积分饱和示例
单回路系统积分饱和现象举例
单回路系统积分饱和仿真结果
单回路系统的防积分饱和原理
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s 1
讨论：正常情况为标准的PI控制算法； 而当出现超限时，自动切除积分作用。
积分外反馈
积分分离
PID控制器的作用
比例作用P是基本控制作用，输出与输入无 相位差。Kc越大控制作用越强，随着Kc 的 增加(比例度δ减小) ，余差下降，最大偏 差减小，但稳定性变差。
控制器增益 Kc或比例度δ
但稳定增性益下K降c 的；增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，
积分时间Ti
但控制积系分统作的用稳的定增性强下（降即；Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，
微分时间Td
性得到微加分强作，用但增对强高（频即噪T声d 增起大放）大，作可用使，系主统要的适超合前于作特用性增滞强后，较稳大定的 广义对象，如温度对象等。
假设测量范围为 200 ~ 400 ℃, Kp = 1.75, Tp = 10 min, τ = 7 min. Kc = 0.98, Ti = 14 min, T“积分饱和”问题
ysp(t)
＋ －
K
C
ççèæ1
1 TI s
÷÷øö
u
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
响应曲线
u(t) u0
0
y(t)
p y0
τT
T0
T1 T2
u1 y1
T3
对象的近似模型：
y(s) Kp es u(s) Tps1
t
而增益为：
K y1y0
u1u0
ymaxymin umaxumin
[ymin, ymax]为CV的测量范围；
t [umin, umax]为MV的变化范围，对于阀位 开度通常用0~100%表示。
工程整定法3-响应曲线法
临界比例度法的局限性：
生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无 法产生正常操作范围内的等幅振荡。
响应曲线法PID参数整定步骤：
（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用 阶跃变化），记录被控变量的响应曲线； （2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并 求取 “广义对象”的近似模型与模型参数； （3）根据控制器类型与对象模型，选择PID参数 并投入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调 整。
（2）将KC由小到大变化，对应于某一KC值作小幅 度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；
（3）设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益 Kcr ，再根据控制器类型选择以下PID参数。
控制规律 P PI
PID
Kc 0.5Kcr 0.45Kcr 0.6Kcr
Ti
0.83Tcr 0.5Tcr
Td 0.12Tcr
图中，红色曲线是等衰减 比曲线，曲线内稳定裕度 高于设定指标。 红色位置为最佳Kc和Ti的 值。
Ziegler-Nichols参数整定法
特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义 对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。
整定公式：
控制规律
KC
P PI PID
1 Tp
Kp
0.9 1 T p
Kp
1 .2 1 T p
Kp
TI
3.3 2.0
TD
0.5
响应曲线法举例
u5%
(比例度δ应减少10-20%)。微分作用D 可以克服容滞后，但对时滞毫无作用。微分 时间Td越大，微分作用越强， Td=0无微分 作用。
PID控制器参数整定的基本原则
1.控制系统稳定的静态条件是系统总开环放 大系数K恒定 即：K=KcKvKpKm为常数
注意： 当测量与变送器的量程变化，控制阀门口径改 变，Km,Kv改变，可调整Kc使K恒定。对于 过程非线性，可调整流量特性来补偿。
工业PID控制器的选择
被控参数 控制器 备注 温度/成分 PID *1 流量/压力 PI 液位/料位 P
*1：当工业对象具 有较大的滞后时， 可引入微分作用； 但如果测量噪声较 大，则应先对测量 信号进行一阶或平 均滤波。
PID工程整定法1-经验法
工程整定法2-临界比例度法
（1）先将切除PID控制器中的积分与微分作用， 取比例增益KC较小值，并投入闭环运行；
过程控制系统 PID控制器的参数整定
内容回顾
单回路控制系统的组成
本章基本要求
重点：
掌握PID控制规律的选取原则; 掌握单回路PID控制器的参数整定方法; 了解PID控制器的“防积分饱和”技术。
PID控制器的基本原理
比例度
Kc对控制系统性能的影响
Kc对控制系统性能的影响
Ti对控制系统性能的影响
问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调 节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消 除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于 积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少， 直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调 范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系 统才能恢复正常。
控制器的正反作用
PID控制器的物理意义讨论
对于一般的自衡过程，当设定值或扰动发生阶 路变化时，为什么采用纯比例控制器会存在稳 态余差？
引入积分作用的目的是什么，为什么引入积分 作用会降低闭环控制系统的稳定性？
引入微分作用的目的是什么，为什么实际工业 过程中应用并不多？
PID参数对控制性能的影响
PID控制器参数整定的基本原则（续）
2.最基本的控制作用是比例作用，它的整定方法： 先调整Kc，再调Ti、Td 先设置Ti、Td，再调Kc
3.积分作用能消除余差，但使系统稳定性变差。
4.微分作用能消除高阶对象过渡滞后的影响
PID控制器参数整定的基本原则（续）
5.控制品质中,稳定性是最基本的性能
一个可调的控制器参数，只能满足一个品质指标. 对于PI控制器,常取满足衰减比要求的Kc/Ti中最 大的一组Kc和Ti。
比例作用P引入积分作用I后，可以消除余 差。但是幅值增加，相位滞后，使稳定性裕 度下降，为保持同样稳定性裕度， Kc应减 少10-20%(比例度δ应增加10-20%)。 积分时间Ti越短，积分作用越强， Ti趋向无 穷大时无积分作用。应防积分饱和。
PID控制器的作用(续)
比例作用P引入适当微分作用D后，幅值增 加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保持 同样稳定性裕度， Kc应增加10-20%