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1、经典PID原理与参数整定,2,内 容,过程控制常见概念过程控制系统的性能指标PID控制原理与数字实现PID控制参数对控制性能的影响PID控制的改进算法PID控制实现时的常用技巧PID参数整定方法采样PI控制原理及参数整定方法PID算法的实现,3,过程控制常见概念,时变系统和时不变系统线性系统和非线性系统大惯性与纯滞后多变量与耦合控制器、控制对象、执行机构测量参数（被调量）、操作变量优化参数自适应阶跃响应动态与稳态,4,时变系统和时不变系统,时不变系统指控制系统参数不随时间的变化而变化。时变系统指控制系统参数随着时间的变化而变化。时变系统是任何控制对象的特点。时不变是理想的、是近似的。在某一时间
2、段内，可以把控制对象近似为时不变系统。,5,线性系统和非线性系统,线性系统指输出随着输入的变化成比例变化。非线性系统是输出的变化与输入的变化是不成比例的。例如：给煤机转速和给煤量的关系。,6,大惯性与纯滞后,大惯性可以理解为系统的状态改变较慢，惯性较大。纯滞后是指在施加控制后，系统状态发生改变的时间滞后与施加控制时间。例如：,T 用来表征惯性，用来表征滞后。,7,大惯性与纯滞后,K0.2 时可以选择比例或比例积分控制；0.2K1.0时可以选择比例微分或积分微分控制。,如何获得惯性时间常数和纯滞后时间常数。,8,多变量与耦合,多变量指一个控制对象包含了多个输入量和多个输出量。（例：单入单出、多入
3、单出和多入多出）耦合是指多个控制输入量引起输出量是非单一的，存在彼此之间的影响。（例：中间储仓式制粉系统）,9,控制器、控制对象、执行机构,控制器指控制算法实现的装置。执行机构指由控制输出，被其接受能够引起控制对象被调量变化的装置。控制对象是控制作用实施的对象。例：温度控制系统、制粉系统。,10,测量参数（被调量）、操作变量,测量参数（被调量）指控制的目标量。例如：温度控制中的温度；负荷控制中的负荷。操作量指为了调节被调量需要控制的量。例如：温度控制中的热风门开度；负荷控制中的给煤量。,11,优化,目标值优化：搜索最佳工作点，以满足一定的目标函数最大或最小。搜索方法有模型法，动态搜索法（在线优
4、化）。负荷回路控制即使用目标值优化。其他优化：有目标函数，按照经验模型或数学模型或预测模型给出最佳输出，以满足目标函数最大或最小。,12,参数自适应,当控制对象模型发生改变时，通过对控制性能分析，如果偏离最佳工作点，对控制器参数进行修正，这样做到控制参数适应控制对象的变化而变化，以保证控制性能。,13,阶跃响应,时间,r(t),R,单位阶跃 函 数,阶跃信号是最常用系统性能测试信号，控制对象在阶跃信号作用下的输出时间曲线，称为阶跃响应。,14,动态与稳态,过程控制系统在运行过程有两种状态，一种是稳态，此时系统没有受到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定
5、平衡的工况。另一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者改变了设定值后，原来的稳态遭到了破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态。经过一段时间调整后，如果系统是稳定的，被调量将会重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定平衡工况。这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程。,15,过程控制系统的性能指标,评价控制系统的性能指标要根据工业生产过程对控制的要求来制定。这种要求可以概括为稳定性、准确性和快速性。时域性能指标频域性能指标综合性能指标,16,时域性能指标,衰减比和衰减率最大动态偏差和超调量参余偏差调节时间和振荡频率/
6、周期上升时间,17,闭环控制系统在设定值绕动下的阶跃响应,18,衰减比和衰减率,衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标，它等于两个相邻的同向波峰值之比。衰减比 =y2/y1衡量振荡过程衰减程度的另一种指标是衰减率，它是指每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即衰减率 =(y1-y3)/y1衰减比与衰减率两者有简单的对应关系，例如衰减比为4：1，衰减率=0.75。为了保证系统的稳定度（鲁棒性），在过程控制中，一般要求衰减比为4：1到10：1，这相当于衰减率为75%到90%。这样，大概经过两个周期后趋于稳态。,19,最大动态偏差和超调量,最大动态偏差是指设定值阶跃响应中，过度过程开始后第一个波
7、峰超过其稳态之的幅度。最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分比称为超调量。最大动态偏差更能直接反映在被调量的生产运行记录曲线上，因此它是控制系统动态准确性的一种衡量指标。,20,参余偏差,残余偏差是指过度过程结束后，被调量新的稳态值y（）与新设定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标。,21,调节时间,调节时间是从过度过程开始到结束所需的时间。理论上它需要无限长的时间，但一般认为当被调量已进入其稳态值的5%范围内，就算过渡过程已经结束。因此，调节时间就是从绕动开始到被调量进入新稳态值的5%范围内的这段时间，一般用ts表示。调节时间是衡量控制系统快速型的一个指标。,22,振荡频率/周期
8、,23,上升时间,当系统的阶跃响应第一次达到稳态值的时间，称为上升时间，记为tr。,24,综合性能指标,25,PID控制原理与数字实现,PID控制是迄今为止最通用的控制方法。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器。至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于19151940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。,26,PID控制的优点,原理简单，使用方便。适应
9、性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。,27,控制系统框图,28,PID算法,KP比例系数；TI积分时间常数；TD微分时间常数。,29,PID控制规律,比例作用（P）,比例积分作用（PI）,比例积分微分作用（PID）,30,PID算法的离散化,为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式。,31,位置式与增量式PID算法,利用增量型PID控制算法，可得到位置型PID控制算法的递推形式，即,位置型PID算法：,32,PID控制参数对控制性能的影响,比例调节（P调节）积分调节（I调
10、节）比例积分调节（PI）调节比例积分微分调节（PID）调节,33,比例调节（P调节）,在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例。u=Kc*e式中Kc成为比例增益（视情况可设置为正或负）。上式中的调节器输出u实际上是对其起始值u0的增量。因此当偏差为零因而u=0时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有u= u0。 u0的大小是可以通过调节器的工作点加以改变的。比例调节的显著特点就是有差调节。,34,比例带,在过程控制中习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出之间的关系：U=1/*e式中称为比例带， 具有重要的物理意义。如果u直接代表调节阀开度的变化量，那么就代表使调节阀开度改变100%，
11、即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。根据P调节器的输入输出测试数据，很容易确定比例带的大小。,35,比例带/比例增益对于调节过程的影响,比例调节的残差随着比例带的增大而增大，从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，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。如果残差过大，则需要通过其他途径解决。很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，调节时间很长。减小就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，残差相应减小。具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小系统就不稳定了。
12、 的临界值可以通过试验测定出来。,36,对于比例调节过程的影响曲线,37,积分调节（I调节）,在I调节中，调节器的输出信号变化速度du/dt与偏差信号e成正比，即du/dt=S0e或,38,积分调节的特点，无差调节,积分调节是无差调节。只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。调节器的输出可以停在任何数值上。输出将停在新的位置而不复原位，保持静差为零。对干扰有及时而有力的抑制作用。采用I调节的控制系统，其输出与当时被调量的数值本身没有直接关系，因此I调节也成为浮动调节。I调节的稳定作用比P调节差。动作迟缓，动态品质变坏，过渡过程时间延长，甚至造成系统不稳定。,39,积
13、分速度对于调节过程的影响,采用I调节时，控制系统的开环增益与积分速度S0成正比，因此，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。因为S0愈大，则调节的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡。但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。被调量最后都没有残差，这是I调节的特点。,40,积分速度对于调节过程的影响,41,比例积分调节的动作规律,PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。它的调节规律为,式中为比例带，TI为积分时间。,42,比例积分调节的动作规律示意图,43,PI调节器的特点,PI调节引入积分动作来消除
14、系统残差好处的同时，降低了原有系统的稳定性。为了保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大。所以PI调节在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能。当偏差出现，比例起粗调，积分起细调，直到误差为零。积分作用除消除系统的余差外，也降低了系统的振荡频率，使响应速度变慢。KC不变时，减小Ti，积分作用增强，衰减比减小，振荡加剧，超调量增大。,44,积分饱和现象,具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停变化。如果由于某种原因（如阀门、泵故障），被调量偏差无法消除，然而调节器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为
15、积分饱和。进入深度积分饱和的调节器，要等被调量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。,45,抗积分饱和的措施,简单地限制PI调节器的输出在规定的范围内，虽然能缓和积分饱和的影响，但并不能真正解决问题，反而在正常操作中不能消除系统的残差。根本的解决办法还得从比例积分动作规律中去找。因PI调节器积分部分的输出在偏差长期存在时会超过输出额定值，从而引起积分饱和。因此，必须在调节器内部限制这部分的输出，使得偏差为零时PI调节器的输出在额定值以内。常用方法：调节器内部实现PI与P的调节动作的自动切换。,46,比例积分微分调节（PID调节）,微分调节能够根据被调量的变化速度来改变输出，而
16、不要等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，表现出调节器的预见性。,偏差变化的瞬间，即产生强烈的调节作用，使偏差尽快的消除。对静差毫无抑制能力，不能单独使用。,47,比例微分调节（PD调节）,式中，为比例带，可视情况取正值或负值；TD为微分时间。,48,比例微分调节的特性,在斜坡输入条件下，要达到同样的u(t)，PD作用要比单纯P作用快，提前的时间就是Td。,49,比例微分调节的特点,在稳态下，de/dt=0，PD调节器的微分部分输出为零，因此PD调节也是有差调节，与P调节相同。微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用。适度引入微分动作可以允许
17、稍许减小比例带，同时保持衰减率不变。适度引入微分动作后，由于采用较小的比例带，结果不但减小了残差，而且也减小了短期最大偏差和提高了振荡频率。,50,比例微分调节的缺点,微分动作太强容易导致调节阀开度向两端饱和，因此在PD调节中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅助调节作用。PD调节的抗干扰能力很差，只能应用于被调量的变化非常平稳的过程，一般不用于流量和液位控制系统。微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。,51,比例积分微分调节规律,单位阶跃下的PID作用,52,PID作用规律总结,比例作用Kp增大，系统振荡增强，稳定性下降Kp增大，系统静差减小，但不能消除静差Kp无延时环节，快速性好，响应快积分
18、作用Ti减小，积分作用增强，可消除静差Ti减小，系统振荡增强，稳定性下降有延时环节，快速性下降微分作用Td增大，系统振荡减弱，稳定性增强Td增大，调节时间减小，快速性增强不能消除系统静差,53,PID控制器类型的选择,控制对象时间常数较大或迟延较大时，应引入微分。（如温度控制）控制对象时间常数较小，负荷变化不大，而工艺要求无残差时，可以选择比例积分动作。（如压力或流量控制）控制对象时间常数较小，负荷变化不大，而工艺要求不高时，可以选择比例动作。（如贮罐压力或液位控制）控制对象时间常数较大或迟延很大时，负荷变化亦很大时，简单的控制系统已不能满足要求。,54,PID控制的改进算法-积分分离,一般P
19、ID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，将引起系统过量的超调和长时间的波动。,积分的主要作用：在控制的后期消除稳态偏差,普通分离算法：大偏差时不积分,采用PID控制采用PD控制,55,积分分离PID控制算法,积分分离算法的思想是在e(k)较大时，取消积分作用；而在e(k)较小时将积分作用投入。积分分离PID算法可表示为,56,积分分离值的确定原则,不同积分分离值下的系统响应曲线,57,PID控制的改进算法-抗积分饱和,由于控制输出与被控量不是一一对应的，控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可能使输出进一步超限，此时系统
20、处于开环状态，当需要控制量返回正常值时，无法及时“回头”，使控制品质变差 。,抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分,当 时，采用PD控制当 时，采用PD控制其他情况，正常的PID控制,58,PID控制实现时的常用技巧,输入滤波输入限幅输出限幅防止饱和无扰切换带死区的PID控制算法,59,输入滤波,10种软件滤波方法,60,输入限幅,上下限限幅 （也可以在信号滤波中处理）inINmax in=INmaxInIn(n-1) In(n)-In(n-1) INmax In(n)=In(n-1) +INmax In(n)INmax In(n)=In(n-1) -INmax 变化率限幅In(n)In
21、(n-1) In(n)-In(n-1) / In(n-1) In(n)=In(n-1)*(1+ )In(n) In(n)=In(n-1)*(1 - ),61,输出限幅,上下限限幅 （也可以在信号滤波中处理）outoutmax out=outmaxoutout(n-1) out(n)-out(n-1) outmax out(n)=out(n-1) +outmax out(n)outmax out(n)=out(n-1) -outmax 变化率限幅out(n)out(n-1) out(n)-out(n-1) / out(n-1) out(n)=out(n-1)*(1+ )out(n) out(n)
22、=out(n-1)*(1 - ),62,防止饱和,对于增量式MV（out）= MP（比例） + MI （积分） + MD（微分） MV（out） MV（max） MI （积分）= MV（max）- MP（比例） - MD（微分） MV（out） MV（min） MI （积分）= MV（min）- MP（比例） - MD（微分）对于位置式 采用输出限幅后，该问题就会直接解决。,63,无扰切换,设置给定值（SPn）= 测量变量（PVn）设置测量值（PVn-1） = 测量变量（PVn）设置输出值（MX）= 手动输出值（Mn）,64,带死区的PID控制算法,带死区的PID控制规律如下：,非线性控制，非
23、线性控制宽度、非线性控制增益。,65,PID参数整定方法,扩充临界比例带法扩充响应曲线法试凑法,66,扩充临界比例带法,扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比例带法（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整定的实验经验方法。按该方法整定PID参数的步骤如下：选择一个足够短的采样周期T，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。逐渐加大比例系数Kp，使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts，并记下此时的比例系数Kp，将其记作临界振荡增益Ks。此时的比例度为临界比例度。选择控制度。根据控制度，查表求出T、Kp、
24、Ti和Td值。按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。,67,扩充临界比例带法参数速查表,68,扩充临界比例带法参数速查表（简化）,69,扩充响应曲线法,扩充响应曲线法是一种开环整定方法。如果可以得到被控对象的动态特性曲线，那么就可以与模拟调节系统的整定一样，采用扩充响应曲线法进行数字PID的整定。其步骤如下：（1）断开数字控制器，使系统在手动状态下工作。将被控量调节到给定值附近，当达到平衡时，突然改变给定值，相当给对象施加一个阶跃输入信号。（2）记录被控量在此阶跃作用下的变化过程曲线（即广义对象的飞升特性曲线）。,70,广义对象的飞升特性曲
25、线,71,扩充响应曲线法,（3）根据飞升特性曲线，求得被控对象纯滞后时间 和等效惯性时间常数 ，以及它们的比值 。（4）由求得的 和 以及它们的比 ，选择某一控制度，查表即可求得数字PID的整定参数的 值。（5）按求得的整定参数投入在投运中观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。,72,扩充响应曲线法参数速查表,73,衰减曲线法,选把过程控制系统中调节器参数置成纯比例作用（TI=，TD=0）使系统投入运行。再把比例度从大逐渐调小，直到出现4：1衰减过程曲线。此时的比例度为4：1衰减比例度c，两个相邻波峰间的时间间隔，称为4：1衰退减振荡周期Ts。,74,衰减曲线法,75,衰减曲线
26、法参数速查表,76,试凑法,只采用比例控制，Kp由小变大，若响应时间、超调、静差已达到要求，只采用比例调节即可。 若静差不满足，则加入积分控制，将Kp减小，例如取0.8Kp代替Kp，Ti由大到小，反复测试多组的Kp和Ti值，从中确定合适的参数。 若动特性不满足，比如超调量过大，或调节时间过长，则加入微分控制，Td由小到大，逐步凑多组PID参数，从中找出一组最佳调节参数。,77,采样周期T的经验数据,78,采样PI控制原理及参数整定方法,采样PI控制原理采样PI控制的类型采样PI的参数整定方法,79,采样PI控制原理,采样PI控制是一种针对大存滞后对象的实用控制算法，因为其控制结构与一般PI控制
27、相似，所以可以看作是PI控制的改进算法。它具有算法容易实现，不需要对系统进行辨识，鲁棒性强的特点，所以适用于工业过程控制。采样PI控制系统结构与一般PI控制系统比较，区别在于控制器的偏差输入受一个周期性开关控制。,80,采样PI控制原理,81,采样PI控制原理,82,采样PI控制的类型,1.保持控制输出不变 2.保持积分部分不变,83,采样PI控制的类型比较,保持控制输出不变该方法比例项只有闭环时间较长时有效；可以加快系统的调节速度。保持积分部分不变比例项的作用一直存在；比例项较大容易造成系统波动；抗干扰能力差（假如最后计算时有干扰信号，导致系统不稳定。）所以一般采用采样I控制。,84,比例项
28、在采样PI中控制的作用,85,采样PI的参数整定方法,采样周期的选择闭环时间的选择比例增益的选择积分时间的选择,86,采样周期的选择,采样周期变小时，系统开环时间变短，当采样周期小到，系统即为常规的PI控制。采样周期变大时，系统开环时间变大，如果开环给定不是系统稳定时的控制器输出，就需要多个采样周期系统方可达到稳定，所以随着采样周期的增大，系统过渡时间就会变长。采样PI控制原理是“闭环计算控制器输出，开环进行恒值控制”，其中闭环时间很短，开环时间较长。因为控制作用只能在纯滞后时间后才能起作用，因为在给定控制起作用后一个对象时间常数后达到稳态的63%，三个对象时间常数后达到稳态的95%，所以采样
29、周期一般取,87,闭环时间的选择,Tc一方面决定闭环作用时间，另一方面影响控制器的输出。在采样周期不变时，Tc变大，闭环时间变长，开环时间变短，增大到Ta，系统与常规PI控制闭环控制系统相同。在Tc增大时，输出积分作用增强，容易产生超调和振荡；反之，输出积分作用减弱，系统过渡时间变长。,88,比例增益的选择,比例系数的作用仅在闭环控制时间段，而闭环控制时间很短，所以比例系数对整个控制的作用相对较小，但在闭环控制时间内，过大的比例系数会引起控制量的超调和较大波动，对执行机构容易产生不良的影响，所以一般取值较小，也可以直接取零。,89,积分时间的选择,当积分时间变小时，输出积分作用增强，容易产生超
30、调和振荡；反之，输出积分作用减弱，系统过渡时间变长。控制器的开环阶段输出仅由 决定，因此应根据对系统响应过程的要求来确定 的大小。例如，对象为 ，要求经过一个采样周期输出达到稳定值，一个闭环时间后控制输出应为 ，这时选择采样周期足够大，即 ，则 。,90,PID算法的实现注意问题,输入、设定、输出标准化计算公式中避免过大过小数据,91,PID 西门子S7-200,公式采用：Mn = Kc*（SPn-PVn） + Kc*Ts/Ti*（SPn-PVn）+MX + Kc*Td/Ts*（PVn-1-PVn）,92,PID的组合选择,在许多控制系统中，有必要只应用一种或两种环路控制的方法。例如，可能只需
31、要比例控制或比例积分控制。选择期望的环路控制类型通过设置常量参数的数值来进行。如果不希望积分操作（在PID计算中没有“I”），那么应为积分时间（重设）指定数值无穷大“INF”。即使没有积分操作，积分项的值可能不是零，因为有积分总和MX的初始值。如果不希望微分操作（在PID计算中没有“D”），那么数值0.0应为微分时间（速率）指定。如果不希望比例操作（在PID计算中没有“P”），并且希望I或ID控制，那么应为增益指定数值0.0。因为环路增益是公式中用于计算积分和微分项的一个因子，将环路增益设置为数值0.0将导致在计算积分和微分项时数值1.0用作环路增益。,93,PID参数表,PID算式中共包含9个参数，用于进行PID运算的控制。在执行PID指令前，要建立一个PID参数表，格式如下：,94,应用过程,输入模拟量的转换及标准化信号滤波处理（例如湘钢控制、侯马皮带秤）（要考虑信号滞后、曲线光滑等因素，可以通过曲线观察）PID运算无扰切换处理输出模拟量转换为工程实际值,95,YS-170中的PID算法,96,893 IDCB-5A 控制参数,97,结 束,
