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过程控制系统-PID控制
过程控制系统 — PID控制
主讲人:
一、过程控制系统概述
过程控制是自动化的重要分支,自动化技术的发展与生产过程紧密相关,无论是在工业生产过程中,还是在传统工业过程改造中,过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源都起到十分重要的作用。
1.1过程控制的任务与目标
生产过程是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程。在该过程中通常会发生物理反应、化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递等等,或者说生产过程表现为物料变化的过程。生产过程的总目标,在可能获得的原料和能源条件下,以最经济的途径将原物料加工成预期的合格产品。为达到目标,必须对生产过程进行监视与控制,因此,过程控制的任务是在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上,利用理论对系统进行分析与综合,以生产过程中物料变化的信息量为被控量,选择适宜的技术手段,实现生产过程的控制目标。
生产过程的目标
安全性 在整个生产过程中,确保人身和设备安全是最基本和最重要的要求。在生产过程中具体采用越限报警、事故报警、连锁保护等措施来保证生产过程的安全性。
稳定性 指系统抑制外部干扰、保持生产过程长期稳定运行的能力。
经济型 在满足以上两个基本要求的基础上,低成本高效益是过程控制的另一个目标。为了达到这个目标,不仅需要对控制系统进行优化设计,还需要管控一体化,即以经济效益为目标的整体优化。
1.2过程控制系统组成
过程控制系统一般有以下几部分组成:
1、被控对象;
2、用于生产过程参数检测的变送仪表;
3、控制器;
4、执行机构;
5、报警、保护和连锁等其它部件。
控制器(或称调节器)根据系统输出量的检测值y(t)与设定值r的偏差,按照一定的控制算法输出控制量u,对被控过程进行控制。执行机构(如调节阀)接受控制器送来的控制信息调节被控量,从而达到预期的控制目标。过程的输出信号通过过程检测仪表反馈到控制器的输入端,构成闭环控制系统。
1.3过程控制系统的性能指标
工业过程对控制的要求,可以概括为准确性、稳定性和快速性。过程控制可以分为定值控制和随动控制(伺服控制),定值控制和随动控制既有共同点也有不同点。定值控制系统在于恒定,即要求客服干扰,使系统的被控参数能稳、准、快地保持或接近于设定值。而随动控制系统的主要目标是跟踪,即稳、准、快的跟踪设定值。根据过程控制系统的特点,下面主要讨论定值控制的性能指标。
(1)衰减比和衰减率
(2)最大动态偏差
(3)余差
(4)调节时间和振荡频率
二、PID控制概述
2.1 PID控制的特点
(1)原理简单、使用方便。PID控制是由P、I、D三个环节的不同组合而成,其基本组成原理比较简单。参数的物理意义也比较明确。
(2)适应性强。可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸等各种生产部门。
2.2负反馈控制
首先PID控制是一种负反馈控制。自动调节器和被控对象构成一个闭合回路,在连接成闭合回路时,可能出现两种情况,一个是正反馈,一个是负反馈。正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡,从而导致控制系统不稳定;负反馈的作用则是缓解对象中的不平衡,这样才能达到自动控制的目的。
图2.1是一个生产过程的简单控制系统方框图,其中Gp(s)是包括调节阀、被控对象和测量变送元件在内的广义被控对象的传递函数;虚线框内部分是调节器Gc(s)。进入调节器运算部分的偏差信号e定义为:
式中:r:设定值;
y:被调量的实测值。
为了适应不同被控对象实现负反馈的需要,调节器都是设置有正、反作用开关,以便根据需要将调解器置于正作用或反作用方式。所谓正作用方式是指调节器的输出信号u随着被调量y的增大而增大,此时称整个调节器的增益为“+”。处于负作用方式下,u随着被调量y的增大而减小,调节器的增益为“-”。这样,负反馈控制就可以通过正确选定调节器的作用方式来实现。
三、比例调节(P调节)
3.1比例调节的概念
在P调节中,调节器的输出信号u与偏差信号e成比例,即
式中 — 比例增益
在过程控制中习惯上用增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系:
其中 称为比例带
根据P调节器的输入输出测试数据,很容易确定它的比例带 的大小
3.2比例调节的特点
比例调节的最显著特点就是有差调节
工业过程在运行中经常会发生负荷变化。处在自动控制下的被控过程在进入稳态后,流入量与流出量之间总是要达到平衡的。如果采用比例调节,则在负荷扰动下的调节过程结束后,被调量不可能与设定值绝对相等,它们之间一定有残差,这就是有差调
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