過程控制：第六講 PI調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)

1、1 PI調(diào)節(jié)器2 PD調(diào)節(jié)器3 PID調(diào)節(jié)器第六講 PI調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)主要講解內(nèi)容1.1 比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律（PI）PI輸出響應(yīng)由比例和積分兩部分組成 當(dāng) t=TI u= 2KCe0由此可確定積分常數(shù)?；蛘? PI調(diào)節(jié)器TC冷水Q蒸汽D冷凝水熱水例 11.2 PI調(diào)節(jié)過程： t1t2加熱器水溫PI控制系統(tǒng)在熱水流量的階躍擾動下的調(diào)節(jié)過程Qh2Qh1 上圖可以看出，殘差的消除是PI調(diào)節(jié)積分動作的結(jié)果。正式積分部分的閥位輸出使得調(diào)節(jié)閥開度最終得以消除得以到達(dá)抵消擾動所需的位置。比例部分的閥位輸出 在調(diào)節(jié)過程的初始階段起較大作用，但是調(diào)節(jié)后又返回到擾動發(fā)生前的數(shù)值。設(shè)代表調(diào)節(jié)過程結(jié)束后閥門開度的變化

2、量，則有或者 上式表明，IE除與負(fù)荷變化幅度成正比外，還與PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的乘積 成正比，這使得IE稱為非常易于計算的評價指標(biāo)。IE1.3 對穩(wěn)定性的影響（從幅頻特性分析）對象和控制器分別表示為積分作用引入相位向量 在KC不變時，TI，積分作用越強，穩(wěn)定性越差，幅值裕量下降，相角裕量下降振蕩頻率下降.1.4 比例積分調(diào)節(jié)的特點 無差調(diào)節(jié)（吸收了積分規(guī)律的優(yōu)點） 調(diào)節(jié)及時 （吸收了比例規(guī)律的優(yōu)點） 浮動調(diào)節(jié)KC不變TI S0 衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差ess=0超調(diào)量 振蕩頻率 TI 不變KC 衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差ess 超調(diào)量 振蕩頻率 1.5 對系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響 與P調(diào)節(jié)相比較，在P調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積

3、分I，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng)加大。 PI控制系統(tǒng)不同積分時間的響應(yīng)過程示例圖示為同樣比例度下積分時間對過渡過程的影響。由圖中曲線可以看出，TI過大時積分作用不明顯，余差消除也慢，從圖中曲線、可以看出，TI較小時易于消除余差，但TI過小，系統(tǒng)的振蕩加劇。相比之下，曲線比較理想。 1.6 積分飽和現(xiàn)象和抗積分飽和的措施 有I的系統(tǒng)中，在某范圍內(nèi)I輸出uI與e的時間積分成正比，若由于某種原因（如閥門），被調(diào)量偏差一時無法消除，然而調(diào)節(jié)器還是要試圖校正這個偏差，而控制輸出達(dá)到一定限值后就不再繼續(xù)上升或下降，調(diào)節(jié)器將進(jìn)入飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。

4、 積分飽和現(xiàn)象將導(dǎo)致調(diào)節(jié)滯后，對穩(wěn)定、以及預(yù)期的控制目標(biāo)將產(chǎn)生不利的影響。在積分控制的應(yīng)用中，積分飽和則是指積分過量 (windup )現(xiàn)象。例1：壓力安全放空系統(tǒng) 當(dāng)P高于設(shè)定值，應(yīng)該放空。但在P達(dá)到設(shè)定值時(t2)，偏差反向，輸出因積分作用未反向而一直上升到0.14MPa。但輸出下降到0.1MPa(t3)，控制閥才開始打開，偏差反向后，輸出不能及時反向，造成動態(tài)偏差加大，控制品質(zhì)變差氣關(guān)閥 反作用t1時刻p等速升誤差反向0.1MPa以下控制閥開始打開 控制器未起作用 31 七月 2022 *No. 10給定值r被調(diào)量yeu-閥門TC冷水Q蒸汽D冷凝水熱水yur調(diào)節(jié)滯后P34圖2.3/PI調(diào)

5、節(jié)氣開式反作用積分飽和的防止積分外反饋PI調(diào)節(jié)器內(nèi)部切換實現(xiàn)防止積分飽和的策略：在偏差為零時，第一項不超限采用輸出限幅：只對調(diào)節(jié)器的輸出限幅采用對 限幅：方法 如取一定值UB，則UB =0時積分為0，從而防止積分飽和，在選擇、串級控制系統(tǒng)中常采用積分外反饋（1）接入外部積分反饋 若在正反饋回路中加入一個間隙單元，可防止積分飽和現(xiàn)象的出現(xiàn) u1稱正微分，KD1稱反微分微分先行：對測量值微分，又稱測量微分，常用于隨動系統(tǒng)。2.3 比例微分控制算法使用注意事項微分先行PD階躍響應(yīng)3 PID調(diào)節(jié)器PID控制規(guī)律吸取了比例控制的快速反應(yīng)功能、積分控制的消除余差功能和微分控制的預(yù)測功能，從控制效果看，是比

6、較理想的一種控制規(guī)律。階躍響應(yīng)特性可以看作是PI階躍響應(yīng)曲線和PD階躍響應(yīng)曲線的疊加。 PID三作用控制器雖然性能效果比較理想，但并非任何情況下都可采用PID三作用控制器。因為PID三作用控制器需要整定比例度、積分時間和微分時間三個變量，而在實際工程上是很難將這三個變量都整定到最佳值。3.1 比例積分微分調(diào)節(jié)(PID)規(guī)律實際PID傳遞函數(shù)為理想PID算法為理想PID傳遞函數(shù)為PID階躍響應(yīng)曲線比較理想PID實際PID 氣動調(diào)節(jié)器常采用PI與PD串聯(lián)連接，即其中 電動調(diào)節(jié)器采用更復(fù)雜的形式，等效傳函其中 其中帶為調(diào)節(jié)器參數(shù)的實際值，不帶的為刻度值。F稱為互干擾系數(shù)。DDZ型調(diào)節(jié)器PID電路實例

7、求U2（s）/U1(s),并說明是什么控制器 U2(S) / U1(S) = (R1 + 1 / C1S) / (R0 / C0S ) / (R0 + 1 / C0S) = (R1 / R0 + C0 / C1 +1 / R0C1S+ R1C0S)此控制為PID控制 I調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)P調(diào)節(jié)PD調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)3.2 相同衰減率下，各調(diào)節(jié)規(guī)律比較PID的調(diào)節(jié)效果最好(從超調(diào)量、過度過程時間、穩(wěn)態(tài)誤差)，PI其次，PD次之(有差)，P再次之，I調(diào)節(jié)最差 調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則：盡量采用簡單的控制規(guī)律。3.3 如何選擇調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律 總方針：PID的調(diào)節(jié)效果最好，但有三個參數(shù)要整定，如整定不合適，則導(dǎo)致系

8、統(tǒng)不穩(wěn)定，適得其反。一般可按：先比例 ，再積分，然后才把微分加。對象T大或長，應(yīng)引入D作用；允許有差則可選PD調(diào)節(jié)；系統(tǒng)要求無差，則選PID規(guī)律。對象的T 較小，受擾動影響不大，系統(tǒng)要求無差，則使用PI調(diào)節(jié)。（如鍋爐水位控制等）對象的T 較小，受擾動影響不大，系統(tǒng)可有差，則使用P調(diào)節(jié)。 對象T大或很長，受擾動影響也很大，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)(如汽溫控制系統(tǒng))若廣義對象的傳函可近似為典型的自衡過程 ，選擇P或PI調(diào)節(jié)，選擇PD或PID調(diào)節(jié) ，用復(fù)雜控制。P基本作用，輸出、輸入無相差。Kc ()作用增強，余差下降，超調(diào)減小,穩(wěn)定性變差P引入I后消除余差,但幅值增加,相位滯后,穩(wěn)定裕度下降，為保持穩(wěn)定裕度,Kc減少10-20%(增加10-20%). TI 越短作用越強,TI 趨向無窮大無積分作用.應(yīng)防積分飽和.P引入D后幅值增加,相位超前,使穩(wěn)定裕度提高,為保持同樣穩(wěn)定性裕度,Kc應(yīng)增加10-20%(減少10-20%).D能克服滯后,但對時滯無作用.Td 越大作用越強,Td =0無微分。小結(jié)No. 31 本章重點回顧 基本P、I、D特點及特征參數(shù)的物理意義； 實際P、PI、PD及PID調(diào)節(jié)規(guī)律，及各