第三章 控制器的控制规律 过程控制系统教学课件.ppt

第三章 控制器的控制规律 3.1 基本控制规律 3.1.1 双位控制 3.1.2 比例控制 3.1.3 积分及比例积分 3.1.4 微分及比例微分控制 3.1.5 比例积分微分控制PID 3.2 PID控制器的离散形式 3.2.1 理想PID的离散型 3.2.2 改进型PID 积分分离、微分先行、二维PID 带不灵敏区、定值滤波 3.3 集散控制系统中的PID算法 3.1 基本控制规律 双位控制 断续控制开关 P Proportional I Integra 连续量控制 D Derivative 3.1.1 双位控制（古老、简单）（又称开关控制） 根据输入偏差的正负，控制器输出为最大、最小，相应执行器只有开和关的动作。 例如热水器 若设定为50℃，通电，一直到55℃，emax=5，才断开。 断开后温度下降，下降到45℃时，emin=-5，才又通电加热。 被控量在断续控制下为等幅振荡过程，如图： 双位控制小结 双位控制器结构简单，容易实现控制，价格便宜； 适用于单容对象且时间常数较大，负荷变化较小，过程时滞小，工艺过程允许被控量在一定范围内波动的场合。 例如：贮槽液位，恒温箱，管式炉的温度控制等 实施：带上、下限触点的检测仪表，双位控制器，配上继电器，电磁阀执行器，磁力起动器等。 3.1.2 比例控制 1、 比例控制规律 控制器输出量与偏差成比例关系 即 Kp为比例增益（放大倍数），决定了比例作用的强弱。 实例 ： 自力式液位比例控制系统 测量：浮球 控制器:杠杆 执行器：活塞阀 2、比例控制的范围及控制输出的饱和特性 图中的量是百分数 控制输出有饱和特性（u(t)有量程范围），比例控制就有一定的范围 Kp越大，保持线性的范围越小 过程控制中常用比例度（带）P含义：输入偏差的相对变化值与控制器输出相对变化之比 在控制器输入输出量程相同时， 比例度（带） p=1/Kp 比例增益（放大倍数）的倒数。 3、比例控制的特点及Kp的作用 （1）控制及时，反应灵敏；偏差越大，控制力度越大。 （2）存在余差（静差） （3）Kp越大，余差越小，稳定性越差。 4、分析比例系数Kp参数对过程的影响 例如：受控对象为 取比例控制的参数为 通过MATLAB/SIMULINK 仿真实验得： 3.1.3 积分及比例积分 2、比例积分规律PI 3、积分饱和问题 积分饱和： 只要偏差存在，积分作用不断增大或减小，直到极限值；若偏差e 一时不能消除，则调节器处于深度饱和。当偏差e反向后，才能慢慢从饱和状态中退出，重新恢复控作用。——积分饱和现象，大多数是有害的。 一般的系统由于积分可消除余差，调节过程中逐步使 e →0，不会出现积分饱和现象。 多发生于较复杂的控制系统，如选择性控制，自动启动间隙控制，串级等。 4、分析积分时间Ti参数对过程的影响 例如： 受控对象为 取比例积分控制的参数为 通过MATLAB/SIMULINK建立仿真模型如下， 3.1.4微分控制及比例微分控制 在比例P的基础上增加了积分作用I后，可消除余差，但为了抑制超调，必须减少Kp，使整体性能变差，当对象之后很大时，或负荷变化剧烈时，不能及时控制，而且偏差变化速度越大，产生的超调越大，需要越长的控制时间，此时引入微分作用D。 微分作用D是根据e的变化趋势进行动作，从而可能避免产生较大的偏差，可以减少调整时间。 2、比例微分作用PD 比例微分PD的特点： PD也是有差调节 微分D超前，用e变化趋势产生控制作用，能抑制振荡，有提高系统稳定性的作用，所以在比例P的基础上引入微分D时，可适当减小比例度（即加入比例增益），性能改善。 PD的抗干扰能力较差 3、分析微分时间Td参数对过程的影响 3.1.5 PID控制 P、I、D三种控制方式各有其独特的作用， P是基本的控制方式，自始至终起着与e相对应的控制作用； 加入了I，可消除P无法消除的余差； 添入D可以在受到快速变化的干扰时，及时加入抑制，增加系统的稳定程度， 当输入偏差为阶跃变化 则 分析PID 各参数造成系统振荡的区别 在前面的分析中可知，无论比例作用、积分作用还是微分作用，当参数设置使其作用过强时，系统输出都有可能出现振荡，但各种作用造成振荡的周期有一定的区别。 例如某对象为 分别用 (1)纯比例控制 Kp=1.9 (2)PI控制 Kp