过程控制系统教学课件 第4章PID控制原理.ppt

第4章 PID控制原理 PID控制是比例(Proportional)积分(Integral)微分(Differential)控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、应用最广、适应性最强和控制效果良好的一种基本控制方式。在工业生产过程中，PID控制算法占85%~90%，即使在计算机控制已经得到广泛应用的现在，PID控制仍是主要的控制算法。 在20世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，PID控制是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法。然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。即使目前最新式的过程控制计算机，其基本的控制功能也仍然保留PID控制。一般来说，PID控制具有以下优点： 原理简单，使用方便。PID控制算法简单，参数较少，容易采用机械、流体、电子、计算机算法等各种方式实现，因此非常容易做成各种标准的控制装置，方便各种工业控制场合应用。 整定方法简单。由于PID控制参数相对较少，且每个参数作用明确，相互干扰较少，使得PID控制器参数的调整较为方便，且可以总结、归纳出一种适用于各种不同领域的整定方法。 适应性强。基于偏差消除偏差的PID反馈控制思想，使得系统可以克服一切引起误差变化的干扰，不必像前馈控制这类的控制系统，需要针对每一个扰动设计独立的控制器，简化了系统结构。使得PID控制可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油及造纸、建材等各种生产部门。 鲁棒性强。不同于基于模型的控制，PID反馈控制对模型的适应性强，采用PID控制时，对象的非线性、时变性对控制结果影响相对较小，系统控制品质对被控对象特性的变化敏感程度较低。 具有朴素的“智能”思想。PID控制规律中的比例调节规律依据当前存在的偏差产生调节作用；积分依据偏差的持续累计，用于消除那种变化缓慢，幅度较小但持续存在的偏差；微分控制对速度敏感，依据“未来的偏差”有“预见”性的进行调节。可以看出，PID控制在消除偏差时，综合考虑了现在（P）、过去（I）和未来（D），如同一个有经验的控制者。 在过程控制中，绝大部分都采用 PID控制。例外的情况有两种。 一种是被控对象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更简单的开关控制方式。 另一种是被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况，这时如果 PID控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控制方法。 4.2 比例调节(P调节) 4.2.1 比例控制的调节规律和比例带 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＝Kce 式中，Kc称为比例增益(视情况可设置为正或负)。 ② 比例带的物理意义 从式(4-3)可以看出，如果u直接代表控制阀开度的变化量，那么δ就代表使控制阀开度改变100％即从全关到全开时所需要的被控变量的变化范围。只有当被控变量处在这个范围以内，控制阀的开度(变化)才与偏差成比例。超出这个“比例带”以外，控制阀已处于全关或全开的状态，此时控制器的输入与输出已不再保持比例关系，而控制器至少也暂时失去其控制作用了。 实际上，控制器的比例带δ习惯用它相对于被控变量测量仪表的量程的百分数表示。例如，若测量仪表的量程为100℃，则δ=50?就表示被控变量需要改变50℃才能使控制阀从全关到全开。 4.2.2 比例控制的特点 比例调节的显著特点就是有差调节。 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准确相等，它们之间一定有残差。 因为根据比例调节的特点，只有调节器的输入有变化,即被调量和设定值之间有偏差,调节器的输出才会发生变化。 4.2.3 比例带对控制过程的影响 误差 残差随着比例带的加大而加大。 稳定性 稳定性随着比例带的加大而提高。 减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。(见图4-4) 例4-3 针对例4-1所给系统，试分析系统的动态特性和稳定性。解 (1) 根轨迹分析法系统的开环传递函数为： 例 已知系统方框图如图所示。其中，控制器Gc(s)和被控对象Gp(s)的传递函数分别为 试利用MATLAB绘制控制器的比例系数分别为Kc=0.3, 1, 2, 5, 12.6时系统的单位阶跃响应。 由此可见，在采用比例控制时，例4-1所示系统随着比例系数Kc值的增大，响应速度加快，超调量也随着增大，调节时间也加长，稳态误差（系统的稳态输出值为1）变小，但稳态误差不会为零。其系统过渡过程具体表现为，当0