比例、积分、微分调节器

第一节控制系统组成控制系统的框图控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成控制系统运行的重要准则控制器正反作用的设置4比例，积分、微分(PID)调节器PID（比例—积分—微分）调节器在工业控制中得到广泛地应用。它有如下特点：1.对系统的模型要求低实际系统要建立精确的模型往往很困难。而PID调节器对模型要求不高，甚至在模型未知的情况下，也能进行调节。2.调节方便调节作用相互独立，最后以求和的形式出现的，人们可改变其中的某一种调节规律，大大地增加了使用的灵活性。3.适应范围较广一般校正装置，系统参数改变，调节效果差，而PID调节器的适应范围广，在一定的变化区间中，仍有很好的调节效果。5比例，积分、微分(PID)调节器()RsPID调节器()Es()Ms()CspKIKsDKs0()GsPID调节器的运动方程为：dtde(t)Ke(t)dtKe(t)Km(t)DIp6写成传递函数形式不难看出，引入PID调节器后，系统的型号数增加了Ⅰ，还提供了两个实数零点。因此，对提高系统的动态特性方面有更大的优越性。sKsKKE(s)M(s)(s)GDIpes)2KK1KKK)(s2KK4KKK(sK(s)GDDI2ppDDI2ppDeP作用与余差（稳态误差）82、比例——积分(PI)调节器及其控制规律()RsPI调节器pKIKs()Es()Ms0()Gs()CssKK(s)GIpc)ωζ2s(sω(s)Gn2n0)ω2ζ(ss)Ks(Kω(s)(s)GGG(s)n21p2n0cPI调节器的传递函数令则9可见：引入PI调节器后，闭环系统由原来的Ⅰ型系统变成了Ⅱ型系统，对改善系统的稳态特性是有好处的。另一方面由于系统相角发生滞后，系统的稳定性下降了。如果Kp、KI选择不当，很可能会造成不稳定。积分作用会加大系统的不稳定性积分饱和现象123、比例——微分(PD)调节器及其控制规律()RspK()Es()MsPD调节器DKs0()Gs调节器的运动方程：式中：KD=KpTD——微分调节器比例系数；TD——微分时间常数。传递函数：）＋（＝＋＝sTsTDD1KKKsKK(s)GpppDpcdtde(t)TKe(t)Km(t)Dpp13为了说明调节器的物理意义，以二阶系统为例：系统的开环传递函数：以上分析可知：PD调节器的引入，相当于给原系统的开环传递函数增加了一个s=－Kp/KD的零点，)ωζ2s(sω(s)Gn2n0)ω2ζs(ss)K(Kω(s)(s)GGG(s)nDp2n0c14()RspK()Es()MsPD调节器DKs0()GsPD调节器对系统动态响应的影响分析。0000()ctmaxc11()et5t4t3t2t1tatbt()mt()ettttt由微分调节器作用由TD决定。TD大，微分作用强，TD小，微分作用弱，选择好TD很重要。15由以上分析可知：微分控制是一种“预见”型的控制。它测出e(t)的瞬时变化率，作为一个有效早期修正信号，在超调量出现前会产生一种校正作用。如果系统的偏差信号变化缓慢或是常数，偏差的导数就很小或者为零，这时微分控制也就失去了意义。注意：模拟PD调节器的微分环节会使系统的噪声放大，抗干扰能力下降，在实际使用中须加以注意解决。PID控制作用•比例作用P是基本控制作用，输出与输入无相位差。Kc越大控制作用越强，随着Kc的增加(比例度δ减小)，余差下降，最大偏差减小，但稳定性变差。•比例作用P引入积分作用I后，可以消除余差。但是幅值增加，相位滞后，使稳定性裕度下降，为保持同样稳定性裕度，Kc应减少10-20%(比例度δ应增加10-20%)。积分时间Ti越短，积分作用越强，Ti趋向无穷大时无积分作用。应防积分饱和。PID控制作用•比例作用P引入适当微分作用D后，幅值增加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保持同样稳定性裕度，Kc应增加10-20%(比例度δ应减少10-20%)。微分作用D可以产生预调的作用。微分时间Td越大，微分作用越强，Td=0无微分作用。控制器参数的经验整定法工艺要求：烟叶与香料按100:1混合，加料后烟叶的出口温度控制在70摄氏度；系统描述：A:加料机入口传送带，由电机M1控制其传送；B:加料机滚筒，由电机M2控制其转动；C:加料机出口传送带，由电机M3控制其传送；D:香料泵，由电机M4控制其转动，且其转速可调；E:香料入口电磁阀，只有开、关两个状态；F:蒸汽入口阀，带阀门定位器，其开度可调节，蒸汽可对加料筒进行加热处理。主要干扰源：1.蒸汽的热值有波动。2.加料机入口的烟叶来料流量起伏较大。F蒸汽阀蒸汽入口蒸汽出口E香料阀D香料泵TC1TC2--∑++K=0.01B加料机滚筒A烟叶入口传送带C烟叶出口传送带香料入口烟叶前馈补偿器出口温度控制器筒壁温度控制器烟叶流量检测器香料流量检测器香料流量控制器比值控制器+TT2TT1筒壁温度检测器出口温度检测器出口温度设定值SP70℃出口温度检测值FT1FCFT2ffG出口温度设定值SP70℃蒸汽阀加料机滚筒加料机系统筒壁温度检测出口温度检测烟叶流量检测KFC香料泵香料香料流量检测TC1蒸汽阀加料机滚筒出口温度检测烟叶前馈补偿器=0.01香料流量XF烟叶流量YF蒸汽热值D2C2D1C1T1----出口温度控制器筒壁温度控制器出口温度控制器++++出口温度设定值SP70℃香料流量控制器1cG2cGR1R1ffG