第五章、PID控制器的设计

过程控制仪表与装置第三章概述气动控制仪表的特点：结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜，并且具有本质安全防爆性能，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。概述电动控制仪表的特点：可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。模拟式传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低概述一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内同时具有检测、控制与显示的功能结构简单、价格低廉、使用方便通用性差，信号不易传递一般应用于简单控制系统中。基地式仪表概述单元组合式仪表仪表按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；组件组装式仪表：单元组合仪表的基础上发展起来的一种成套仪表装置，结构上包括控制机柜和显示操作盘两部分，它的主要特点是功能分离，结构组件化，特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的过程控制系统。概述数字式它以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代生产过程的高质量控制要求。它可实现连续生产过程、断续生产过程的控制，也可以通过在PLC中加入PID等控制功能，实现批量控制。概述可编程调节器：具有比传统模拟仪表更为丰富的运算和控制功能，它可以提供多种软件功能模块，由用户根据生产控制的要求通过组态完成各种运算处理和复杂控制，具有很大的应用灵活性，但其软件系统比较复杂。概述信号制及供电方式信号制----指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出间采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。气动控制仪表：0.02～0.1MPa电动控制仪表，0～10mA（DC）电流信号作为电动Ⅱ型仪表4～20mA（DC）电流信号1～5V（DC）电压信号电动Ⅲ型仪表传输方式：进出控制室的传输信号采用电流信号，控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号基本控制规律及其对控制过程的影响回忆：控制器作用被控对象测量变送控制器执行器被控变量设定值扰动基本控制规律概述控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。在单回路定值控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即：式中e—偏差Xi—被控变量的测量值Xg—被控变量的给定值控制器的输出信号是相对于控制器输入信号e的输出的变化量Δy。如果输入e与输出Δy的变化方向相同，则称控制器为正作用控制器；反之，如果输入e与输出Δy变化方向相反，则称控制器为反作用控制器。控制规律概述PID控制器的一般形式为：△y＝f(e)几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：eKyP比例作用（P）)1(0edtTeKytIP比例积分作用（PI）)(dtdeTeKyDP比例微分作用（PD）)1(0dtdeTedtTeKyDtIP比例积分微分作用（PID）KP—控制器的比例增益；TI—控制器的积分时间；TD—控制器的微分时间；控制规律的表示形式e△yKPett式中△y-为控制器的输出;e-为控制器的输入;KP为比例增益，表征比例控制作用的强弱程度。比例控制器的阶跃响应特性PID控制规律对控制过程的影响比例控制规律对控制过程的影响比例控制的输出与输入的关系为△y＝KPe通常习惯用比例增益的倒数即比例度表示控制器的输入与输出之间的比例关系以及比例作用的强弱。比例度可表示为δ=1/KPδ越大，比例控制作用越弱，δ越小，比例控制作用越强。PID控制规律对控制过程的影响比例度对控制过程的影响比例度的选择原则:若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。dteTytI01积分作用数学表达式为PID控制规律对控制过程的影响比例积分控制规律对控制过程的影响tte△y式中TI是积分常数，表示积分速度的大小和积分作用的强弱。积分作用能够消除余差与比例控制相比，积分控制过渡过程比较缓慢PID控制规律对控制过程的影响在阶跃信号作用下（幅值为A)ATtKAKATtKyIPPIP)1(PI输出响应由比例和积分两部分组成当t=TIΔy=2KPA)1e(K0PdteTytIPI控制器的输出随时间变化的表达式为t△yI=△yPt△ypPe△yTI由此可确定积分常数。积分常数越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。PID控制规律对控制过程的影响积分时间对过渡过程的影响左图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线３可以看出，TI过大时积分作用不明显，余差消除地也慢，从图中曲线１、２可以看出，TI较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。相比之下，曲线２就比较理想。理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。et0t0∞ttdtdeTyDPID控制规律对控制过程的影响比例微分控制规律对过渡过程的影响比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间ＴＤ成正比。微分时间越长，微分作用越强。微分时间对PID控制器而言，当积分时间TI→∞时，控制器呈PD控制特性。此时输出与输入的关系如式所示。tet△y理想PD控制器的阶跃响应曲线比例微分控制规律PID控制规律对控制过程的影响PID控制规律对控制过程的影响微分时间对过渡过程的影响PD控制优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。PD控制不足之处：一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，从控制效果看，是比较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响应曲线的叠加。PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，但并非任何情况下都可采用PID三作用控制器。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。PID阶跃响应特性曲线PID控制规律对控制过程的影响比例积分微分控制规律DDZ-Ⅲ型控制器DDZ-Ⅲ型PID控制器的特点：元器件以线性集成电路为主，大大提高了可靠性，降低了功耗；提高了控制器的操作性能；易于控制器功能的扩展;采用安全火花防爆措施，提高了稳定性和可靠性。同时，DDZ-Ⅲ型PID控制器中采用的运算放大器是高增益高输入阻抗的，因此具有较高的积分增益和良好的保持特性。DDZ-Ⅲ型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器偏差指示控制器PID控制器的组成原理PID控制器组成框图ＰID控制器的特性分析主要作用:对输入信号和给定信号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以10V参考电压为基准的输出电压信号。)(201siVVVVBIC1R1R6－+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT输入电路图中以零伏（地）为基准的测量信号Vi和给定信号VS，反相地加到运算放大器IC1的两个输入端，电路的输出是已经进行了电平移动的以VB=10V为基准的电压信号VO1。同相端：设为理想运放，，开环增益为Ri反相端：2VVVVVVVVVVVIIIBO1iF5BBO1F3F1Fi'3'2'121310R)(21RR0对于理想运放,VVFTVVVVVVV2VVVVVBSiBiSO1BO1iBS22213131VVVRRRRVVRVVRVIIIBST6336B73TS2T3213100VBIC1R1R6－+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FTIC1ＰID控制器的特性分析RP1aR1RD断CDV02KIC21KΩ9.1KΩ通+－V01VBVBRP1aV02IC2+－VTRDCD1KΩ9.1KΩV01VB比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号VO1进行比例微分运算。电路如图所示。将PD电路分为无源比例微分网络图和比例运算电路图两部分单独进行分析。无源比例微分网络比例电路微分电路构成充电结束时，9.1KΩ电阻上的电压全部加到电容CD上，此时VCD（∞）=VO1并保持该值不变。比例微分电路的输出信号VO２与VT成简单的比例放大关系，因为比例系数为α，所以有VO２＝VO1PD电路ＰID控制器的特性分析PI电路的作用是对PD电路的输出信号VO2进行比例积分运算，然后输出以10V为基准的1～5V的电压信号至输出电路。为便于分析，我们把射极跟随器等包括在IC3中，则PI电路简化图.PI电路PI电路的等效电路VB24VV02自CI×1K1－+IC3DWBG12.4KD3.9K软硬硬软自K2×109.1KRI1KV03自CMK1D3.9K软硬硬软自K2自K3K1D3.9K软硬硬软自K2VBCMV03V02CI－+IC3RI硬手操信号软手操信号PI电路ＰID控制器的特性分析