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4 PID调节原理 本章学习内容 4.1 PID控制概述 4.2 比例调节 4.3 积分调节 4.4 微分调节 4.5 比例积分微分调节（PID调节） 4.6 数字PID控制 4.7 PID调节器参数的工程整定 4.8 智能PID控制方法 4.1 PID控制概述 PID 控制是比例积分微分控制 （Proportional-Integral-Differential） 历史最久、生命力最强的控制方式 反馈控制 反馈控制 常规PID控制系统的原理 输入：控制偏差e ( t ) = r ( t ) - y ( t ) 输出：偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合 PID控制的优点 ①原理简单，使用方便； ②适应性强； ③鲁棒性强； 控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 ④对模型依赖少。 4.2.1 比例调节的动作规律，比例带 在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例， 即， u = Kp e （4.3） 　式中Kp称为比例增益 P调节的阶跃响应 比例带 为表示调节器输入和输出之间的比例关系，在过程控制中习惯用比例带（比例度）δ来代替比例增益： 习题4.7(p102) 某电动比例调节器的测量范围为100~200oC，其输出为0~10mA。当温度从140oC变化到160oC时，测得调节器的输出从3mA变化到7mA。试求出该调节器比例带。 δ具有重要的物理意义 u代表调节阀开度的变化量，δ就代表使调节阀开度改变100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。 例如，若测量仪表的量程为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。 当被调量处在“比例带” 以内调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。 超出这个“比例带”以外 调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保持比例关系。 如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是统一的标准信号，即　　　　　　　 ，则有 此时比例带（比例度）δ与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%的开度变化，相应的比例增益就大。 4.2.2 比例调节的特点，有差调节 比例调节的显著特点就是有差调节。 余差（或静差）是指： 被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。 余差的大小与调节器的放大系数K或比例带δ有关 放大系数越小，即比例带越大，余差就越大； 放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。 4.2.3 比例带对于调节过程的影响 a)δ大 调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长 b)δ减小 调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差减小 c)δ进一步减小 被调量振荡加剧 d)δ为临界值 系统处于临界稳定状态 e)δ小于临界值 系统不稳定，振荡发散 　 比例调节的特点： （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 = K e （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，而产生余差。 若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，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% 4.3.1 积分调节动作规律 调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的积分成正比，即： 积分调节的阶跃响应 图示的自力式气压调节阀就是一个简单的积分调节器： 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。 改变针形阀的开度可改变积分速度S0 4.3.2 积分调节的特点，无差调节 积分调节的特点是无差调节 只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就要动作到把被调量的静差完全消除为止 而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输出就会保持不变。 调节器的输出可以停在任何数值上,即: 被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。 积分调节的稳定性 它的稳定作用比P调节差，采用积分调节不可能得到稳定的系统。 积分调节的滞后性 它的滞后特性使其难以对干扰进行及时控制，所以一般在工业中，很少单独使用I调节，而基本采用PI调节代