浙大工業(yè)過程控制4PID控制器參數(shù)整定及其應(yīng)用-課件

1、PID控制器的參數(shù)整定與應(yīng)用問題戴連奎浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所2022/7/191課件上一講內(nèi)容回顧討論仿真系統(tǒng)SimuLink的使用方法;介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；描述了單回路系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)；通過仿真討論了PID控制律的意義及與控制性能的關(guān)系。2022/7/192課件控制器的“正反作用”選擇問題:如何選擇控制閥的 “氣開氣關(guān)”？如何選擇溫度控制器的正反作用，以使閉環(huán)系統(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)？2022/7/193課件PID控制器的物理意義討論對于一般的自衡過程，當(dāng)設(shè)定值或擾動發(fā)生階路變化時，為什么采用純比例控制器會存在穩(wěn)態(tài)余差？引入積分作用的目的是什么，為什么引入積分作用會降低

2、閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？引入微分作用的目的是什么，為什么實際工業(yè)過程中應(yīng)用并不多？2022/7/194課件本講基本要求了解PID控制規(guī)律的選取原則,掌握單回路PID控制器的參數(shù)整定方法,了解PID控制器的“防積分飽和”與“無擾動切換”技術(shù),了解PID參數(shù)的自整定方法。2022/7/195課件控制器增益 Kc或比例度增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用增強，但穩(wěn)定性下降；積分時間Ti積分作用的增強（即Ti 下降），使系統(tǒng)消除余差的能力加強，但控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；微分時間Td微分作用增強（即Td 增大），可使系統(tǒng)的超前作用增強，穩(wěn)定性得到加強，但對高頻噪聲起放大作用，主要適合于特性

3、滯后較大的廣義對象，如溫度對象等。PID參數(shù)對控制性能的影響2022/7/196課件工業(yè)PID控制器的選擇*1：當(dāng)工業(yè)對象具有較大的滯后時，可引入微分作用；但如果測量噪聲較大，則應(yīng)先對測量信號進(jìn)行一階或平均濾波。討論：選擇原則分析。2022/7/197課件PID工程整定法1-經(jīng)驗法針對被控變量類型的不同，選擇不同的PID參數(shù)初始值，投運后再作調(diào)整。盡管簡單，但即使對于同一類型的被控變量，如溫度系統(tǒng)，其控制通道的動態(tài)特性差別可能很大，因而經(jīng)驗法屬最為“粗糙”的整定法。（具體整定參數(shù)原則見 p.65 表5.3-1）2022/7/198課件工程整定法2-臨界比例度法步驟：（1）先將切除PID控制器中

4、的積分與微分作用，取比例增益KC較小值，并投入閉環(huán)運行；（2）將KC由小到大變化，對應(yīng)于某一KC值作小幅度的設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅振蕩；（3）設(shè)等幅振蕩時振蕩周期為Tcr、控制器增益Kcr ，再根據(jù)控制器類型選擇以下PID參數(shù)?？刂埔?guī)律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr2022/7/199課件單回路PID參數(shù)整定仿真舉例SimuLink仿真程序參見.PIDControlPIDLoop.mdl）2022/7/1910課件工程整定法3-響應(yīng)曲線法*臨界比例度法的局限性：生產(chǎn)過程有時不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無法產(chǎn)生正常操作范圍

5、內(nèi)的等幅振蕩。響應(yīng)曲線法PID參數(shù)整定步驟：（1）在手動狀態(tài)下，改變控制器輸出（通常采用階躍 變化），記錄被控變量的響應(yīng)曲線；（2）由開環(huán)響應(yīng)曲線獲得單位階躍響應(yīng)曲線，并求取 “廣義對象”的近似模型與模型參數(shù)；（3）根據(jù)控制器類型與對象模型，選擇PID參數(shù)并投 入閉環(huán)運行。在運行過程中，可對增益作調(diào)整。2022/7/1911課件“廣義對象”動態(tài)特性的階躍響應(yīng)測試法*典型自衡工業(yè)對象的階躍響應(yīng) 對象的近似模型：對應(yīng)參數(shù)見左圖，而增益為：ymin, ymax為CV的測量范圍；umin, umax為MV的變化范圍，對于閥位開度通常用0100%表示。2022/7/1912課件Ziegler-Nicho

6、ls參數(shù)整定法*特點：適合于存在明顯純滯后的自衡對象，而且廣義對象的階躍響應(yīng)曲線可用“一階+純滯后”來近似。整定公式：2022/7/1913課件響應(yīng)曲線法舉例SimuLink仿真程序參見.PIDControl PIDLoop.mdl）假設(shè)測量范圍為200 400 ,K = 1.75, T = 10 min, = 7 min.Kc = 0.8, Ti = 14 min, Td = 3.5 min.2022/7/1914課件響應(yīng)曲線法舉例（續(xù)）2022/7/1915課件對于無顯著純滯后的自衡對象PID參數(shù)整定法（1/4準(zhǔn)則）*特點：適合于純滯后不顯著的自衡對象，而且廣義對象的階躍響應(yīng)為 “S” 型

7、曲線。初始整定參數(shù)：Ts 為對象開環(huán)階躍響應(yīng)的過渡過程時間。參數(shù)調(diào)整：將上述PID控制器投入“Auto” （自動）方式，并適當(dāng)改變控制回路的設(shè)定值，觀察控制系統(tǒng)跟蹤性能。若響應(yīng)過慢且無超調(diào)，則適當(dāng)加大KC，例如增大到原來的兩倍；反之，則減小KC值。2022/7/1916課件響應(yīng)曲線1/4準(zhǔn)則法舉例SimuLink 仿真程序參見 . PIDControl PIDLoop.mdl2022/7/1917課件單回路系統(tǒng)的“積分飽和”問題問題：當(dāng)存在大的外部擾動時，很有可能出現(xiàn)控制閥調(diào)節(jié)能力不夠的情況，即使控制閥全開或全關(guān)，仍不能消除被控輸出y(t)與設(shè)定值ysp(t)之間的誤差。此時，由于積分作用的存

8、在，使調(diào)節(jié)器輸出u(t)無限制地增大或減少，直至達(dá)到極限值。而當(dāng)擾動恢復(fù)正常時，由于u(t)在可調(diào)范圍以外，不能馬上起調(diào)節(jié)作用；等待一定時間后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常。2022/7/1918課件單回路系統(tǒng)積分飽和現(xiàn)象舉例單回路PID控制系統(tǒng)（無抗積分飽和措施）(參見模型/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl)2022/7/1919課件單回路系統(tǒng)積分飽和仿真結(jié)果2022/7/1920課件單回路系統(tǒng)的防積分飽和原理討論：正常情況為標(biāo)準(zhǔn)的PI控制算法；而當(dāng)出現(xiàn)超限時，自動切除積分作用。2022/7/1921課件單回路系統(tǒng)的抗積分飽和舉例(仿真模型參見/PIDControl/Pid

9、LoopwithAntiInteSatur.mdl)2022/7/1922課件手自動無擾動切換問題與實現(xiàn)實現(xiàn)方式：在Auto （自動）狀態(tài)，使手操器輸出等于調(diào)節(jié)器的輸出；而在Man（手動）時，使調(diào)節(jié)器輸出等于手操器的輸出；2022/7/1923課件繼電器型PID自整定器原理2022/7/1924課件具有繼電器型非線性控制系統(tǒng)問題：如何分析上述非線性系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的條件 ？2022/7/1925課件繼電器輸入輸出信號分析2022/7/1926課件周期信號的Fourier級數(shù)展開一個以T為周期的函數(shù)f (t)可以展開為對齊次函數(shù), 有假設(shè)繼電器的幅值為d，則繼電器輸出的一次諧波為2022/7/1

10、927課件繼電器型控制系統(tǒng)等幅振蕩條件 對于沒有滯環(huán)的繼電器非線性環(huán)節(jié)，假設(shè)該環(huán)節(jié)輸入的一次諧波振幅為a，則對繼電器輸入輸出的一次諧波，其增益為閉環(huán)繼電系統(tǒng)臨界穩(wěn)定條件：對于繼電器控制器而言，其臨界增益為：臨界振蕩周期為 Tcr。再由臨界比例度法自動確定PID參數(shù).2022/7/1928課件繼電器型PID自整定舉例具體參見 /PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl2022/7/1929課件結(jié) 論討論了PID控制規(guī)律的選取原則,詳細(xì)分析了單回路PID參數(shù)整定方法,介紹了PID控制器的“防積分飽和”與“無擾動切換”技術(shù),分析了繼電器型PID參數(shù)自整定原理。2022/7/1930課件練習(xí)題 對于題圖5-1（ p. 68 ）所示的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)，假設(shè)變送器量程為200 300。試回答以下問題并說明理由：（1）燃料控制閥選用“氣開”閥還是“氣關(guān)閥”？（2）溫度控制器該選“正