调节）一比例调节动作规律，比例带在比例调节中,调节器的输出信号u与偏差信号e成正比,即：cuKe0()uKc---比例增益，可以取正数或者负数注意:u实际上是对其起始值u0的增量.因此,当偏差e=0因而u=0时，并不意味着无输出，只是说明此时u=u0,u0的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。增量形式:比例带：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：1uecuKe23:38过程控制171100%cK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.调节器的比例带δ习惯用它相当于被调量测量仪表的量程的百分数表示,如:若测量仪表量程为100℃,则δ＝50%就表示被调量需要改变50℃才能使调节阀从全关到全开,也就是:δ*量程比例带也称比例度或比例范围,比例带δ越小,调节器的放大倍数也就越大,即调节器对输入偏差放大的能力越强。0100%100%0阀开度被调量阀开度被调量23:38过程控制18例:某气动比例温度控制器的输入范围为500～1000℃,输出范围为20～100KPa，当控制器输入变化200℃时，其输出信号变化40KPa，则该控制器的比例度为多少？解:maxminmaxmin/()100%/()200/(1000500)80%40/(10020)xxxyyy根据P调节器输入(△x)输出(△y)测量数据，可以确定其比例带的大小yccxyKxKxymaxminmaxmin/()100%/()xxxyyyδ无单位23:38过程控制19二比例调节的特点有差调节负荷：物料流或能量流的大小．处于自动控制下的被控过程在进入稳态后，流入量和流出量之间总是达到平衡，因此，常常根据调节阀的开度(流入量)来衡量负荷的大小如果采用比例调节，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≠0.23:38过程控制20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。假定现在采用比例调节器，并将调节阀开度μ直接视为调节器的输出。水温愈高，调节器应把调节阀开得愈小。0()psQcKH23:38过程控制21直线1：是比例调节器的静特性,即调节阀开度随水温变化的情况.δ↑,斜率↑曲线2和3：分别代表加热器在不同的热水流量下的静特性,他们表示加热器在没有调节器控制时,在不同流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系0()psQcKH23:38过程控制22直线1与直线2的交点O：代表在热水流量为Q0，在P调节下的稳态运行点。此时出口水温为θ0，调节阀开度为u0.若热水流量减小为Q1，则调节过程结束后，新的稳态点将是直线1与3的交点A。P调节下残差为:θA-θ0无调节下:θB-θ0结论：P调节是有差调节23:38过程控制23残差的计算:11111mcvmpvmperyrKKKKrKKKδ↑残差e↑KcKvKpKmreμuyym－调节阀被控过程测量变送器调节器23:38过程控制24三比例带对于调节过程的影响比例调节的残差随比例带的加大而增大.从这一方面考虑,希望尽量减小比例带．然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定．稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度，然后再考虑使用其它方法减小残差．23:38过程控制25δ对调节过程的影响：δ增大,则比例系数减小,由比例调节器输出u=Kc*e,则调节阀的动作幅度减小.因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调,但残差大,调节缓慢,调节时间长．δ减小,则比例系数增大,调节阀的动作幅度增大,引起被调量来回波动,但系统仍可能是稳定的,残差相应减小.δ具有一个临界值,此时系统处于稳定边界的情况,进一步减小δ系统就不稳定了．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：1,crcrcrcrKK即Kcr为广义被控对象在临界频率下的增益23:38过程控制26δ对于比例调节过程的影响23:38过程控制27Kc对控制系统性能的影响（δ减小）23:38过程控制28比例调节的特点◆δ越大:过渡过程越平稳,残差大,稳定性↑,调节时间↑.◆δ减小:振荡加剧,稳定性↓,残差小◆δ减到某一数值时,出现等幅振荡,此时称为临界比例度(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.即:Δu=Kc*e(2)比例调节反应速度快,输出与输入同步,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回到给定值,而产生静差.23:38过程控制29四比例带的选择原则◆若对象较稳定(对象的静态放大系数较小