1、過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程2.1 基本概念基本概念2.2 比例控制和積分控制比例控制和積分控制2.3 比例積分控制和比例積分微分控制比例積分控制和比例積分微分控制 本章重點(diǎn)回顧本章重點(diǎn)回顧 作業(yè)作業(yè)第二章第二章 常規(guī)控制及其過(guò)程分析常規(guī)控制及其過(guò)程分析過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程 2.12.1 基本概念基本概念1.1.基本控制算法基本控制算法2.2.基本基本PIDPID控制算法控制算法3 3PIDPID

2、調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)4 4調(diào)節(jié)器偏差的定義調(diào)節(jié)器偏差的定義5. 5. 調(diào)節(jié)器正反作用定義調(diào)節(jié)器正反作用定義6 6正反作用的判斷方法正反作用的判斷方法過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程 2.2 比例控制（比例控制（P控制）和積分控制（控制）和積分控制（I控制）控制）2.2.1. 比例控制規(guī)律比例控制規(guī)律（P調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，Proportional Control）（1）比例帶比例帶（2）比例帶對(duì)控制過(guò)程的影響比例帶對(duì)控制過(guò)程的影響（3）比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn) （4）K KC C變化對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響變

3、化對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響2.2.2 積分控制規(guī)律積分控制規(guī)律（I調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)，Integral Control ) )（1）調(diào)節(jié)過(guò)程調(diào)節(jié)過(guò)程 （2）積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn) （3）TI變化對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響變化對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響（4）與與P調(diào)節(jié)比較調(diào)節(jié)比較過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程2.3 比例積分控制和比例積分微分控制比例積分控制和比例積分微分控制2.3.1 PI控制控制 1. PI控制的動(dòng)作規(guī)律控制的動(dòng)作規(guī)律 2. PI控制過(guò)程控制過(guò)程2.3.2 積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和積分飽和

4、現(xiàn)象與抗積分飽和2.3.3 PD控制控制 1. D控制控制 2. PD控制規(guī)律控制規(guī)律 3. PD控制特點(diǎn)控制特點(diǎn)2.3.4 PID控制規(guī)律及特點(diǎn)控制規(guī)律及特點(diǎn)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程PID廣義被控對(duì)象廣義被控對(duì)象給定值給定值r被調(diào)量被調(diào)量yeu2.1 基本概念基本概念 控制器控制器 統(tǒng)計(jì)表明生產(chǎn)過(guò)程統(tǒng)計(jì)表明生產(chǎn)過(guò)程80%的控制可以用的控制可以用PID控制器構(gòu)成單控制器構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行控制（簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)）。回路反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行控制（簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)）。 PID控制是比例積分微分（控制是比例

5、積分微分（Proportional Integral Derivative ，Proportional-Integrate-Differential）控制的簡(jiǎn)）控制的簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng), ,是一種負(fù)反饋控制。即控制器與廣義被控對(duì)象構(gòu)成的系是一種負(fù)反饋控制。即控制器與廣義被控對(duì)象構(gòu)成的系統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。其作用是對(duì)輸入偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。其作用是對(duì)輸入偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而緩解系統(tǒng)的不平衡，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。緩解系統(tǒng)的不平衡，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定?？刂破靼ㄇ笃刂破靼ㄇ笃詈筒詈蚉ID運(yùn)算運(yùn)算過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分

6、微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程1 1）比例（）比例（Proportional）控制作用：控制作用）控制作用：控制作用u與偏差與偏差e成成比比例，也稱(chēng)例，也稱(chēng)P作用，即作用，即2）積分積分（Integral）控制作用：控制作用控制作用：控制作用u與偏差與偏差e對(duì)時(shí)間對(duì)時(shí)間的積分的積分成比例，也稱(chēng)成比例，也稱(chēng)I作用，即作用，即3）微分微分( (Derivative)控制作用：控制作用控制作用：控制作用u與偏差與偏差e對(duì)時(shí)間對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)成比例，也稱(chēng)成比例，也稱(chēng)D作用，即作用，即)()(PPteKtu tteKtud)()(IItteKtud)(d)(DD 1.基本控制算法基本控制算法式中式中Kp稱(chēng)為比例

7、增益（稱(chēng)為比例增益（proportional gain）式中式中KI稱(chēng)為積分增益（稱(chēng)為積分增益（integral gain）式中式中KD稱(chēng)為微分增益稱(chēng)為微分增益（derivative gain）過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程 tteTtteTteKd)(dd)(1)(DIC2.2.基本基本PID控制算法控制算法)()()()(DIPtutututu 理想理想PID算法傳遞函數(shù)為：算法傳遞函數(shù)為：理想理想PID sTsTKsEsUsGCDIC11)()()(CDDICI,KKTKKT 參數(shù)物理意義為：參

8、數(shù)物理意義為：式中式中KC稱(chēng)為比例增益，稱(chēng)為比例增益，TI稱(chēng)為積分時(shí)間（稱(chēng)為積分時(shí)間（integral time ），），TD稱(chēng)為微分時(shí)間（稱(chēng)為微分時(shí)間（ derivative time）tteKtteKteKd)(dd)()(DIP 理想理想PIDPID控制算法對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出為：控制算法對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出為：過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程 111)()()(DDDICsKTsTsTKsEsUsGC實(shí)際實(shí)際PID的傳遞函數(shù)為：的傳遞函數(shù)為：實(shí)際微分實(shí)際微分KC：比例系數(shù)，反映：比例系數(shù)，反映比例作用的

9、大小比例作用的大小TI：積分時(shí)間，：積分時(shí)間，反映反映比例作用和積分作用比例作用和積分作用之間的相對(duì)關(guān)系之間的相對(duì)關(guān)系TD：微分時(shí)間，：微分時(shí)間，反映反映微分作用和比例作用微分作用和比例作用之間的相對(duì)關(guān)系之間的相對(duì)關(guān)系KD：微分增益，一般：微分增益，一般般取般取510 11)11()()()(DDDICsKTsTsTKsEsUsGC并聯(lián)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程3PID調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn) 原理簡(jiǎn)單（使用和實(shí)現(xiàn)方便）原理簡(jiǎn)單（使用和實(shí)現(xiàn)方便） 適應(yīng)性強(qiáng)（應(yīng)用面廣）適應(yīng)性

10、強(qiáng)（應(yīng)用面廣） 魯棒性強(qiáng)（對(duì)過(guò)程變化不敏感）魯棒性強(qiáng)（對(duì)過(guò)程變化不敏感）4 4調(diào)節(jié)器偏差的定義調(diào)節(jié)器偏差的定義（1 1）儀表制造業(yè)儀表制造業(yè)偏差的規(guī)定：偏差的規(guī)定：調(diào)節(jié)器偏差調(diào)節(jié)器偏差=測(cè)量值測(cè)量值給定值，即給定值，即（2）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)偏差的定義偏差的定義：)()()(trtyte )()()(tytrte PID廣義被廣義被控對(duì)象控對(duì)象 rye-u過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程（1）控制規(guī)律與環(huán)節(jié)的正反作用控制規(guī)律與環(huán)節(jié)的正反作用 常用控制一般都采用常用控制一般都采用PIDPID控制，通過(guò)適當(dāng)設(shè)

11、置調(diào)控制，通過(guò)適當(dāng)設(shè)置調(diào)節(jié)比例帶節(jié)比例帶、積分時(shí)間常數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)TI和微分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)TD等則可以實(shí)現(xiàn)多種控制規(guī)律。等則可以實(shí)現(xiàn)多種控制規(guī)律。 實(shí)際控制系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都有正反作用規(guī)律實(shí)際控制系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都有正反作用規(guī)律：間接指標(biāo)與直接指標(biāo)反向?qū)?yīng)；：間接指標(biāo)與直接指標(biāo)反向?qū)?yīng)；：可以用被測(cè)參數(shù)減去設(shè)定值，也：可以用被測(cè)參數(shù)減去設(shè)定值，也可以用設(shè)定值減去被測(cè)參數(shù)；可以用設(shè)定值減去被測(cè)參數(shù)；：控制信號(hào)加大執(zhí)行結(jié)果可加大：控制信號(hào)加大執(zhí)行結(jié)果可加大（如氣開(kāi)閥）或減少（如氣關(guān)閥）（如氣開(kāi)閥）或減少（如氣關(guān)閥） 。5.調(diào)節(jié)器正反作用調(diào)節(jié)器正反作用過(guò)程控制過(guò)程控制( (process co

12、ntrol）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程正作用：正作用：e* (e) u，即，即KC為負(fù)為負(fù)反作用：反作用： e * ( (e) ) u，即，即KC為正為正設(shè)置正反作用的目的：使控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)設(shè)置正反作用的目的：使控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)PID廣義被控對(duì)象廣義被控對(duì)象給定值給定值r被調(diào)量被調(diào)量yeu控制器（調(diào)節(jié)器）控制器（調(diào)節(jié)器）（2）調(diào)節(jié)器正反作用的定義）調(diào)節(jié)器正反作用的定義過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程（2）調(diào)節(jié)器正反作用的設(shè)置）調(diào)節(jié)器正反作用的設(shè)置

13、設(shè)置的目的：保證控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)設(shè)置的目的：保證控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)總增益為正負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)總增益為正開(kāi)環(huán)總增益：各環(huán)節(jié)的增益之積開(kāi)環(huán)總增益：各環(huán)節(jié)的增益之積環(huán)節(jié)增益為正：環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，輸出也增加環(huán)節(jié)增益為正：環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，輸出也增加過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程6 6正反作用的判斷方法正反作用的判斷方法: :e=r-yy對(duì)象對(duì)象K0為負(fù)為負(fù)Kc為負(fù)為負(fù)正作用正作用例例1 1：過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)：過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)e* *= =y-r控制器作用

14、應(yīng)使控制器作用應(yīng)使u過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程確定調(diào)節(jié)器正反作用的步驟：確定調(diào)節(jié)器正反作用的步驟：1 1）根據(jù)工藝安全性的要求，確定控制閥的作用方式，）根據(jù)工藝安全性的要求，確定控制閥的作用方式，如氣開(kāi)閥的增益為正，氣閉閥的增益為負(fù)；如氣開(kāi)閥的增益為正，氣閉閥的增益為負(fù)；2 2）根據(jù)對(duì)象輸入和輸出關(guān)系確定對(duì)象增益的正負(fù)；）根據(jù)對(duì)象輸入和輸出關(guān)系確定對(duì)象增益的正負(fù)；3 3）根據(jù)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系確定檢測(cè)變送）根據(jù)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系確定檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的增益正負(fù)；環(huán)節(jié)的增益正負(fù)；4 4）根

15、據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定調(diào)節(jié)器的正反作用。）根據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定調(diào)節(jié)器的正反作用。過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程負(fù)反饋準(zhǔn)則負(fù)反饋準(zhǔn)則0mpvcKKKK例例2 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)0 cK0 cK0 vK0 vK過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程氣開(kāi)閥例例3： 壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)+調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器反作用反作用+過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微

16、分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程蒸汽蒸汽氣閉閥氣閉閥例例4：加熱控制系統(tǒng)：加熱控制系統(tǒng)+調(diào)節(jié)器正作調(diào)節(jié)器正作用用輸入冷介質(zhì)輸入冷介質(zhì)輸出熱介質(zhì)輸出熱介質(zhì)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程2.2 比例控制比例控制（Proportional Control） 和和（Integral Control）積分控制積分控制2.2.1 比例調(diào)節(jié)規(guī)律比例調(diào)節(jié)規(guī)律（P調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，粗調(diào)粗調(diào)，Proportion）KC稱(chēng)為比例增益（稱(chēng)為比例增益（proportional gain）稱(chēng)為比例帶稱(chēng)為比例帶( proportional band)u

17、0是偏差是偏差e=0時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出初始值時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出初始值 )()(teKtuC 11)()()(SKsEsUsGCC 0)(1)(utetu 比例算法的方程為比例算法的方程為其傳函為其傳函為調(diào)節(jié)器的實(shí)際輸出為調(diào)節(jié)器的實(shí)際輸出為P控制階躍響應(yīng)控制階躍響應(yīng)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程%100minmaxminmax uuueee （1）比例帶比例帶（比例度比例度，proportional band）eueuKC dd:根據(jù)放大系數(shù)定義根據(jù)放大系數(shù)定義minmaxminmaxuuee當(dāng)%1001 CK

18、 即即e和和u為無(wú)量綱、單元組合儀表、數(shù)字控制裝置時(shí)，則有為無(wú)量綱、單元組合儀表、數(shù)字控制裝置時(shí)，則有 比例帶指調(diào)節(jié)器的輸入相對(duì)變化量與相應(yīng)輸出的相對(duì)變比例帶指調(diào)節(jié)器的輸入相對(duì)變化量與相應(yīng)輸出的相對(duì)變化量之比的百分?jǐn)?shù)，即化量之比的百分?jǐn)?shù)，即過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程的物理意義：使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度改變的物理意義：使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度改變100%（即從全關(guān)即從全關(guān)到全開(kāi)）所需要的被調(diào)量的變化范圍。到全開(kāi)）所需要的被調(diào)量的變化范圍。*比例作用的線性關(guān)系只在一定范圍其作用比例作用的線性關(guān)系只在一定范圍其作用 在在Kc較

19、大時(shí)，較大時(shí)，| |e| |達(dá)到達(dá)到50%/ Kc時(shí)，控制器輸出將時(shí)，控制器輸出將達(dá)到達(dá)到0%100%，| |e| |增大增大u將不再改變，進(jìn)入飽和狀態(tài)，將不再改變，進(jìn)入飽和狀態(tài)，是具有飽和區(qū)的比例特性，是具有飽和區(qū)的比例特性，從從局部局部看是看是線性線性，從，從整體整體看，看，是是非線性非線性。過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例度的示意圖比例度的示意圖 當(dāng)比例度為當(dāng)比例度為50、100%、200時(shí)，分別說(shuō)明只要偏時(shí)，分別說(shuō)明只要偏差差e變化占儀表全量程的變化占儀表全量程的50、100%、200時(shí)，控

20、制器時(shí)，控制器的輸出就可以由最小的輸出就可以由最小pmax變?yōu)樽畲笞優(yōu)樽畲髉min。 過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程例：已知電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器的量程為例：已知電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器的量程為100300，輸，輸出信號(hào)為出信號(hào)為420mA，當(dāng)輸入從，當(dāng)輸入從140 變化到變化到200 時(shí)，相應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出由時(shí)，相應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出由6mA變化到變化到12mA,求該調(diào)求該調(diào)節(jié)器的比例帶。節(jié)器的比例帶。解：根據(jù)調(diào)節(jié)器的比例度定義，可知解：根據(jù)調(diào)節(jié)器的比例度定義，可知為為%100minmaxminmax uuueee %100

21、)420()612(100)(300)140200( %80%10016620060 過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程（2 2）比例帶對(duì)控制過(guò)程的影響：）比例帶對(duì)控制過(guò)程的影響： 單位圓單位圓K Kc1c1 K Kc c2 2擾動(dòng)響應(yīng)的誤差曲線擾動(dòng)響應(yīng)的誤差曲線例例1例例2過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程G=tf(1,120,60,20,1);%廣義對(duì)象傳函為1/(120s3 + 60s2 + 60s+ 1)fo

22、r Kc=0.5:1:6.5 %Kc取值范圍0.5-6.5，間隔1H=feedback(Kc*G,1); %求比例作用下系統(tǒng)的閉環(huán)傳函step(H); %求閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)hold on; Endfigure; rlocus(G,0,25)%繪制根軌跡例例1過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程02040608010012014016018020000.20.40.60.811.21.4Step ResponseTime (sec)AmplitudeKc=0.5Kc=1.5Kc=2.5Kc=6.5Kc=

23、4.5Kc=5.5Kc=3.5過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程1001000 0o oQ Q0 0Q Q1 11 10 00KC0過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程 2Q 1Q 2Q h 2Q hh 1Q 2Q21QQ 1Qh 例例3：水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)：水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程（3）比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)的特

24、點(diǎn) 調(diào)節(jié)作用及時(shí)調(diào)節(jié)作用及時(shí)。KC 調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)增強(qiáng) 調(diào)節(jié)有差調(diào)節(jié)有差 自衡對(duì)象：自衡對(duì)象：非自衡對(duì)象：非自衡對(duì)象：)()(1)()()()()()()(0sGsGsRsRsRsEsRssECe 011)(lim00 KesEesss01111lim)(lim000 sTesEessss 比例調(diào)節(jié)也稱(chēng)為粗調(diào)。比例調(diào)節(jié)也稱(chēng)為粗調(diào)。擾動(dòng)響應(yīng)的曲線誤差擾動(dòng)響應(yīng)的曲線誤差過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程（4 4）KC變化對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響變化對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響擾動(dòng)擾動(dòng)KC衰減率衰減率 穩(wěn)態(tài)誤

25、差穩(wěn)態(tài)誤差ess 超調(diào)量超調(diào)量 振蕩頻率振蕩頻率 0210001s1)(s() s (1) s ()(KKTTKKGKGKscccc ）21021212210)1()(TTKKTTsTTsTTKKcc %100%21 e210)1(TTKKcn 2121)(2TTTTn 21 n過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程例例 已知單位負(fù)反饋比例控制系統(tǒng)的廣義對(duì)象的傳已知單位負(fù)反饋比例控制系統(tǒng)的廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為遞函數(shù)為試求比例系數(shù)分別為試求比例系數(shù)分別為0.5,2.0,2.4,3.0,5.0系統(tǒng)的單位系統(tǒng)的單位

26、階躍響應(yīng)，并繪制響應(yīng)曲線。階躍響應(yīng)，并繪制響應(yīng)曲線。）11)(25s(10s1) s (0 G過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程G0=tf(1,conv(10,1,25,1);%廣義對(duì)象傳函廣義對(duì)象傳函kc=0.5,2.0,2.4,3.0,5.0;%比例增益取值比例增益取值for i=1:5%分別求不同分別求不同kc時(shí)的階躍輸入響應(yīng)時(shí)的階躍輸入響應(yīng) G=feedback(kc(i)*G0,1);%求閉環(huán)傳函求閉環(huán)傳函 step(G)%求單位階躍響應(yīng)求單位階躍響應(yīng) hold on%保持保持endgtext(

27、kc=0.5)%曲線加參數(shù)曲線加參數(shù)gtext(kc=2.0)gtext(kc=2.4)gtext(kc=3.1)gtext(kc=5.0)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程0102030405060708000.20.40.60.811.21.4kc=0.5kc=2.0kc=2.4kc=3.1kc=5.0System: GTime (sec): 29.2Amplitude: 0.843System: GTime (sec): 29.2Amplitude: 0.843System: GTime (sec)

28、: 22.9Amplitude: 1Step ResponseTime (sec)Amplitude過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程積分調(diào)節(jié)規(guī)律為積分調(diào)節(jié)規(guī)律為， S0為積分速度為積分速度 ，表明積分作用的大小，即偏差，表明積分作用的大小，即偏差為為1 1時(shí)輸出信號(hào)的變化率時(shí)輸出信號(hào)的變化率工業(yè)調(diào)節(jié)器常用其倒數(shù)工業(yè)調(diào)節(jié)器常用其倒數(shù)T TI I表示積分作用大小，表示積分作用大小， TI稱(chēng)為積分時(shí)間（常數(shù)），即稱(chēng)為積分時(shí)間（常數(shù)），即 t00t0d)(d)(1)(tteStteTtuIIsSsTsEsUsG

29、IIC01)()()( 1dd etu01STI 2.2.2 積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)(I 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，Integration)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程l l1l l2p自力式氣壓調(diào)節(jié)閥自力式氣壓調(diào)節(jié)閥R RW Wpp0時(shí)，杠桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)閥桿向時(shí)，杠桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)閥桿向下移動(dòng)，關(guān)小閥門(mén)，氣體較少的通過(guò)閥下移動(dòng)，關(guān)小閥門(mén)，氣體較少的通過(guò)閥門(mén)，導(dǎo)致閥后壓力下降。閥桿的移動(dòng)速門(mén)，導(dǎo)致閥后壓力下降。閥桿的移動(dòng)速度與壓力偏差成正比度與壓力偏差成正比當(dāng)壓力逐步恢復(fù)到當(dāng)壓力逐步恢復(fù)到p=p0時(shí)，閥門(mén)停時(shí)，閥門(mén)

30、停在一個(gè)新位置。在一個(gè)新位置。改變針形閥的開(kāi)度可改變積分速度改變針形閥的開(kāi)度可改變積分速度S0(1/TI)的大小。的大小。（1）調(diào)節(jié)過(guò)程：）調(diào)節(jié)過(guò)程： t0d)(1)(tteTtuI過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程（2） 積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn) 無(wú)差調(diào)節(jié)，故也稱(chēng)為細(xì)調(diào)無(wú)差調(diào)節(jié)，故也稱(chēng)為細(xì)調(diào) 調(diào)節(jié)作用不及時(shí)調(diào)節(jié)作用不及時(shí)TI太大太大TI適當(dāng)適當(dāng)TI太小太小TI過(guò)小過(guò)小 浮動(dòng)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與當(dāng)時(shí)的浮動(dòng)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與當(dāng)時(shí)的被調(diào)量的數(shù)值本身沒(méi)有直接關(guān)系被調(diào)量的數(shù)值本身沒(méi)有直接關(guān)系 。 積分作用使系統(tǒng)

31、穩(wěn)定性變差。積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。 TI 積分積分調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)0)(111lim)()(lim)(lim0000sGsTsssRssesEeIsessss過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程（3）TI變化對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響變化對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響TIS0衰減率衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess=0超調(diào)量超調(diào)量 振蕩頻率振蕩頻率 ) s (11) s (1)(00GsTGsTsii 0200KsTsTTsTKiii 00TTKin 012Tn 擾動(dòng)擾動(dòng)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process

32、 control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程（4）與）與P調(diào)節(jié)比較調(diào)節(jié)比較蘭線為二階對(duì)象比例調(diào)節(jié)蘭線為二階對(duì)象比例調(diào)節(jié)靜態(tài)：靜態(tài)：I調(diào)節(jié)優(yōu)于調(diào)節(jié)優(yōu)于P調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)：調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)：P調(diào)節(jié)優(yōu)于調(diào)節(jié)優(yōu)于I調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)j紅線為二階對(duì)象積分調(diào)節(jié)紅線為二階對(duì)象積分調(diào)節(jié)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程 系統(tǒng)穩(wěn)定性下降（加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)）系統(tǒng)穩(wěn)定性下降（加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)） 靜態(tài)：無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差；靜態(tài)：無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差； 動(dòng)態(tài)：由于調(diào)節(jié)不及時(shí)動(dòng)態(tài)：由于調(diào)節(jié)不及時(shí)較大較大 在相

33、同的穩(wěn)定裕度下，在相同的穩(wěn)定裕度下，振蕩頻率低，調(diào)節(jié)過(guò)，振蕩頻率低，調(diào)節(jié)過(guò)程加長(zhǎng)。程加長(zhǎng)。結(jié)結(jié) 論論 積分調(diào)節(jié)雖然可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但調(diào)節(jié)緩慢，動(dòng)積分調(diào)節(jié)雖然可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但調(diào)節(jié)緩慢，動(dòng)態(tài)超調(diào)量加大，而且使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。工業(yè)上不態(tài)超調(diào)量加大，而且使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。工業(yè)上不單獨(dú)使用積分調(diào)節(jié)作用。單獨(dú)使用積分調(diào)節(jié)作用。 過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程2.3.1 PI控制控制1. PI控制的動(dòng)作規(guī)律控制的動(dòng)作規(guī)律 tteTtetutId)(1)(1)(0 tteTKteKtututICCd )()()

34、()(00 )11()(sTKsGICC 2.3 比例積分控制和比例積分微分控制比例積分控制和比例積分微分控制ITSS 1101 tteSteStd )()(001 01SSTI 比例作用比例作用積分作用積分作用過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程T TI I稱(chēng)為稱(chēng)為積分時(shí)間（常數(shù)）積分時(shí)間（常數(shù)），或，或重定時(shí)間重定時(shí)間； 在階躍作用下，繼立即發(fā)在階躍作用下，繼立即發(fā)生的比例項(xiàng)生的比例項(xiàng)up=KCe以后，積以后，積分項(xiàng)從開(kāi)始積分到上升到與比分項(xiàng)從開(kāi)始積分到上升到與比例項(xiàng)相等時(shí)所需的時(shí)間例項(xiàng)相等時(shí)所需的時(shí)間

35、。物理意義：代表比例作用和積物理意義：代表比例作用和積分作用之間的相對(duì)關(guān)系分作用之間的相對(duì)關(guān)系。 積分時(shí)間越短，表示積分積分時(shí)間越短，表示積分項(xiàng)的上升速度越快，故積分作項(xiàng)的上升速度越快，故積分作用越強(qiáng)。用越強(qiáng)。過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程TTTTTCTC冷冷水水Q蒸蒸汽汽D冷冷凝凝水水熱熱水水例：加熱器水溫例：加熱器水溫PIPI控控制系統(tǒng)在給水流量階制系統(tǒng)在給水流量階躍擾動(dòng)下的躍擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過(guò)程調(diào)節(jié)過(guò)程分析。分析。2.PI控制過(guò)程控制過(guò)程 t1t2冷水流量冷水流量出口溫度出口溫度比例作用分量比例作用

36、分量積分作用分量積分作用分量Qh2熱水帶走的熱量，與熱水帶走的熱量，與成正比成正比Qh1蒸汽帶入的熱量，與蒸汽帶入的熱量，與uPI成比例成比例蒸蒸汽汽閥閥為為氣氣開(kāi)開(kāi)過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程CCIKsGT )(表表示示 若若KC不變，不變，TI減小積分作用增減小積分作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性變差，幅值裕量相角裕強(qiáng)，穩(wěn)定性變差，幅值裕量相角裕量下降振蕩頻率下降。量下降振蕩頻率下降。 在在P上加入上加入I，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，為保持控制系統(tǒng)原來(lái)的衰減下降，為保持控制系統(tǒng)原來(lái)的衰減率，率，P

37、I調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng)加大。調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng)加大。 PI特點(diǎn)：無(wú)差調(diào)節(jié)（積分）且特點(diǎn)：無(wú)差調(diào)節(jié)（積分）且調(diào)節(jié)及時(shí)（比例）。調(diào)節(jié)及時(shí)（比例）。過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程KC不變不變TI S0 衰減率衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess=0超調(diào)量超調(diào)量 振蕩頻率振蕩頻率 TI 不變不變KC 衰減率衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess 超調(diào)量超調(diào)量 振蕩頻率振蕩頻率 對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響對(duì)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響擾動(dòng)擾動(dòng)) s (111) s (11)(00GsTKGsTKsicic）（）（ 00200)11

38、KKsKcKTsTTsTKKciiic （）（00TTKKicn 00)12TKcKn （過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程2.3.2 積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和（windup） 有有I系統(tǒng)中，在一定范圍內(nèi)系統(tǒng)中，在一定范圍內(nèi)uI與與e的積分成正比，若由于的積分成正比，若由于某種原因（如閥門(mén)），被調(diào)量偏差無(wú)法消除，調(diào)節(jié)器要試圖某種原因（如閥門(mén)），被調(diào)量偏差無(wú)法消除，調(diào)節(jié)器要試圖校正這個(gè)偏差，而控制輸出達(dá)到一定限值后就不再繼續(xù)上升校正這個(gè)偏差，而控制輸出達(dá)到一定限值后就不再繼續(xù)上升或下

39、降，調(diào)節(jié)器將進(jìn)入飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為積分飽和?；蛳陆?，調(diào)節(jié)器將進(jìn)入飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為積分飽和。 這種現(xiàn)象導(dǎo)致調(diào)節(jié)滯后，即偏差反向時(shí)調(diào)節(jié)器輸出不能這種現(xiàn)象導(dǎo)致調(diào)節(jié)滯后，即偏差反向時(shí)調(diào)節(jié)器輸出不能及時(shí)反向，期間調(diào)節(jié)器不能發(fā)揮調(diào)節(jié)作用造成調(diào)節(jié)不及時(shí)，及時(shí)反向，期間調(diào)節(jié)器不能發(fā)揮調(diào)節(jié)作用造成調(diào)節(jié)不及時(shí)，對(duì)穩(wěn)定及預(yù)期的控制目標(biāo)將產(chǎn)生不利的影響。對(duì)穩(wěn)定及預(yù)期的控制目標(biāo)將產(chǎn)生不利的影響。 內(nèi)因是調(diào)節(jié)器含積分作用，積分輸出達(dá)到某限值；內(nèi)因是調(diào)節(jié)器含積分作用，積分輸出達(dá)到某限值； 外因是控制器長(zhǎng)期存在偏差，輸出不斷增加或減小直到外因是控制器長(zhǎng)期存在偏差，輸出不斷增加或減小直到極限值。如閥關(guān)閉或控制器未選中

40、等。極限值。如閥關(guān)閉或控制器未選中等。 過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程給定值給定值r被調(diào)量被調(diào)量yeu-spKeG (s)=Ts+1-閥門(mén)閥門(mén)I111+Ts（）TTTTTCTC冷冷水水Q蒸蒸汽汽D冷冷凝凝水水熱熱水水出口溫度出口溫度y調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)器輸出u調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)閥開(kāi)度給定值給定值r調(diào)節(jié)滯后調(diào)節(jié)滯后蒸蒸汽汽閥閥為為氣氣開(kāi)開(kāi)蒸汽壓力階躍增加時(shí)溫度蒸汽壓力階躍增加時(shí)溫度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程t1t2t3t4過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分

41、控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程積分飽和的防止積分飽和的防止（windup protection, anti-windup）)(d)()()(00teKtteTKtutuCtIC 積分外反饋積分外反饋(integral feedback)PI調(diào)節(jié)器內(nèi)部切換實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器內(nèi)部切換實(shí)現(xiàn)防止積分飽和的策略：在偏差為零時(shí)，第一項(xiàng)不超限防止積分飽和的策略：在偏差為零時(shí)，第一項(xiàng)不超限采用輸出限幅：對(duì)調(diào)節(jié)器輸出限幅，加限幅器（采用輸出限幅：對(duì)調(diào)節(jié)器輸出限幅，加限幅器（limiter）采用對(duì)采用對(duì) 限幅：限幅：方方法法)(0tu)()(0teKtuC 過(guò)程控制過(guò)程控制( (process contro

42、l）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程)()11()(sEsTKsUIC )(11)()(sUsTsEKsUIC )(1)(sUsTsTsEKIIC )(1sEsTsTKIIC PI調(diào)節(jié)器的輸出為調(diào)節(jié)器的輸出為 如取一定值如取一定值UB，則，則UB =0時(shí)積分為時(shí)積分為0，從而防止，從而防止積分飽和，在選擇、串級(jí)控制系統(tǒng)中常采用積分外積分飽和，在選擇、串級(jí)控制系統(tǒng)中常采用積分外反饋。反饋。由上式等效變換可得由上式等效變換可得則由上式可得則由上式可得過(guò)程控制過(guò)程控制( (process control）第二章第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程方法一：在正反饋回路中加入一個(gè)間隙單元方法一：在正反饋回路中加入一個(gè)間隙單元 uuhLS選選反饋信號(hào)反饋信號(hào)f=u，正常積分（不考慮正常積分（不考慮HS） 積分飽和時(shí)積分飽和時(shí)u=uh，則則LS選選f=ua，切為比例作用切為比例作用 若負(fù)荷若負(fù)荷uq=0，無(wú)無(wú)HS，則則e較大時(shí)較大時(shí)ua很小，當(dāng)很小，當(dāng)e減小時(shí)，減小時(shí)，u在零下將持續(xù)一段，調(diào)節(jié)速度變慢；在零下將持續(xù)一