过程控制第三章课件

第三章PID控制及其调节过程内容回顾单回路控制系统的组成重点：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本章重点内容§3.1基本概念控制器的作用：将测量变送信号与设定值相比较，若存在偏差，就按预先设置的不同控制规律产生输出信号。控制规律：控制器的输出信号随偏差信号的变化而变化的规律。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.一、概述•常用PID控制规律：P，PI、PD、PID控制。传统的模拟PID控制器是通过硬件来实现它的功能.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控制系统原理图二、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．PID控制是一种负反馈控制。在反馈控制系统中，自动调节器和被控对象构成一个闭合回路。在连接成闭合回路时，可能出现两种情况：正反馈和负反馈。三、调节器作用方向的选择正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，导致控制系统不稳定。负反馈作用则缓解对象中的不平衡，正确地达到自动控制的目的。1．系统中各环节正、反作用方向的规定•在控制系统方框图中，每一个环节（方框）的作用方向都可用该环节放大系数的正、负来表示。如作用方向为正，可在方框上标“＋”；如作用方向为负，可在方框上标“－”。•正作用方向：当该环节的输入信号增加时，输出信号也随之增加。•反作用方向：当输入增加时，输出减小，即输出与输入变化方向相反。控制系统中各环节的作用方向（增益符号）是这样规定的：（1）被控对象环节。被控对象的作用方向，则随具体对象的不同而各不相同。当过程的输入（操纵变量）增加时，若其输出（被控变量）也增加则属于正作用，取“＋”；反之则为负作用，取“－”号。（2）执行器环节。对于控制阀，其作用方向取决于是气开阀还是气关阀。当控制器输出信号（即控制阀的输入信号）增加时，气开阀的开度增加，因而流过控制阀的流体流量也增加，故气开阀是正方向的，取“＋”号；反之，当气关阀接收的信号增加时，流过控制阀的流量反而减少，所以是反方向的，取“－”号。控制阀的气开、气关作用形式应按其选择原则事先确定。（4）控制器环节。由于控制器的输出取决于被控变量的测量值与设定值之差，所以被控变量的测量值与设定值变化时，对输出的作用方向是相反的。当误差增加时，其输出也增加，则该环节的增益为正，反之为负。（3）测量变送环节。对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的。因为当其输入量（被控变量）增加时，输出量（测量值）一般也是增加的。KcKvKoKmreμuyym－＋＋＋调节阀被控过程测量变送器ryucKvKOKmKmyKc：调节器运算部分的增益Ko、Kv和Km：代表被控过程、调节阀和测量变送器的增益μ为调节阀的开度ym为被调量y的测量值。2、控制器的正反作用控制器的正反作用•环节的增益为正：当环节输入增加时，其输出也增加KcKvKoKmreμuyym－＋＋＋调节阀被控过程测量变送器负反馈准则：KCKVKoKm0•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ryucKvKOKmKmy确定控制器的正反作用的步骤4、根据负反馈准则，确定控制器的正反作用1、根据工艺安全性要求，确定控制阀的气开和气关型。气开阀的增益为正，气关阀的增益为负2、根据过程的输入和输出关系，确定被控过程增益的正负3、根据检测变送环节的输入输出关系，确定检测变送环节增益的正负控制器的正反作用举例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控制器的正反作用举例缓解不平衡能力分析：干扰信号y↑（测量变送器正作用）ym↑（调节器反作用）u↓（调节阀正作用）μ↓Q(加热气)↓（被控对象反作用）y↓冷却过程缓解不平衡能力分析：干扰信号y↑（测量变送器正作用）ym↑（调节器正作用）u↑（调节阀正作用）μ↑Q(冷气)↑（被控对象反作用）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§2.2比例调节的动作规律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：Kc---比例增益，可以取正数或者负数e---偏差u0---当偏差e=0时的输出信号△u---控制器的变化量注意:当偏差e=0时，并不意味着无输出，而是u=u00ueKuCeKuC或比例度（比例带）在过程控制中，习惯用比例度（比例带）δ代替比例增益Kc只有当被调量处于这个范围之内，调节阀的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.实际上，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•δ的物理意义：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．例：某气动比例温度控制器的输入范围为500～10000C，输出范围为20～100KPa，当控制器输入变化2000C时，其输出信号变化40KPa，则该控制器的比例度为多少？解：%80%100)20100/(40)5001000/(200||/||/minmaxminmaxuuueee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.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。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。水温越高，调节器应把调节阀开得越小。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1Q*Q**()u*k***SHCTTHQC1k*1**uHQCQ常数直线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无调节下残差：θB－θ0结论：P调节是有差调节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．δ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．奈奎斯特稳定准则δ对于比例调节过程的影响Kc对控制系统性能的影响（δ减小时）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：u=Ke（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。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，时间常数不太小，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，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：压力调节：30~70%流量调节：40~100%液位调节：20~80%温度调节：20~60%一积分调节的动作规律在积分调节中,调节器的输出信号变化速度du/dt与偏差信号e成正比,即：0duSedt或00tuSedt式中S0称为积分速度§2.3积分调节（I调节）举例：自力式气压调节阀原理管道压力P是被调量，它通过针形阀R与调节阀膜头的上部空腔相通，而膜头的下部空腔则与大气相通。重锤w的重力使上部空腔产生一个恒定的压力Po。Po就是被调量的设定值；它可以通过改变杠杆比l1/l2或重锤W加以调整。•当P＝Po时，没有气流通过针形阀R，因此膜片以及与它连接在一起的阀杆静止不动。•当P≠Po时，膜片带动阀杆上下移动，阀杆的移动速度与偏差成正比。改变针形阀的开度就可改变积分速度的大小。二积分作用的特点---无差调节只有当被调量偏差e为０时，积分调节器的输出才会保持不变．调节器的输出可以停在任何数值上.这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有残差，调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上．积分调节控制系统的调节阀开度与当时被调量的数值本身没有直接关系，因此积分调节也称为浮动调节．2、稳定作用比P调节差．1、无差调节I调节不如P调节反应及时，具有滞后性。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．因为S0越大，调节阀的动作愈快(由du/dt=S0e可知)．越容易引起和加剧振荡．同时，振荡频率越来越高，而最大动态偏差越来越小，被调量最后无残差．三、积分速度对调节过程的影响Ti对控制系统性能的影响P调节与I调节过程的比较•P调节：反应及时，超调量小，有差调节•I调节：滞后性，稳定性差，无差调节。一比例积分调节的动作规律PI调节就是综合P,I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰，同时利用I调节消除残差．其调节规律为Kc---比例系数S0---积分速度δ---比例带TI---积分时间00011()tctIuKeSedteedtT§2.4比例积分调节（PI调节）调节过程：在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为△e/δ的阶跃，然后以固定的速度△e/δTI变化.当t=TI时，调节器的总输出为:2△e/δ由e=△e为常数，代入式中则：011()1()tIIIueedtTeteTeetT当t=TI时2IIeTeeuT积分部分比例部分二、PI调节过程•P调节引入积分消除系统残差，却降低了原有系统的稳定性。•为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大。•PI调节在比例带不变的情况下，减小积分时间TI，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节