1、過程控制與自動化儀表主講教師：趙 躍西安理工大學自動化與信息工程學院信息與控制工程系第三章 3.1調節器儀表 一 調節器（控制器）的概念二 最簡單的兩位式調節器三 PID控制的基本特性 四 PID算法的常見問題五 工業標準PID調節器六 PID控制器使用中的問題調節器(控制器)的概念 調節器 是指把測量值和給定值進行比較，得出被調量的偏差并根據一定的調節規律產生輸出信號，推動執行器對生產過程進行自動控制的裝置。 要掌握一個調節器，首要的問題是弄清楚它具有什么樣的調節規律，即它的輸出量與輸入量(偏差信號)之間具有什么樣的函數關系。返回最簡單的兩位式調節器例1:兩位式溫度控制器兩位式調節器兩位式調

2、節器特性曲線 過程控制系統中大多數對象都可以用下式所示的一階加純滯后環節近似。 使用這種調節器時后面的執行器特別簡單，例如控制電能時只需要電磁開關，控制流量時只要用通斷閥便可進行調節，因此在要求不高的場合獲得了廣泛的應用。 顯然，調節對象的滯后時間愈小，爐溫的擺動幅度就愈小，但調節器動作頻率將愈大，有甚至會達到不能容許的程度。兩位式調節器實驗兩位式調節器的滯回特性 為了降低開關動作頻率兩位式調節器都設置了不靈敏區，其控制特性如圖示。使用這種兩位式調節器可以使開關動作頻率降低，延長執行器的壽命。實驗滯回調節器的響應特性 缺點：過程變量會圍繞期望值在一定范圍內不停的震蕩。 原因：兩位式控制實際上是

3、一種“斷續”的控制方式，即每當誤差超出上限或低于下限時控制器才會動作。而其他時刻，系統實際處于開環狀態。任憑被控變量緩慢波動而不調節！ 結論：兩位式調節時一種非常粗糙的調節方式，結構簡單精度差。兩位式調節器的特性兩位式調節器實例返回PID控制的基本特性一比例調節的動作規律 P為調節器輸出的增量值，為被控參數與給定值之差。 純比例調節器的階躍響應特性 比例控制數學表達式 ：P控制的比例帶稱為比例帶比例帶對系統響應的影響比例帶對系統的影響：比例帶減小系統靜差將減小，震蕩頻率提高響應速度加快但同時超調增大穩定性降低。比例調節動作規律分析水位調節系統實例 已知水箱水位控制系統如圖所示，假設系統處于初始

4、無偏差狀態。此時將輸出水閥開度增大，試分析系統動態響應過程！比例調節系統實例 自力式液位比例控制系統Q2htepQ1tttt 原來系統處于平衡，進水量與出水量相等，此時進水閥有一開度。 t=0時，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球下移帶動進水閥開大。 當進水量增加到與出水量相等時，系統重新平衡，液位也不再變化。 響應分析比例調節動作規律分析比例控制特點： 控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。 控制結果存在靜差。因為，如果被調量偏差為零，調節器的輸出也就為零 u = KC e比例調節在什么情況下可以達到穩態無差？1、KC趨于無窮大2、使穩態誤差等于0

5、的ussu0實驗23、提高系統型次積分調節的動作規律二積分調節的動作規律 I 積分調節規律是一種無差調節，采用積分調節可以提高系統穩態控制精度，但是積分調節的過渡過程時間很長而且會加劇系統的不穩定程度。實驗3積分調節的動作規律比例積分調節規律 PI實驗4 比例積分調節規律將比例的快速性與積分的消除靜差結合起來具有比較好的控制效果。積分調節的動作規律比例積分調節規律 PI所以積分調節部分可以看作是自動的u0重置！積分調節消除誤差的原理積分調節的動作規律積分時間常數 的物理含義比例積分積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。當有偏差存在時，積分輸出將隨時間增長（或減小）；當偏差消失時，輸出能

6、保持在某一值上。eEttu積分控制的特點 比例積分積分輸出信號隨著時間逐漸增強，控制動作緩慢，故積分作用不單獨使用。積分調節的動作規律積分調節存在的不足 比例積分調節規律沒有利用系統輸出的趨勢信息，沒有預測能力，導致調節效果不理想！微分調節的動作規律三比例微分調節的動作規律 PD實驗5微分調節的預測能力 微分調節規律是一種有差調節不能單獨使用，PD調節器能提高系統的穩定度，有效抑制過渡過程的超調，而且微分的存在允許減小比例帶減小靜差。但D調節不適用于變化劇烈的對象。微分時間常數的物理含義 微分輸出正比于TD時間后的預測誤差！PID調節的動作規律四 PID調節的動作規律實驗6 PID控制作用中，

7、比例作用是基礎控制；微分作用是用于加快系統控制速度；積分作用是用于消除靜差。PID調節器的階躍響應特性 PID控制的特點PID控制器 取P,I,D三者的長處，與PD相比提高了系統無差度，與PI相比系統多了一個零點可以改善系統的動態特性。因此PID兼顧了動靜兩方面要求，達到較完美的控制效果。返回2、執行器難以響應理想微分的輸出PID算法需要注意的問題一、不完全微分算法1、理想微分算法物理無法實現 不完全微分算法可以看作是誤差信號先進行一階慣性濾波，再進行理想微分運算。PID算法需要注意的問題階躍輸入下不完全微分響應曲線微分增益 微分調節對高頻噪聲有放大作用，因此只適用于時間常數較大的多容過程。對

8、流量、壓力等變化劇烈的對象容易引起系統震蕩。微分突變 控制器設置微分運算的目的是為了預測偏差的變化趨勢，按TD時刻后的預測誤差進行調節。然而設定值改變時也會產生很強的階躍誤差干擾，會給控制系統造成很大的沖擊。為了解決這個問題提出了微分先行算法！PID算法需要注意的問題二、微分先行算法微分先行控制器結構返回PID算法需要注意的問題三、積分飽和問題返回晶閘管外殼氬弧焊機電流控制實例控制實例：PID算法需要注意的問題返回實驗7 積分飽和是因控制系統間歇工作或大偏差長時間得不到矯正使得調節器輸出達到極值產生的。積分飽和使控制器不能及時反向動作而暫時喪失調節能力，對控制系統性能帶來嚴重影響！積分飽和的對

9、策？工業標準PID控制器1-雙針垂直指示器2-外給定指示燈3-內給定設定輪4-自動軟手動硬手動 切換開關5-硬手動操作桿6-輸出指示器7-軟手動操作板鍵DDZ-型調節儀模擬PID控制器原理圖比例微分運算電路微分時間調節比例度調節IDPD傳遞函數PD電路以A2為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開關S8打向“斷”時，構成 P電路；開關S8打向“通”時，構成 PD電路。ID因 得 推導可得 ：由 和推導過程 ：PD傳遞函數推導V02TD/nV01/n63%tPD控制參數的物理含義 當 S8 置于“斷”時，微分被切除，A2只作比例運算。有：這時微分電容被開關S8接在9.1K分壓電阻兩端，使CD右端始

10、終跟隨電壓V01/n。當開關S8切換到“通”時，保證無擾動切換。PD控制器微分切除方法數字式PID調節儀實驗用AI-808系列調節儀介紹(7)數據減少鍵(8)數據增加鍵(9)光柱（選購件）可指示測量值或輸出值(10)給定植顯示窗(11)測量值顯示窗(1)調節輸出指示燈(2)報警1指示燈(3)報警2指示燈(4)AUX輔助接口工作指示燈(5)顯示轉換（兼參數設置進入)(6)數據移位（兼手動/自動切換）YS-80系列PID控制器返回YS-80硬件結構框圖YS-80電路示意圖YS-80運算流程YS-80功能組態返回PID控制器使用中的幾個問題一 內給定與外給定 在左圖所示的控制系統中控制器AC和TC的

11、給定值是確定的，它們的給定值由控制器內部產生的，屬于定值控制 而控制器PC的給定值是控制器TC的輸出，對PC而言給定值是外部輸入的，屬于隨動控制 通用的標準PID控制器既可以接受外部給定有能產生內部給定信號。內給定與外給定 由測量元件送來的被控量的測量值（4-20MA）被轉換成1-5V電壓信號輸入到調節器，與給定值比較產生偏差信號進行PID運算。系統的給定值有兩種可能的來源，對于定值控制系統設定值由PID調節器內部的基準源和電位器產生，通過調節電位器就可以改變設定值。對于隨動控制系統其設定值由外部輸入的標準信號產生。正作用與反作用二 正作用與反作用 左圖所示的過熱蒸汽溫度控制系統與前面提到的加熱爐溫度控制系統都是負反饋系統但兩者有很明顯的不同，在過熱蒸汽溫度控制系統中當溫度升高時需要開大閥門而在加熱爐溫度控制系統中需要關小閥門。 在過熱蒸汽溫度控制系統中偏差為負（被控量大于給定值）時要求輸出增大，而加熱爐溫度控制系統中偏差為負時要求輸出減小，也就是調節器的增益為負。 標準的PID控制器都設有正反作用開關來適應這兩種情況。正作用與反作用DDZ-的正反作用切換電路硬手動與軟手動 在PID控制器的使用中經常需要手動操作系統，例如在測定被