PID控制器及參數(shù)調節(jié)

1、2022-5-311王卓房間：A樓608電話：3873E-mail：2022-5-312常見PID算法PID控制器工業(yè)規(guī)范PID控制器參數(shù)調節(jié)PID參數(shù)調節(jié)商業(yè)化產品作業(yè)2022-5-313PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。理想PID算式： ( )1( )(1)( )ccdiU sG sKT sE sT s)()(1)()(dttdeTdtteTteKtudic2022-5-314PID離散近似： )()(ieTdttessTkeked

2、ttde) 1()()(2022-5-315位置式 PID： )1()()()()1()()()()(kekeKieKkeKkekeTTKieTTKkeKkuDIcsdciscc2022-5-316增量式PID： )2() 1(2)()()() 1()()(kekekeTTKkeTTKkeKkukukusdciscc) 1()()(kekeke2022-5-317速度型（增量輸出與采樣周期之比）PID： 2( )( )( )( ) ( )2( (1)(2)sccdcsisu kV kTKK Te kKe ke ke ke kTTT2022-5-318積分分離 PID： aake)(取消積分作用

3、引入積分作用2022-5-319帶不靈敏區(qū)的PID： BkewhenBkewhenkuku)()(0)()(2022-5-3110微分先行 PID： )2() 1(2)()()()(kykykyTTKkeTTKkeKkusdciscc2022-5-3111 傳統(tǒng)PID控制器根據(jù)偏差決定控制信號，然后控制信號輸出作用到過程。這類控制器產生的控制作用是偏差的函數(shù)，它跟蹤設定值的能力強，但克服擾動影響的性能差！ 在微分先行PID控制器中，微分控制分量是過程輸出的函數(shù)，這樣在改變設定值時，控制器的輸出不至于有太大的劇變。 為了使克服擾動的性能更強，有人提出除積分分量外都是y的函數(shù) 二自由度 PID20

4、22-5-3112二自由度 PID： bP+I+cDG(s)(1-b)P+(1-c)D+r+-+uyb和c可在01范圍內調整。當b=1，c=1時，就成為單純PID；當b=0，c=0時，成為I-PD控制器；當b=1，c=0時，就成為PI-D控制器，或稱微分先行PID。 2022-5-3113二自由度 PID： )()1 ()()1()(1)()(1)()()()(00dttdyTctybKdtdecTdtteTtbeKdtdeTdtteTeKtutututudcDdticDdtipcDIPybyesPPycyesPD)(teyyesPI2022-5-3114 PID控制器為無單位設備 算法類型（

5、要求位置式算法，不要增量式）： 串行 并行 )1)(11 ()()(DsIsKsesmc)11 ()()(DsIsKsesmc2022-5-3115 采樣與采樣時間：采樣頻率高于10Hz，并在采樣周期內取平均值 比例帶P或增益KcKc=100/P0.01100 P=100/Kc 110000 2022-5-3116 積分（應用于偏差）：I: 0.0021000分鐘必須考慮抗積分飽和 比例帶P或增益Kc微分動作（應用于過程變量）與濾波器：D: 0500分鐘 應同時插入濾波器，濾波器時間常數(shù)通常為微分時間的1/81/102022-5-3117外給定SP1人工設置SP0SP+ePIDU(n)手操手動

6、自動對象PVPV-2022-5-3118 死區(qū)補償：通過在積分反饋路徑上插入死區(qū)功能塊 死區(qū)時間：0500分鐘 手動自動無擾切換（bumpless transfer） 2022-5-3119調節(jié)目標 ：設定值跟蹤（操作條件變化）抑制擾動（擾動不確定性）1. 魯棒性（針對模型失配）性能指標 ：單項1）衰減比；2）超調量；3）上升時間；4）穩(wěn)定時間；5）靜差 1. 綜合1）ISE；2）IAE；3）ITAE 2022-5-3120動機 ：不同的參數(shù)設定影響控制效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性2022-5-3121使用的模型： 一階慣性環(huán)節(jié) 一階慣性環(huán)節(jié) 死區(qū) 一階慣性環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié) 二階慣性環(huán)節(jié) 二階慣性環(huán)節(jié)死區(qū)

7、二階慣性環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié) 1. 其他2022-5-3122方法 ：頻域法時域法智能方法1. 經(jīng)驗法2022-5-3123 原理 以圖和幅值閾度和相位閾度說明 daaN41 Im G(j) Re G(j) 90 270 c 2022-5-31242022-5-3125ku臨界比例帶法(Z-N, Ziegler-Nichols) ： 臨界比例帶：當只有比例常數(shù)P，增大P至輸出等幅振蕩 此時 臨界增益 = P 并觀察到振蕩周期 KTc2022-5-3126臨界比例帶法(Z-N, Ziegler-Nichols) ：KpTiTdPID0.6Ku0.5Tc0.125TcPI0.45Ku0.85TcP0.5K

8、u2022-5-3127改進Z-N方法：需要更多先驗知識：Z-N方法只需要Ku和Tu，而改進Z-N方法還需要知道過程的K，T和tau 1)(TSKdossG2022-5-3128改進Z-N方法：規(guī)范化時滯時間：規(guī)范化過程增益：k，近似用表示： T43713112k2022-5-3129在改進Z-N方法，實際PID算式的設定值項增加了加權系數(shù)，可寫為： dtdyTdtteTtytrKtufdtic0)(1)()()()()()(tytrte為加權因子，一般取0 1，當1時即為標準的PID結構。的引入給系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)提供了一個調整零點的途徑，這樣就可以影響超調量。 2022-5-3130改進Z

9、-N方法參數(shù)計算：當2.25 k 15時，已經(jīng)不起多大作用，這時的過程對象實際就是低階系統(tǒng) 1515kk36275k對應超調：10%對應超調：20%2022-5-3131改進Z-N方法參數(shù)計算：當1.5 k 2.25時，小于1的仍然需要，并且PID控制器中的積分時間常數(shù) 需要修正 1. 針對PI控制器，當1.2 k 15時，一般加權因子1，但控制器的參數(shù)需要修正如下 817491kTiTTic 05 .49kkkkkpu56121514TTkic1541512022-5-3132改進Z-N方法步驟： 取廣義對象為標準形式： 按Z-N方法求出Ku和Tu 計算RZN方法的兩個特性參數(shù)k和1.按不同

10、范圍取整定公式 T43713112k2022-5-3133口訣： 整定參數(shù)尋最佳，從小到大依次查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例帶盤要放大；曲線飄浮繞大彎，比例帶盤往小扳。曲線偏離恢復慢，積分時間往下降；曲線波動周期長，積分時間再加長；過渡時間要加速，微分時間要加長，微分時間不宜小，太大反而要惡化；理想曲線兩個波，調節(jié)質量可認可。 經(jīng)驗公式： iDiTTT31912022-5-3134 基于模糊理論的方法 基于專家系統(tǒng)的方法 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的方法 基于遺傳算法的方法2022-5-3135自整定過程三個步驟 ：過程擾動的產生；擾動響應的評估；1. 控制器參數(shù)的計算。 自整定方

11、法分類 ：基于頻域的自整定方法基于時域的整定方法1. 智能整定方法 2022-5-3136梆梆控制PID參數(shù)自整定 ： 1)(TSKdossG2022-5-3137梆梆控制PID參數(shù)自整定 ： Rtytcc95. 0)()()0()1 (0)(/ )(cTtmzxttteKUtyP切換時間 ：cttandtyt00)()max(2022-5-3138梆梆控制PID參數(shù)自整定辨識算法 ： (),iiBciByyttttt0),.,2 , 1(,0,)(max0nittTyKtUdttySBiPiitii寫成矩陣形式為 SBX ，其中： TPTKX TnnyyytUtUtUB.21max2max1

12、maxnSSSS.212022-5-3139梆梆控制PID參數(shù)自整定辨識算法 ： 最小二乘最優(yōu)解： SBBBXTT1)(BBQT設 SBWT)(21nnnnnnnnnbdafeabbdWQX)()(2nnnnnnnbdafbedK)()(2nnnnnnnPbdafaebT，有 則 2022-5-3140梆梆控制PID參數(shù)自整定辨識算法 ： 遞推算法： 00000000fedbaStTttii1TySSiii122max1iiitUaaiiiityUbbmax121iiiyddiiiiStUeemax1iiiiSyff1T為采樣周期2022-5-3141梆梆控制PID參數(shù)自整定辨識算法 ： 參數(shù)

13、整定： delta = Kp*(0.1237 + 0.4325*(tau/Tp - 0.1);/比例帶Ti = Tp*(0.2226 + 0.8388*( tau /Tp - 0.1);/ResetTd = Tp*(0.0417 + 0.3317*( tau /Tp - 0.1);/Rate 2022-5-3142 80年代開始出現(xiàn)商業(yè)化產品, 原因是一方面近年來的微電子技術的發(fā)展使得加入自整定所需要代碼的成本趨于合理；大專院校在自整定方面的研究興趣也才剛剛開始，大多數(shù)學者以前把主要精力都投入到相關的、但卻比較困難的自適應控制上。 2022-5-3143國際上已經(jīng)出現(xiàn)許多商業(yè)產品：Foxbor

14、o EXACT (760/761)，它采用階躍響應分析和模式識別技術再加上啟發(fā)式規(guī)則進行參數(shù)調整； Alfa Laval Automation ECA400控制器，它采用繼電反饋和基于模型的整定方法； Honeywell UDC6000控制器，它采用階躍響應分析和一個規(guī)則庫來調整參數(shù)； Yokogawa SLPC-181/281，它采用階躍響應分析和基于模型的整定方法。2022-5-3144國際上已經(jīng)出現(xiàn)許多商業(yè)產品：Intelligent Tuner，它是Fisher-Rosemount公司用在分散控制系統(tǒng)中的一個軟件包；Looptune，它是Honeywell公司DCS系統(tǒng)TDC3000

15、中的整定軟件包；DCS Tuner，它是ABB Master系統(tǒng)中整定控制器的一個軟件包。ExperTune，獨立PID參數(shù)調節(jié)軟件包InTune,ControlSoft產品，并被多家DCS廠商OEM 2022-5-3145 Ym(t) =max R(t) u(t) y(t) PID 對 象 模 型 相關系 數(shù) PID 最優(yōu)設計 2022-5-3146 軟件功能概述：軟件功能概述： OPC client與現(xiàn)場的與現(xiàn)場的OPC Server通過通信；通過通信； 數(shù)據(jù)處理、離線辨識、控制器設計算法設計；數(shù)據(jù)處理、離線辨識、控制器設計算法設計； 在線繼電器整定試驗和階越響應試驗；在線繼電器整定試驗和階越響應試驗；