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PID控制原理 盾安机电本部工厂技术部沈智广2010 06 PID控制技术 PID控制入门 引子 PID控制原理PID控制在盾安机电标准应用实例PID控制参数整定方法PID控制小结 PID控制入门 引子 PID控制入门 引子 PID指Proportion Integral Differential 中文是比例 积分 微分 PID控制器是根据系统的误差 利用比例 积分 微分计算出控制量进行控制的 PID控制入门 引子 对组合机恒温控制系统 表冷阀开度控制 1 控制驱动单元 表冷阀 作为输入信号 2 被控对象 出风温度 作为输出反馈 PID控制入门 引子 所谓 误差 就是目标值与实际值的差值 比如你希望目标出风温度为15 而实际出风温度13 则误差 2 该误差值送到PID控制器 作为PID控制器的输入 PID控制器的输出为 误差乘比例系数Kp Ki 误差积分 Kd 误差微分 上式为三项求和即为PID运算结果 经PLC转换后送入表冷阀驱动器 PID就会对表冷阀作调整 直到误差 0 PID控制原理 6 1PID控制及作用PID调节器是一种线性调节器 这种调节器是将设定值r t 与输出值c t 进行比较构成控制偏差e t r t c t 将其按比例 积分 微分运算后 并通过线性组合构成控制量 如图所示 所以简称为P 比例 I 积分 D 微分 调节器 模拟PID调节器控制系统框图 PID控制原理 6 1 1比例调节器1 比例调节器的表达式2 比例调节器的响应比例调节器对于偏差阶跃变化的时间响应如图所示 比例调节器对于偏差e是即时反应的 偏差一旦产生 调节器立即产生控制作用使被控量朝着偏差减小的方向变化 控制作用的强弱取决于比例系数Kp的大小 3 比例调节器的特点简单 快速 有静差 P调节器的阶跃时间响应 Kp 比例系数 u0 是控制量的基准 也就是e 0时的一种控制作用 PID控制原理 6 1 2比例积分调节器1 比例积分调节器的表达式2 比例调节器的响应PI调节器对于偏差的阶跃响应如图所示 可看出除按比例变化的成分外 还带有累计的成分 只要偏差e不为零 它将通过累计作用影响控制量u 并减小偏差 直至偏差为零 控制作用不再变化 使系统达到稳态 PI调节器的阶跃响应 TI 积分时间常数 PID控制原理 6 1 3比例积分微分调节器 PID 1 比例积分微分调节器 PID 表达式2 比例积分微分调节器 PID 的响应理想的PID调节器对偏差阶跃变化的响应如图所示 它在偏差e阶跃变化的瞬间t t0处有一冲击式瞬时响应 这是由附加的微分环节引起的 3 微分环节的作用其控制规律为 PID控制原理 P控制器的选择 它适用于控制通道滞后较小 负荷变化不大 允许被控量在一定范围内变化的系统 盾安机电 工业冷水机组冷却水流量控制系统 PID控制原理 PI控制器的选择 它适用于控制通道有一定滞后 负荷变化不大 被控量不允许有静差的控制系统 PID控制原理 PID控制器的选择 它适用于负荷变化大 容量滞后较大 控制质量要求又很高的控制系统 比如恒温恒湿控制系统 PID控制在盾安机电标准应用实例 末端恒湿控制系统流程图 PID控制在盾安机电标准应用实例 以siemensPLC为例 假设目标出风温度为15 而实际出风温度13 应误差为2 将目标值 实际值 P值 I值 D值输入至PLCPID运算指令 经PID自动运算后 得出运算结果 将此结果转化为0 10V的电压信号输入至表冷阀或加热阀执行器即可 PLC运行结果为0 0 1 0之间的实数 0 0 5对应表冷阀开度100 0 0 5 1 0对应加热阀开度0 100 PID控制在盾安机电标准应用实例 假设仅设定P值 I值和D值设定为0 若误差恒定 则PID运算结果是恒定的 因此表冷阀开度也是恒定的 此开度可能太大也可能太小 若表冷阀开度过大 则出风温度会不断下降 PID运算后减小输出值 从而减小表冷阀开度 若表冷阀开度过小 则出风温度会不断上升 PID运算后增大输出值 从而加大表冷阀开度 PID控制在盾安机电标准应用实例 P值控制温度曲线图 无I值 D值控制 PID控制在盾安机电标准应用实例 比例调节的特点 1 调节作用快 系统一出现偏差 调节器立即将偏差放大K倍输出 2 系统存在余差 P越小 过渡过程越平稳 但静差越大 P增大 静差将减小 但是不能完全消除静差 只能起到粗调作用 但是P过大 过渡过程易振荡 P太大时 就可能出现发散振荡 PID控制在盾安机电标准应用实例 通过上述比例调节 可使出风温度在某一范围内正弦曲线波动 但无法恒定 原因是温度响应滞后 引起超调 因此需加入积分项调节 PID控制在盾安机电标准应用实例 在比例调节的基础上增加积分调节 即设定P值和I值 D值仍设定为0 即使误差恒定 PID运算结果是不断变化的 其输出值会自动表冷阀开度 PID控制在盾安机电标准应用实例 PI值控制温度曲线图 无D值控制 PID控制在盾安机电标准应用实例 积分时间TI对系统性能的影响 增大积分时间TI有利于减小超调 减小振荡 使系统更加稳定 但系统静差的消除将随之减慢 PID控制在盾安机电标准应用实例 PI控制温度曲线图 无D值控制 有扰动源 PID控制在盾安机电标准应用实例 若使用PI调节器消除了静态误差 但在稳定运行过程中仍不时出现波动 则可加入微分环节 构成PID调节器 从而消除扰动的影响 在有温度扰动源的场合 增加微分项调节可减少温度扰动源的影响 PID控制在盾安机电标准应用实例 PID控制温度曲线图 有扰动源 PID控制在盾安机电标准应用实例 微分调节的特点 微分调节的输出是与被调量的变化率成正比 在引入微分作用后能全面提高控制质量 但是微分作用太强 会引起超调 表冷阀时而全开时而全关 因此不能把微分时间取得太大 当微分时间由小到大变化时 微分作用由弱到强 对容量滞后有明显的作用 但是对纯滞后没有效果 PID控制在盾安机电标准应用实例 微分时间TD对系统性能的影响 增大微分时间TD 也有利于加快系统响应 使超调量减小 稳定性增加 但系统对扰动的抑制能力减弱 PID控制参数整定方法 一般在工程应用中采用经验凑试法 经验凑试法在实践中最为实用 在整定参数时 必须认真观察系统响应情况 根据系统的响应情况决定调整那些参数 在研发阶段 我司所有产品均通过此方法得出参数 PID控制参数整定方法 整定步骤 先比例 后积分 再微分 整定比例参数 首先将P值放在较小的位置 然后逐渐增大 观察被控量变化曲线 使被控对象 温度 与驱动器 表冷阀 有对应的变化 PID控制参数整定方法 整定积分参数 在整定比例参数后 将比例值缩小 10 20 然后将积分时间T1由大到小逐步加入 直到获得4 1衰减过程 PID控制参数整定方法 PID控制参数整定方法 整定微分参数 在整定比例 积分参数后 将比例值增大 10 20 然后将微分时间T由小到大逐步加入 观察过渡曲线 直到获得满意的过渡过程 PID控制参数整定方法 常见被控对象的PID参数选择范围 经验值 PID控制参数整定方法 整定原则 不能让系统出现发散振荡 如出现发散振荡 应立即切为手动 等系统稳定后减小放大倍数 增大积分时间或减小微分时间等降低PID效用的手段 然后才能重新切换到自动控制 PID控制小结 PID控制是闭环控制 PID控制是误差控制 PID控制小结 增大比例系数KP会加快系统的响应 但比例系数过大会使系统超调 并产生振荡 从而破坏稳定性 增大积分时间TI有利于减小超调 减小振荡 使系统更加稳定 但系统稳定过程加长 增大微分时间TD 也有利于加快系统响应 使超调量减小 稳定性增加 但系统对扰动的抑制能力减弱 系统振荡次数增加 PID控制小结 P作用是最基本的控制作用 加入I作用后可做到无差控制 提高控制精度 加入D作用能全面提高控制质量 PID控制小结 参数整定找最佳 从小到大顺序查先是比例后积分 最后再把微分加曲线振荡很频繁 放大倍数要放小曲线漂浮绕大湾 放大倍数往大扳曲线偏离回复慢 积分时间往下降曲线波动周期长 积分时间再加长曲线振荡频率快 先把微分降下来动差大来波动慢 微分时间应加长理想曲线两个波 前高后低4比1一看二调多分析 调节质量不会低 谢谢各位 盾安机电本部工厂技术部沈智广TEL 13735318621