PID调节培训（工程师培训）.pdf

1 PIDPID调节原理调节原理23vPID PID 控制是比例积分微分控制控制是比例积分微分控制（Proportional-Integral-Differential）v历史最久、生命力最强的控制方式历史最久、生命力最强的控制方式4v反馈控制反馈控制给定（目标）给定（目标）输出（控制结果）输出（控制结果）根据误差进行的控制根据误差进行的控制5v反馈控制反馈控制控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量测量/变送器变送器-+目标目标误差误差输出输出广义对象广义对象PID6v常规常规PIDPID控制系统的原理控制系统的原理 输入：控制偏差输入：控制偏差e e(t t)=)=r r(t t)-y y(t t)输出：偏差的比例输出：偏差的比例(P)(P)、积分、积分(I)(I)和微分和微分(D)(D)的线性组合的线性组合 (4.2)()(1)()(0dttdeTdtteTteKtuDtIP式中式中 KP 比例系数比例系数 TI 积分时间常数积分时间常数 TD 微分时间常数微分时间常数7PIDPID控制的优点控制的优点原理简单，使用方便；原理简单，使用方便；适应性强；适应性强；鲁棒性强；鲁棒性强；控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

控制品质对被控对象特性的变化不大敏感对模型依赖少对模型依赖少84.2.1 比例调节的动作规律，比例带比例调节的动作规律，比例带v 在在P P调节中，调节器的输出信号调节中，调节器的输出信号u u与偏差信号与偏差信号e e成比例，成比例，即，即，u=Kp e （4.34.3）式中式中K Kp p称为比例增益称为比例增益4.2 比例调节（比例调节（P P调节）调节）9vP P调节的阶跃响应调节的阶跃响应 P P调节对偏差信号能做出及时调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后反应，没有丝毫的滞后输出输出u u实际上是对其起始值的实际上是对其起始值的增量因此，当偏差增量因此，当偏差e e为零，为零，因而因而u u0 0时，并不意味着调节时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有器没有输出，它只说明此时有u=u0u0的大小是可以通过调整调节的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的器的工作点加以改变的u=Kp eu0u0+Kpe010v比例带比例带 为表示调节器输入和输出之间的比例关系，在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）过程控制中习惯用比例带（比例度）来代替来代替比例增益比例增益：(4.5)%1001%100)/()/(minmaxminmaxminmaxminmaxeeuuKuuueeeP式中式中 emax emin-偏差信号范围，即仪表量程偏差信号范围，即仪表量程 umax umin-调节器输出信号范围，即控制器输出的工作范围调节器输出信号范围，即控制器输出的工作范围11v u代表调节阀开度的变化量，代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变就代表使调节阀开度改变100%100%即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。

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例如，若测量仪表的量程为100100则则50%50%就表示被就表示被调量需要改变调量需要改变5050才能使调节阀从全关到全开才能使调节阀从全关到全开v 当被调量处在当被调量处在“比例带比例带”以内调节阀的开度以内调节阀的开度(变化变化)才与偏差成比例才与偏差成比例v 超出这个超出这个“比例带比例带”以外以外 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持比例关系12v如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都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，即是统一的标准信号，即 ，则有，则有v此时比例带（比例度）此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%100%的开度变化，相应的比例增益就大的开度变化，相应的比例增益就大4.6)%1001%100PKue minmaxminmaxuuee134.2.2 比例调节的特点，有差调节比例调节的特点，有差调节比例调节的显著特点就是比例调节的显著特点就是有差调节有差调节。

14abeuKP这里的杠杆充当了这里的杠杆充当了比比例调节器例调节器：液位变化液位变化e e是其输入；是其输入；阀杆位移阀杆位移u u 是其输出；是其输出；调节器的调节器的比例增益为：比例增益为：该比例调节器是有余差的！该比例调节器是有余差的！余差的大小与比例增益有关，余差的大小与比例增益有关，Kp大，余差小大，余差小15v余差（或静差）是指：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被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值v余差的大小与调节器的放大系数余差的大小与调节器的放大系数K K或比例带或比例带有关有关 放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；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，余差就越小越强，余差就越小164.2.3 比例带对于调节过程的影响比例带对于调节过程的影响a)a)大大 调节阀的动作幅度小，变化平调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长调节时间也很长b)b)减小减小 调节阀动作幅度加大，被调量调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差减小来回波动，余差减小c)c)进一步减小进一步减小 被调量振荡加剧被调量振荡加剧d)d)为临界值为临界值 系统处于临界稳定状态系统处于临界稳定状态e)e)小于临界值小于临界值 系统不稳定，振荡发散系统不稳定，振荡发散 图图4.4 对比例调节过程的影响对比例调节过程的影响17比例调节的特点：比例调节的特点：（1 1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对）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：应的比例关系，即：u=K e（2 2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，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。

没有时间滞后，其动态特性好3 3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差给定值，而产生余差18v若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，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）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，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；使反应速度加快一些；v相反，若对象的放大系数较大，时间常数较相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大小，滞后时间较大 则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性比例带的一般选择原则：比例带的一般选择原则：19v比例带的选取，一般情况下，比例带的比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下：范围大致如下：压力调节：压力调节：3070%流量调节：流量调节：40100%液位调节：液位调节：2080%温度调节：温度调节：2060%20 v调节器的输出信号的变化速度调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信号与偏差信号e成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的积分成正比，即：积分成正比，即：(4.10)(4.9)tedtSueSdtdu00021v积分调节的阶跃响应积分调节的阶跃响应 I I调节器的输出不仅与偏差信号调节器的输出不仅与偏差信号的大小有关，还与偏差存在的的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。

时间长短有关只要偏差存在，调节器的输出只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化，直到偏差为零就会不断变化，直到偏差为零调节器的输出才稳定下来不再调节器的输出才稳定下来不再变化所以所以积分调节作用能自动消除积分调节作用能自动消除余差余差注意注意I I调节的输出不像调节的输出不像P P调节那调节那样随偏差为零而变到零样随偏差为零而变到零tedtSu0022v图示的自力式气压调节阀就是一个简单的积分调图示的自力式气压调节阀就是一个简单的积分调节器：节器：管道压力管道压力P P是被调量，它通过针形阀是被调量，它通过针形阀R R与调节阀膜头的与调节阀膜头的上部空腔相通，而膜头的上部空腔相通，而膜头的下部空腔则与大气相通下部空腔则与大气相通改变针形阀的开度改变针形阀的开度可改变积分速度可改变积分速度S S0 0eSdtdu0234.3.2 积分调节的特点，无差调节积分调节的特点，无差调节v 积分调节的特点是积分调节的特点是无差调节无差调节 只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就只要偏差不为零，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 而一旦被调量偏差而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输为零，积分调节器的输出就会保持不变。

出就会保持不变调节器的输出可以停在任何数值上调节器的输出可以停在任何数值上,即即:被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调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求的开度上tedtSu0024v积分调节的稳定性积分调节的稳定性 它的稳定作用比它的稳定作用比P P调节差，采用积分调节不可调节差，采用积分调节不可能得到稳定的系统能得到稳定的系统K(s+1)(2s-1)KGK=2K=0.225v积分调节的滞后性积分调节的滞后性 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，很少单独使用以一般在工业中，很少单独使用I I调节，而基本采调节，而基本采用用PIPI调节代替纯调节代替纯I I调节26v采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分速度速度S S0 0成正比v增大积分速度降低系统的稳定程度增大积分速度降低系统的稳定程度4.3.3 积分速度对于调节过程的影响积分速度对于调节过程的影响27 调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低 当积分速度大到超过某一临界值时，整个当积分速度大到超过某一临界值时，整个系统变为不稳定，出现发散的振荡过程。

系统变为不稳定，出现发散的振荡过程S0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来愈小调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢增加了，但调节速度变慢 当积分常数小到某一临界值时，调节过程当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程变为非振荡过程无论增大还是减小积分速度，被调量无论增大还是减小积分速度，被调量最后都没有残差最后都没有残差图图4.7 积分速度积分速度S S0 0 对调节过程的影响对调节过程的影响28v 比例调节是有差调节，积分调节是无差调节比例调节是有差调节，积分调节是无差调节v 比例调节能立即响应偏差变化比例调节能立即响应偏差变化积分调节调节过程缓慢积分调节调节过程缓慢当被调参数突然出现较大的偏差时当被调参数突然出现较大的偏差时 比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大 但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力v 单独的积分调节系统较罕见，它作为一种辅助调节规律单独的积分调节。