《过程控制系统》第4章PID控制原理.pptVIP

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。;4.2 比例调节(P调节); 在实际应用中，由于执行器的运动（如阀门开度）有限，控制器的输出u(t)也就被限制在一定的范围之内，换句话说，在Kc较大时，偏差e(t)仅在一定的范围内与控制器的输出保持线性关系。图4-1说明了偏差与输出之间保持线性关系的范围。图中偏差在-50%-50%范围变化时，如 果Kc=1，则控制器输出 u(t)变化在0～100%范围 （对应阀门的全关到全 开），并与输入e(t)之间 保持线性关系。当Kc>1 时，制器输出u(t)与输入 e(t)之间的线性关系只在 -50%/Kc～50%/Kc满足。; 当|e(t)|超出该范围时，控制器输出具有饱和特性，保持在最小或最大值。因此，比例控制有一定的应用范围，超过该范围时，控制器输出与输入之间不成比例关系。这表明，从局部范围看，比例控制作用表示控制输出与输入之间是线性关系，但从整体范围看，两者之间是非线性关系。; 2．比例带及其物理意义 ① 比例带的定义 在过程控制中，通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入（偏差）的范围。因此，比例度又称为比例带，其定义为 ; 如果采用的是单元组合仪表，控制器的输入和输出都是统一的标准信号，此时 ，则有 (3-3) 这表明，比例带δ与控制器比例增益Kc的倒数成正比。当采用无量纲形式（如采用单元组合仪表）时，比例带δ就等于控制器比例增益Kc的倒数。比例带δ小，意味着较小的偏差就能激励控制器产生100%的开度变化，相应的比例增益Kc就大。;② 比例带的物理意义;4.2.2 比例控制的特点; 图4-2是一个热水加热器的出口水温控制系统。在这个控制系统中，热水温度θ是由温度测量变送器TT获取信号并送到温度控制器TC的，控制器控制加热蒸汽的调节阀开度μ以保持出口水温恒定，加热器的热负荷既决定于热水流量Q也决定于热水温度θ的值。假定现在采用比例控制器，并将调节阀开度μ直接视为控制器的输出。 ; 图4-3中的直线 l是比例控制器的静特性，即调节阀开度随水温变化的情况。水温愈高，控制器应把调节阀开得愈小，因此它在图中是左高右低的直线，比例带愈大，则直线的斜率愈大。 图中曲线2和3分别代表加热器在不同的热水流量下的静特性。它们表示加热器在没有控制器控制时，在不同的热水流