过程控制的PID调节原理
pid自整定原理
pid自整定原理PID控制器是一种广泛应用于工业控制领域的控制器。
控制器的核心部分是PID控制器中的PID参数。
PID控制器的性能取决于PID参数的设定。
PID自整定原理指的是将PID参数自动调整为最优值的过程。
PID控制器是一种反馈控制系统，当被控对象输出变化时，反馈回控制器，控制器通过计算误差来调整输出信号，进而调整被控对象的状态。
PID控制器主要由比例项、积分项和微分项组成。
比例项对误差进行比例计算，积分项对误差进行积分，微分项对误差进行微分。
PID 控制器的定点控制时，通过调整PID参数来实现对被控对象单一点的控制。
PID自整定原理基本原理是：在某个位置(即控制对象)，通过特定算法对控制器进行参数配置，对该位置进行控制，测试输出结果，获得误差值，根据误差值调整控制器参数，再次进行控制，直到误差值达到最小值，调节器参数达到最优值，或者满足一定的控制要求。
这样可以实现PID参数自动优化。
PID自整定包括两种方法：在线自整定和离线自整定。
在线自整定是指在实时运行中优化PID参数。
其优点是更具实时性和实际性。
离线自整定是指在预测和模拟中优化PID参数。
这种方法更加安全可靠和可预测。
实际上，PID自整定并不是一成不变的过程，如过程变化，控制对象参数变化，PID自整定应重新进行。
这样也能为工程带来一定的便利。
在实际工程中，PID自整定的应用主要有两个方面：第一个方面是对稳态控制器的确保，即控制器在稳态下能够得到最小的误差。
第二个方面是实现动态控制器，即控制器动态响应能力提高。
通过PID自整定实现动态控制器能够加快系统的响应速度和稳定性。
综上所述，PID自整定原理是通过特定算法对控制器进行参数配置来实现对控制对象的无偏请求控制，使其输出误差达到最小值，调整控制器参数达到最优值的过程。
这种方法在控制工程中得到了广泛的应用。
过程控制的PID调节原理分解
调节器选择
• 选择调节器动作规律时应根据对象特性、 负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具 体情况，同时还应考虑系统的经济性以及 系统投入方便等。
调节器定性选择原则
• 广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大 时，应引入微分动作 • 当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也 不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分动 作 • 广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小， 工艺要求不高时，可选择比例动作 • 当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大， 负荷变化亦很大时，简单控制系统已不能满足要 求，应设计复杂控制系统。
0
t
1 u (e Ti
1
t
0
edt)
图4.17PI调节器的阶跃响应
图4.18加热器水温PI控制系统在热 水流量阶跃扰动下的调节过程
图4.19PI控制系统不同积分时间 的响应过程
图4.20温度 比例积分控 制系统积分 饱和
图4.21积分动作由调节器输出通过
图4.22利用间隙单元抗积分饱和
图4.3工业对象的幅频和相频特性
图4.4纯时间滞后的效应
图4.5单容水槽图
图4.6自平衡过程的阶跃响应
图4.7具有纯时间滞后的自平衡过 程的阶跃响应
4.8单容积分水槽及其阶跃响应
图4.9列管式换热器
图4.10中和反应器及其静特性
4.3比例调节(P调节)
• 4.3.1比例调节的动作规律和比例带 • 4.3.2比例调节的特点——有差调节 • 4.3.3比例带对于调节过程的影响
4.4.1积分调节规律和积分速度
du S0e dt 或u S 0 edt
0 t
图4.14自力式气压调节阀
4.4.2积分调节的特点——无差调节
过程控制 第二章 PID调节
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
第二章
比例积分微分控制及其调节过程
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 基本概念 比例调节 积分调节 比例积分调节 比例积分微分调节
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
§2-1
基本概念
统计表明生产过程80%的控制可以用PID控制器构成单回路 反馈控制系统进行控制（简单控制系统）。 PID控制是比例积分微分控制的简称。 是一种负反馈控制。 即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用
有直接关系 。
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
4.TI变化对系统控制性能指标的影响
r e
1 TI s
u
Ke-τs Ts + 1
D y
衰减率ψ ↑ TI↑ S0↓ 稳态误差ess=0 超调量σ ↓ 振荡频率ω ↓
第一篇
简单控制
第二章
比例积分为分控制及其调节过程
5.与P调节比较
系统稳定性下降（加了一个位于原点的开环极点） 静态：无稳态误差；动态：由于调节不及时σ较大 在相同的稳定裕度下积分调节σ↑，振荡频率低，调节过程加长。
，选择P或PI调节
，选择PD或PID调节 ，用复杂控制。
Ke-τs G(s) = Ts +1
0.2 τ/T 1.0
τ/T > 1.0
蒸 汽 D
θ
B
1
A
θ θ A
0
o
稳态误差
冷 水 Q
冷 凝 水
Ke-τs Ts + 1
θ
1
PID调节原理
PID控制的优点
①原理简单，使用方便； ②适应性强； ③鲁棒性强；
控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。
④对模型依赖少。
比例调节的特点：
（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一 对应的比例关系，即：u = K e
40
50
0
60
0
20
40
60
80
100
120
Time (sec)
Time (sec)
积分调节， Ti的变化对控制效果的影响
微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率 ，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生 超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分 调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。 在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调 节时间。 微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调 节，对系统抗干扰不利。 此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时， 微分作用输出为零。 微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相 结合，组成PD或PID控制器。
1 G K TIs (s+1) (2s+1)
Amplitude Amplitude
Step Response 12
Step Response 1.8
Ti=0.5
Ti=1
10
1.6
Ti=5
8
1.4
Ti=10
6
Ti=inf
1.2
4 1
2 0.8
0 0.6
-2
0.4 -4
0.2 -6
pid温度控制器的工作原理
PID温度控制器的工作原理介绍PID（Proportional-Integral-Derivative）温度控制器是一种常用的温度调节设备，它通过测量和反馈温度值来自动调节系统中的加热或冷却设备，以维持设定温度。
PID控制器的设计基于比例、积分和微分三个参数，它们分别决定了控制系统的稳定性、响应速度和抑制干扰的能力。
工作原理PID控制器的工作原理基于反馈控制的概念。
它通过不断地测量温度值，并将测量值与设定温度进行比较，以决定下一步的控制动作。
具体来说，PID控制器根据下面三个参数进行计算：1. 比例（Proportional）控制比例控制是指输出信号与误差信号成正比的关系。
假设设定温度为T_set，测量温度为T_meas，误差信号为E，比例控制输出为P_out，则比例控制可以表示为：P_out = Kp * E其中，Kp是比例增益参数。
比例控制的作用是根据误差的大小来调整输出信号的幅度，使温度尽快接近设定值。
然而，只使用比例控制会导致温度存在稳态误差。
2. 积分（Integral）控制积分控制是指输出信号与误差信号的累积值成正比的关系。
积分控制可以消除稳态误差，使得测量值与设定值的差距趋于零。
积分控制输出为I_out，积分时间常数为Ti，积分控制可以表示为：I_out = Ki * ∫E(t)dt其中，Ki是积分增益参数。
积分控制的作用是通过调整输出信号的积累量，以减小稳态误差。
3. 微分（Derivative）控制微分控制是指输出信号与误差信号变化率成正比的关系。
微分控制可以抑制温度波动，减小过渡过程中的超调和震荡。
微分控制输出为D_out，微分时间常数为Td，微分控制可以表示为：D_out = Kd * dE(t)/dt其中，Kd是微分增益参数。
微分控制的作用是通过调整输出信号对误差变化率的响应速度，以提高系统的稳定性和动态响应。
PID控制算法PID控制器根据计算得到的比例、积分和微分控制输出值，进行加权求和得到总控制输出信号。
PID参数调节原理和整定方法(1)
PID参数调节原理和整定方法
CS3000系统PID参数整定方法
增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静 差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系 数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳 定性变坏。
增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使 系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。
因此希望优秀的工艺人员与用心的仪表人 员共同努力，共同提高我们国际化的大石 化自控率，同时也为减轻大家的劳动强度。
PID参数调节原理和整定方法
CS3000 仪表面板
位号
位号注释
功能块模式 测量值
位号标志 报警状态
设定值
输出值
输出指针 测量值棒状图
工程单位
测量值上限 报警设置 设定值指针
测量值下限
PID参数调节原理和整定方法
CS3000 仪表面板
输出值指针 设定值指针 功能块模式 报警状态 位号 位号注释 位号标志 测量值棒状图 测量值上下限 工程单位
P比例调节
P：比例调节
在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例， 即 u = Kc e （kc称为比例增益）
但在实际控制中习惯用增益的倒数表示 δ =1 / kc (δ称为比例带)
不同的DCS使用不同的参数作为P的调节参数，以CS3000 为例，选用δ 比例带为调节参数，单位％。可以理解为：
P：比例带；值越大，作用越弱。单 位：%
I：积分时间；值越大，作用越弱， 单位：分钟（m）
D：微分时间；值越大，作用越强， 单位：分钟（m）
PID参数含义均与CS3000一致，但要 注意积分和微分时间，为分钟。
手动/自动 切换
PID调节方法
PID调节方法PID调节是一种广泛应用于工业过程控制的方法，通过测量控制系统的输出与期望值之间的误差，并根据误差的大小来调整控制系统的输入，以使输出与期望值尽可能一致。
PID调节的主要目标是快速、准确地调整系统的响应速度、稳定性和稳态精度。
下面将详细介绍PID调节的原理、调参方法和一些常见的应用。
1.PID调节的原理\[Output = K_p \cdot Error + K_i \cdot \int{Error}\ dt + K_d \cdot \dfrac{d(Error)}{dt}\]其中，\(K_p\)、\(K_i\)和\(K_d\)分别是比例、积分和微分参数。
比例项（P）通过根据误差的大小来调整输出，具有快速的响应速度和较小的超调。
积分项（I）通过累积误差来减小稳态误差，具有消除静差的作用。
微分项（D）通过对误差变化率的控制，可以避免输出的过度波动。
通过调整三个参数的大小和比例，可以在控制系统中实现适当的响应速度、稳定性和稳态精度。
2.PID调节的调参方法调参是PID调节的关键步骤，合适的参数设置可以使系统达到最佳的控制效果。
常见的PID调参方法有经验法、试验法和优化算法。
（1）经验法：根据经验公式设置PID参数。
这种方法基于经验，适用于一些简单的控制系统。
常见的经验法有经验公式法、手动调参法和Ziegler-Nichols法。
其中，经验公式法是根据控制对象的性质和要求选择合适的参数；手动调参法是通过观察系统响应和对参数的手动调整来获得合适的参数；Ziegler-Nichols法是一种经验调参法，通过对系统进行临界增益试验来确定PID参数。
（2）试验法：基于试验和观察系统响应的方法。
通过改变PID参数的值，观察系统的响应和性能指标，如超调量、调整时间和稳态误差等，来判断参数的合适性。
这种方法需要多次试验调整，比较耗时。
（3）优化算法：使用数学方法和计算机算法来最佳的PID参数。
常见的优化算法有基于遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。
PID控制算法（PID控制原理与程序流程）
PID控制算法（PID控制原理与程序流程）⼀、PID控制原理与程序流程(⼀)过程控制的基本概念过程控制――对⽣产过程的某⼀或某些物理参数进⾏的⾃动控制。
1、模拟控制系统图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进⾏⽐较，得到偏差，模拟调节器依⼀定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执⾏器作⽤于过程。
控制规律⽤对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。
2、微机过程控制系统图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。
控制规律的实现，是通过软件来完成的。
改变控制规律，只要改变相应的程序即可。
3、数字控制系统DDC图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机⽤于过程控制的最典型的⼀种系统。
微型计算机通过过程输⼊通道对⼀个或多个物理量进⾏检测，并根据确定的控制规律(算法)进⾏计算，通过输出通道直接去控制执⾏机构，使各被控量达到预定的要求。
由于计算机的决策直接作⽤于过程，故称为直接数字控制。
DDC系统也是计算机在⼯业应⽤中最普遍的⼀种形式。
(⼆)模拟PID调节器1、模拟PID控制系统组成图5－1－4 模拟PID控制系统原理框图2、模拟PID调节器的微分⽅程和传输函数PID调节器是⼀种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的⽐例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进⾏控制。
a、PID调节器的微分⽅程式中b、PID调节器的传输函数a、⽐例环节：即时成⽐例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差⼀旦产⽣，调节器⽴即产⽣控制作⽤以减⼩偏差。
b、积分环节：主要⽤于消除静差，提⾼系统的⽆差度。
积分作⽤的强弱取决于积分时间常数TI，TI越⼤，积分作⽤越弱，反之则越强。
c、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太⼤之前，在系统中引⼊⼀个有效的早期修正信号，从⽽加快系统的动作速度，减⼩调节时间。
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控制系统的设计归根到底就是调节器的设计 就是调节规律的确定和调节器参数的整定。
本章内容
4.1PID控制概述 4.2过程控制系统的动态特性 4.3比例调节(P调节) 4.4积分调节(I调节) 4.5比例积分微分调节（PID调节） 4.6PID调节器的参数工程整定
4.1PID控制概述
• • • • P- Proportional，比例 I- Integral，积分 D- Differential，微分 PID控制是比例积分微分控制的简称
调节器定量选择原则
• τ/T＜0.2，选择比例或比例积分动作； • 0.2＜τ/T＜1.0，选择比例微分或比例积分 微分动作； • τ/T＞1．0，采用简单控制系统往往不能满 足控制要求，应选用如串级、前馈等复杂 控制4.6.1PID参数整定的基本原则 • 4.6.2PID参数的工程整定方法
图4.23间歇反应器温度控制系统 对设定值的响应曲线
图4.24 调节器 抗积分 饱和电 路
4.5.3比例微分（PD）调节
de u K ee S2 dt 1 de u (e TD ) dt
PD的传递函数
Gc
1
(1 TD s )
1 TD s 1 实际上G c TD s 1 KD
4.6.1PID参数整定的基本原则
• 单项性能指标 • 误差积分性能指标
单项性能指标
• • • • 衰减率(或衰减比) 最大动态偏差 调节时间(又称回复时间) 振荡周期等
误差积分性能指标
• • • • IE IAE ISE ITAE
图4.31不同误差积分指标对应 的闭环响应曲线
4.6.1PID参数整定的基本原则
正、反作用方式
• 所谓正作用方式是指调节器的输出信号u随 着被调量y的增大而增大，此时称整个调节 器的增益为“+”。 • 处于反作用方式下，u随着被调量y的增大 而减小，调节器的增益为“-”。
图4.2根据控制系统方框图确定调 节器正反作用
4.2过程控制系统的动态特性
• • • • • (1) 对象的动态特性是单调、不振荡的 (2) 对象动态特性的延迟性和时间常数大 (3) 对象的动态特性具有纯时间滞后 (4) 被控对象的自平衡与非自平衡特性 (5) 被控对象的动态特性往往具有非线性特 征
0
t
1 u (e Ti
1
t
0
edt)
图4.17PI调节器的阶跃响应
图4.18加热器水温PI控制系统在热 水流量阶跃扰动下的调节过程
图4.19PI控制系统不同积分时间 的响应过程
图4.20温度 比例积分控 制系统积分 饱和
图4.21积分动作由调节器输出通过
图4.22利用间隙单元抗积分饱和
图4.30各种调节动作对应的响应 过程
4.5.4比例积分微分调节 规律及其基本特征
de u K c e S 0 edt S 2 0 dt 1 1 t de u (e edt TD ) TI 0 dt
t
PID传递函数
1 G ( s) (1 TD s ) TI s 1 * 1 * TD s TI s * Gc ( s) K c 1 TD 1 s K I TI s K D 1
PID控制的优点
• 原理简单，使用方便 • 适应性强 • 鲁棒性强(Robust)
图4.1生产过程简单 控制系统方框图
广义被控对象
• 一般包括调节阀、被控对象和测量变送元 件
偏差信号e
• 按仪表制造业的规定，进入调节器运算部 分的偏差信号e定义为 e =y - r 式中 r——设定值； y——被调量的实测值。 控制工程中的定义为 e=r-y
4.5比例积分微分(PID)调节
• • • • 4.5.1关于微分调节 4.5.2比例积分（PI）调节 4.5.3比例微分（PD）调节 4.5.4比例积分微分调节规律及其基本特征
4.5.1关于微分调节
de u S2 dt
4.5.2比例积分（PI）调节
u K c e S0 edt
• 理论计算整定法 • 工程整定法
理论计算整定法
• 根轨迹法 • 频率特性法
4.6.2PID参数的工程整定方法
• (1) 动态特性参数法 • (2) 稳定边界法 • (3) 衰减曲线法
(1) 动态特性参数法
• 这是一种以被控对象控制通道的阶跃响应为依据， 通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的 开环整定方法。
过程响应速度
(2) 稳定边界法
• 这是一种闭环的整定方法。它基于纯比例 控制系统临界振荡试验所得数据，即临界 比例带δcr和临界振荡周期Tcr，利用一些经 验公式，求取调节器最佳参数值。
图4.32系统的临界振荡过程
(3) 衰减曲线法
• 与稳定边界法类似，不同的只是本法采用 某衰减比(通常为4∶1或10∶1)时设定值扰 动的衰减振荡试验数据，然后利用一些经 验公式，求取调节器相应的整定参数。
图4.25PD调 节器的单位 阶跃响应
t u ( K D 1) exp( ) TD / K D
1
1
图.26 PD调 节器的 斜坡响 应
图4.27P调节系统和PD调节系统 调节过程的比较
图4.28PD控制系统不同微分时间 的响应过程
图4.29工业PID调节器单位阶跃 响应
图4.3工业对象的幅频和相频特性
图4.4纯时间滞后的效应
图4.5单容水槽图
图4.6自平衡过程的阶跃响应
图4.7具有纯时间滞后的自平衡过 程的阶跃响应
4.8单容积分水槽及其阶跃响应
图4.9列管式换热器
图4.10中和反应器及其静特性
4.3比例调节(P调节)
• 4.3.1比例调节的动作规律和比例带 • 4.3.2比例调节的特点——有差调节 • 4.3.3比例带对于调节过程的影响
图4.33系统衰减振荡曲线
图4.34表示其阶跃响应曲线
图4.35简单控制系统的组成环节
图4.36由Gp(s)和G*c(s)组成的简 单控制系统
作业
• 4.12 • 4.13
考勤
• 电脑情况
– 自己有电脑 – 合买 – 合用+机房
• 将MATLAB安装及使用情况发给我
– 已安装 – 未安装
程序
• 可找我要，发电子邮件
平时成绩
• • • • • • 完全正确5 基本正确4 方法正确、结果错误3 方法不完整2 只答出次要点1 未来或未答出0
调节器选择
• 选择调节器动作规律时应根据对象特性、 负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具 体情况，同时还应考虑系统的经济性以及 系统投入方便等。
调节器定性选择原则
• 广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大 时，应引入微分动作 • 当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也 不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分动 作 • 广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小， 工艺要求不高时，可选择比例动作 • 当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大， 负荷变化亦很大时，简单控制系统已不能满足要 求，应设计复杂控制系统。
4.4.1积分调节规律和积分速度
du S0e dt 或u S 0 edt
0 t
图4.14自力式气压调节阀
4.4.2积分调节的特点——无差调节
du S0e dt 或u S 0 edt
0 t
4.4.3积分速度对于调节过程的影响
图4.15积分速度对调节过程的影响
图4.16P与I调节过程的比较
4.3.1比例调节规律和比例带
u Kce
称为比例带
u
1
e
4.3.2比例调节的特点—有差调节
图4.11所示加热器水温控制系统
图4.12比例调节是有差调节
4.3.3比例带对于调节过程的影响
图4.13δ对于比例调节过程的影响
4.4积分调节(I调节)
• 4.4.1积分调节规律和积分速度 • 4.4.2积分调节的特点——无差调节 • 4.4.3积分速度对于调节过程的影响