PID控制的原理和特点.docx
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PID控制的原理和特点
1、PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2、PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligentregulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器（PLC）是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
1、开环控制系统
开环控制系统（open-loopcontrolsystem）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输出没有影响。
在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2、闭环控制系统
闭环控制系统（closed-loopcontrolsystem）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（NegativeFeedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子很多。
比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。
如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。
另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。
3、阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入（stepfunction）加到系统上时，系统的输出。
稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。
控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性（stability），一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来（Steady-stateerror）描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。
4、PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
5、PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。
对于温度系统：
P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3
对于流量系统：
P（%）40--100，I（分）0.1--1
对于压力系统：
P（%）30--70，I（分）0.4--3
对于液位系统：
P（%）20--80，I（分）1--5
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，比例度盘要放大
曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳
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
管道和仪表流程图又称为P&ID，是PIPINGANDINSTRUMENTATIONDIAGRAM的缩写。
P&ID的设计是在PFD的基础上完成的。
它是化工厂的工程设计中从工艺流程到工程施工设计的重要工序，是工厂安装设计的依据。
化工工程的设计，从工艺包、基础设计到详细设计中的大部分阶段，P&ID都是化工工艺及工艺系统专业的设计中心，其他专业（设备、机泵、仪表、电气、管道、土建、安全等）都在为实现P&ID里的设计要求而工作。
广义的P&ID可分为工艺管道和仪表流程图（即通常意义的P&ID）和公用工程管道和仪表流程图（即UID）两大类。
由于P&ID的设计千变万化，对同一工艺流程的装置，也可以因为外界因素的影响（如用户要求、地理环境的差异、以及操作人员的经验不同等），需要在设计P&ID时作出相应对策，再加上设计者不同的处理方法，因而同一工艺流程在不同的工程项目中，其P&ID不可能完全相同，但也不会有太大的差异。
P&ID通常有6~8版，视工程需要而定。
一套完整的P&ID及UID清楚地标出工艺流程对工厂安装设计中的所有要求，包括所有的设备、配管、仪表等方面的内容和数据。
下面，对P&ID及UID的设计进行简单介绍。
一. P&ID的设计
1.P&ID的设计内容
P&ID的设计应包括下列内容。
1.1 设备
（1）设备的名称和位号。
每台设备包括备用设备，都必须标示出来。
对于扩建、改建项目，已有设备要用细实线表示，并用文字注明。
（2）成套设备
对成套供应的设备（如快装锅炉、冷冻机组、压缩机组等），要用点划线画出成套供应范围的框线，并加标注。
通常在此范围内的所有附属设备位号后都要带后缀“X”以示这部分设备随主机供应，不需另外订货。
（3）设备位号和设备规格
P&ID上应注明设备位号和设备的主要规格和设计参数，如泵应注明流量Q和扬程H；容器应注明直径D和长度L；换热器要注出换热面积及设计数据；储罐要注出容积及有关的数据。
和PFD不同的是，P&ID中标注的设备规格和参数是设计值，而PFD标注的是操作数据。
（4）接管与联接方式
管口尺寸、法兰面形式和法兰压力等级均应详细注明。
一般而言，若设备管口的尺寸、法兰面形式和压力等级与相接管道尺寸、管道等级规定的法兰面形式和压力等级一致，则不需特殊标出；若不一致，须在管口附近加注说明，以免在安装设计时配错法兰。
（5）零部件
为便于理解工艺流程，零部件如与管口相邻的塔盘、塔盘号和塔的其他内件（如挡板、堰、内分离器、加热/冷却盘）都要在P&ID中表示出来。
（6）标高
对安装高度有要求的设备必须标出设备要求的最低标高。
塔和立式容器须标明自地面到塔、容器下切线的实际距离或标高；卧式容器应标明容器内底部标高或到地面的实际距离。
（7）驱动装置
泵、风机和压缩机的驱动装置要注明驱动机类型，有时还要标出驱动机功率。
（8）排放要求
P&ID应注明容器、塔、换热器等设备和管道的放空、放净去向，如排放到大气、泄压系统、干气系统或湿气系统。
若排往下水道，要分别注明排往生活污水、雨水或含油污水系统。
1.2配管
（1）管道规格
在P&ID中要表示出全部在正常生产、开车、停车、事故维修、取样、备用、再生各种工况下所需要的工艺物料管线和公用工程管线。
所有的管道都要注明管径、管道号、管道等级和介质流向。
管径一般用公称直径（DN）表示，根据工程的要求，也可采用英制（”，英寸）。
若同一根管道上使用了不同等级的材料，应在图上注明管道等级的分界点。
一般在P&ID上管道改变方向处标明介质流向。
（2）间断使用的管道
对间断使用的管道要注明“开车”、“停车”、“正常无流量（NNF）”等字样。
（3）阀件
正常操作时常闭的阀件或需要保证开启或关闭的阀门要注明“常闭（N.C）”、“铅封开（C.S.O）”、“铅封闭（C.S.C）”、“锁开（L.O）”、“锁闭（L.C）”等字样。
所有的阀门（仪表阀门除外）在P&ID上都要示出，并按图例表示出阀门的形式；若阀门尺寸与管道尺寸不一致时，要注明。
阀门的压力等级与管道的压力等级不一致时，要标注清楚；如果压力等级相同，但法兰面的形式不同，也要标明，以免安装设计时配错法兰，导致无法安装。
（4）管道的衔接
管道进出P&ID中，图面的箭头接到哪一张图及相接设备的名称和位号要交待清楚。
以便查找相接的图纸和设备。
（5）两相流管道
两相流管道由于容易产生“塞流”而造成管道振动，因此应在P&ID上注明“两相流”。
（6）管口
开车、停车、试车用的放空口、放净口、蒸汽吹扫口、冲洗口和灭火蒸汽口等，在P&ID上都要清楚地标示出来。
（7）伴热管
蒸汽伴热管、电伴热管、夹套管及保温管等，在P&ID中要清楚地标示出来，但保温厚度和保温材料类别不必示出（可以在管道数据表上查到）。
（8）埋地管道
所有埋地管道应用虚线标示，并标出始末点的位置。
（9）管件
各种管路附件，如补偿器、软管、永久过滤器、临时过滤器、异径管、盲板、疏水器、可拆卸短管、非标准的管件等都要在图上标示出来。
有时还要注明尺寸，工艺要求的管件要标上编号。
（10）取样点
取样点的位置和是否有取样冷却器等都要标出，并注明接管尺寸、编号。
（11）特殊要求
管道坡度、对称布置和液封高度要求等均必须注明。
（12）成套设备接管
P&ID中应标示出和成套供应的设备相接的连结点，并注明设备随带的管道和阀门与工程设计管道的分界点。
工程设计部分必须在P&ID上标示，并与设备供货的图纸一致。
（13）扩建管道与原有管道
扩建管道与已有设备或管道连接时，要注明其分界点。
已有管道用细实线表示。
（14）装置内、外管道
装置内管道与装置外管道连接时，要画“管道连接图”。
并列表标出：
管道号、管径、介质名称；装置内接往某张图、与哪个设备相接；装置外与装置边界的某根管道相接，这根管道从何处来或去何处。
（15）特殊阀件
双阀、旁通阀在P&ID上都要标示清楚。
（16）清焦管道
在反应器的催化剂再生时；须除焦的管道应标注清楚。
1.3仪表与仪表配管
（1）在线仪表
流量计、调节阀等在线仪表的接口尺寸如与管道尺寸不一致时，要注明尺寸。
（2）调节阀
调节阀及其旁通阀要注明尺寸，并标明事故开（FO）或事故关（FC）、是否可以手动等。
我国钢制调节阀阀体的最低压力等级是4x106Pa，而管道的压力等级往往低于4x106Pa，此点在P&ID上要注明，以免法兰配不上。
（3）安全阀/呼吸阀（压力真空释放阀）
要注明连接尺寸和设定压力值。
（4）设备附带仪表
设备上的仪表如果是作为设备附件供应，不须另外订货时，要加标注，该仪表编号可加后缀“X”。
（5）仪表编号
仪表编号和电动、气动讯号的联接不可遗漏，按图例符号规定（leadsheet）编制。
（6）联锁及讯号
联锁及声、光讯号在P&ID上亦要表示清楚。
（7）冲洗、吹扫
仪表的冲洗、吹扫要示出。
（8）成套设备
成套供应设备的供货范围要标明。
对由制造厂成套供货范围内的仪表，要加标注，可在编号后加后缀“X”。
1.4其他
在P&ID中要将特殊的设计及安装要求标示出来，亦可作为注释单独列出，如开/停车联锁、再生要求、仪表与有关的管道阀的安装要求、特殊的专用管件等。
2.P&ID的设计过程
P&ID的设计过程是从无到有、从不完善到完善的过程。
研究P&ID的设计过程，有利于提高其设计质量。
P&ID的设计，必须待工艺流程完全确定后（但不是工艺流程设计完全结束后）才能开始，否则容易造成大返工。
P&ID的设计一般要经过初步条件版、内部审核版、供建设单位批准版、设计版、施工版和竣工版等阶段后才能完成。
2.1初步条件版（0版）
P&ID设计过程中，系统专业需要具备必要的基础资料。
这些资料在P&ID设计初期不可能全部具备，但有了主要部分即可开展工作。
P&ID的0版可以由系统工程师完成。
也可由工艺工程师完成后移交给系统工程师，由系统工程师继续完成后面的一系列工作。
此版P&ID属于工艺包设计的内容。
0版P&ID的主要作用，一是供配管专业进行装置布置和主要管道走向的研究使用；二是供给自控专业完善自控设计。
在此版设计时，P&ID的设计者根据PFD和自己的专业知识进行仪表设计。
关于控制方案，还应听取用户的意见。
P&ID的0版应包括下列内容。
（1）设备
所有的设备（包括备用设备）及它们的名称和位号、驱动机类型。
（2）工艺管道
主要的工艺管道要注明管径和流向（通常1／2”以上），但管道编号可暂不标注。
（3）公用工程管道
与设备相接的公用工程管道应标出管径，蒸汽管要标出蒸汽压力。
（4）间断使用的管道
间断使用的管道要标注其用途（如开工用、停工用、事故处理用等），
（5）管材
管道的材质要求可用管道等级或文字说明（如碳钢、不锈钢）标注；若暂时无条件标注时，可暂不标注；但对合金钢管道和高压管道则一定要注明所用材料。
（6）阀门
管道上的阀门在此阶段要尽量表示出来，并表明常开或常闭状态。
（7）设备的最低标高
对于有标高要求的设备，应标出其最低标高。
（8）泄压系统
应表示清楚安全阀/呼吸阀（压力真空释放阀）出口是排往大气或排往火炬/废料处理系统。
（9）安全阀
要标出主要的安全阀/呼吸阀（压力真空系统释放阀），但并不要求注出尺寸和编号。
（10）调节阀
要画出全部调节阀，但不要求注出尺寸。
（l1）仪表
按照对PFD的理解标出全部仪表（包括检测仪表、控制和联锁仪表，但不必注出仪表编号）。
要用图例符号表明仪表是在DCS或现场的不同位置。
（12）必要的设计说明
自流管道、管道的坡度、液封、布置在某个特定位置上的调节阀组以及排往下水系统的类型（含油污水、雨水或生活污水系统）等均应有相应说明。
对有常开、常闭要求的阀门，图上也应注明。
（13）供货范围
成套供应设备的供货范围要用点划线框出并加标注。
（14）介质流向
管道上要注明介质流向。
（15）指出需要保温和伴热的管道
工艺工程师应在0版P&ID上注明工艺过程对配管材质的要求，并同时提出推荐的初步装置布置图，供配管专业参考。
2.2内部审核版（1版）
在P&ID送给建设单位审核前，要先在设计单位内部进行审核。
各专业接到0版P&ID后，需要再作如下完善。
（1）所有的管道
系统工程师应对P&ID进一步深化，把工艺和公用工程物料管道补全，加上工艺过程所需要的放空和放净管道，并注明管径。
（开车工程师）应在0版图纸上补充说明开车、停车、试压及事故处理的各项要求（然后把图纸送回给系统工程师）。
（2）标注所有管道的管径及伴热、保温要求
系统专业应对管道的管径进行初步的水力计算和保温设计，并在P&ID和管道数据表上注明管径、保温和伴热的初步要求。
一般的管道可根据物料平衡表中的物料流量、推荐流速或允许压力降来选用管径。
但对某些水力计算有特殊要求的管道，则应进行详细的水力计算，其中包括：
塔及反应器的入口管道；泵的吸入管道；制冷管道；往高位输送或长距离输送的液体管道（需校核泵的扬程是否够用）；要求流量均匀分配的对称布置的管道；催化剂管道；液封管道（须校核液封是否会被冲掉或吸入）；提升管道；两相流管道；浆液管道；压缩机吸入或排出管道；塔的回流管道；安全阀的入口和出口管道（控制安全阀入口管道的压降不超过其定压的3%，出口管道须校核安全阀的背压对安全阀定压的影响）；热虹吸再沸器工艺物料的进口管道和出口管道；排向气体回收系统的呼吸阀（压力真空释放阀）的出口管道。
（3）工艺工况
工艺工程师再对P&ID的设计是否符合工艺要求进行详细校核，并注上工艺工况。
（4）加注管道号
系统工程师应在P&ID上加上管道号，编制管道数据表（部分内容由配管材料专业完成）。
（5）标注管道等级
系统工程师根据管道专业配管材料人员制定的管道等级，标注在P&ID上。
对少量暂时还提不出管道等级的管道可暂标出管壁厚度。
（6）加深自控设计内容
仪表专业应对0
升级会员 