单回路控制系统的PID调节

单回路控制系统的PID调节主讲人：李军自动控制系统简介自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象的被控量自动地按预先给定的规律去进行。自动控制系统：是由起控制作用的自动控制装置和被控制器控制的生产设备通过信号的传递、联系所构成的系统。简言之，就是指被控对象和控制装置的总体。自动控制系统简介自动控制系统简介单回路控制系统方框图的一般形式如下图所示，它是由被控对象、执行器、调节器（控制器）和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。自动控制系统简介调节器（自动控制器）的控制规律主要指控制单元的动态特性，它直接影响着自动控制系统的控制品质。在一般情况下，被控对象的动态特性是不便于人为地加以改变的。为了得到满意的控制过程，总是根据被控对象的动态特性，选择合适的调节器（控制器）的控制规律。主要内容三种基本控制作用1三种控制作用的比较2比例控制作用积分控制作用微分控制作用PID参数的整定3三种基本控制作用—比例控制作用(一)比例控制作用定义：比例控制作用是指控制器的输出与输入成比例关系。动态方程式用传递函数表示为)t(eK)t(p)t(e1)t(pK11K)s(E)s()s(Wpp三种基本控制作用—比例控制作用若e(t)为单位阶跃响应，则e(t)1tppK)t(eK)t(tμ(t)Kp三种基本控制作用—比例控制作用动作规律Kp固定时，偏差e(t)愈大，执行机构输出位移μ(t)也愈大；偏差e(t)的变化速度de(t)/dt愈大，执行机构输出位移的速度dμ(t)/dt也愈大控制特点优点：动作速度快，对于干扰有及时和很强的控制作用；缺点：是有差调节，存在静态偏差，对于扰动较大，且惯性也较大的系统，很难兼顾动态和静态特性。三种基本控制作用—积分控制作用(二)积分控制作用定义：积分控制作用是指执行机构的位移量的变化速度dμ(t)/dt与偏差信号e(t)成比例的作用。动态方程式用传递函数表示为tidtteTt0)(1)()(1)(teTdttdisTsEssWiI1)()()(三种基本控制作用—积分控制作用若e(t)为单位阶跃响应，2iiIsT1s1sT1)s(E)s(W)s(tTsi1)(L)t(1e(t)t1μ(t)tTi三种基本控制作用—积分控制作用动作规律只要被控对象的被控量不等于给定值（即偏差e存在），那么执行机构就会不停动作，而且偏差e的数值越大，执行机构的移动速度dμ(t)/dt就越大，只有e＝0时，即偏差消失时，执行机构才停止动作。控制特点优点：控制过程结束时，被控量一定是无差的，引用积分作用可消除被控量的偏差；缺点：积分作用是随时间而逐渐加强的，与比例作用相比过于迟缓，有延迟，控制不及时；同时由于误差调节的变化总是落后于误差的变化，因此会使控制过程变得振荡，甚至不稳定。三种基本控制作用—微分控制作用(三)微分控制作用定义微分控制作用是指执行机构的位移量μ(t)与被控量的偏差e(t)的变化率成正比的作用。动态方程式用传递函数表示为dtdeTtd)(sTsEssWdD)()()(三种基本控制作用—微分控制作用若e(t)为单位阶跃，则ddDTssTsW1)()()(tTtde(t)t1tμ(t)Td三种基本控制作用—微分控制作用若e(t)为匀速变化输入，则由e(t)t1dt)t(de)(ktteddTdtdeTt)(tμ(t)Tdk三种基本控制作用—微分控制作用动作规律：在控制过程刚开始时，被控量的偏差很小，但其变化速度却很大，可预见偏差变化的趋势，使执行机构产生一个较大的位移，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。控制特点：优点：与比例和积分控制作用相比，具有起始超前和加强控制的作用，能有效减少控制过程的动态偏差。缺点：当控制结束，即偏差e的变化速度等于0时，微分作用的输出也将为0，即执行机构的位置最后总是恢复到原来的数值，这就不能适应负荷的变化，不能满足控制的需要。（只有单纯微分作用的控制器是不能使用的，它只是控制器控制作用的一个组成部分。）三种基本控制作用—小结优点缺点比例作用动作速度快，可使控制过程趋于稳定在单独使用时，使被控量产生静态偏差积分作用能使被控量无静态偏差在单独使用时，会使控制过程变得振荡，甚至不稳定微分作用能有效的减少动态偏差不能单独使用三种基本控制作用—小结比例控制作用是最基本的控制作用，而积分和微分作用为辅助控制作用。比例作用贯彻于整个控制过程之中，积分作用则体现在控制过程的后期，用以消除静态偏差，微分作用则体现在控制过程的初期。实际应用中应根据具体情况选择控制规律，同时设置适当的比例系数、积分时间、微分时间，才能收到满意的控制效果。三种控制作用的比较1、PI控制器的阶跃响应曲线2、PD控制器的响应曲线3、实际PID控制器的阶跃响应曲线4、过渡过程曲线PID参数的整定参数整定找最佳，从小到大顺序查。先是比例后积分，最后再把微分加。曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢，积分时间往下降。曲线波动周期长，积分时间再加长。曲线振荡频率快，先把微分降下来。动差大来波动慢，微分时间应加长。理想曲线两个波，前高后低四比一。一看二调多分析，调节质量不会低。PID参数的整定例1曲线振荡很频繁，比例度盘要放大（δ增大，即Kp减小）比例太强要振荡PID参数的整定例2曲线波动周期长，积分时间再加长（Ti增大，即降低积分作用）积分太强过程长单回路控制系统实验被控量为水箱的液位高度，要求水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器检测到的水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。PID参数的整定山东电力研究院热控所