浙大工业过程控制--4.PID控制器的参数整定及其应用.ppt

2019/7/22,工业过程控制,PID控制器的 参数整定与应用问题,戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所,2019/7/22,工业过程控制,上一讲内容回顾,讨论仿真系统SimuLink的使用方法; 介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则； 描述了单回路系统的常用性能指标； 通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。,2019/7/22,工业过程控制,控制器的“正反作用”选择,问题: 如何选择控制阀的 “气开气关”？ 如何选择温度控制器的正反作用，以使闭环系统为负反馈系统？,2019/7/22,工业过程控制,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？,2019/7/22,工业过程控制,本讲基本要求,了解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”与“无扰动切换”技术, 了解PID参数的自整定方法。,2019/7/22,工业过程控制,控制器增益 Kc或比例度 增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降； 积分时间Ti 积分作用的增强（即Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降； 微分时间Td 微分作用增强（即Td 增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。,PID参数对控制性能的影响,2019/7/22,工业过程控制,工业PID控制器的选择,*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。,讨论： 选择原则分析。,2019/7/22,工业过程控制,PID工程整定法1-经验法,针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。 （具体整定参数原则见 p.65 表5.3-1）,2019/7/22,工业过程控制,工程整定法2-临界比例度法,步骤：（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； （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。,2019/7/22,工业过程控制,单回路PID参数整定仿真举例,SimuLink仿真程序参见PIDControlPIDLoop.mdl）,2019/7/22,工业过程控制,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。,2019/7/22,工业过程控制,“广义对象”动态特性的 阶跃响应测试法*,典型自衡工业对象 的阶跃响应,对象的近似模型：,对应参数见左图，而增益为：,ymin, ymax为CV的测量范围； umin, umax为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。,2019/7/22,工业过程控制,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：,2019/7/22,工业过程控制,响应曲线法举例,SimuLink仿真程序参见PIDControl PIDLoop.mdl） 假设测量范围为200 400 , K = 1.75, T = 10 min, = 7 min. Kc = 0.8, Ti = 14 min, Td = 3.5 min.,2019/7/22,工业过程控制,响应曲线法举例（续）,2019/7/22,工业过程控制,对于无显著纯滞后的自衡对象 PID参数整定法（1/4准则）*,特点：适合于纯滞后不显著的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为 “S” 型曲线。 初始整定参数：,Ts 为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。,参数调整：将上述PID控制器投入“Auto” （自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢且无超调，则适当加大KC，例如增大到原来的两倍；反之，则减小KC值。,2019/7/22,工业过程控制,响应曲线1/4准则法举例,SimuLink 仿真程序参见 PIDControl PIDLoop.mdl,2019/7/22,工业过程控制,单回路系统的“积分饱和”问题,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。,2019/7/22,工业过程控制,单回路系统积分饱和现象举例,单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施） (参见模型/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl),2019/7/22,工业过程控制,单回路系统积分饱和仿真结果,2019/7/22,工业过程控制,单回路系统的防积分饱和原理,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。,2019/7/22,工业过程控制,单回路系统的抗积分饱和举例,(仿真模型参见/PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl),2019/7/22,工业过程控制,手自动无扰动切换问题与实现,实现方式： 在Auto （自动）状态，使手操器输出等于调节器的输出；而在Man（手动）时，使调节器输出等于手操器的输出；,2019/7/22,工业过程控制,继电器型PID自整定器原理,2019/7/22,工业过程控制,具有继电器型非线性控制系统,问题：如何分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件 ？,2019/7/22,工业过程控制,继电器输入输出信号分析,2019/7/22,工业过程控制,周期信号的Fourier级数展开,一个以T为周期的函数f (t)可以展开为,对齐次函数, 有,假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为,2019/7/22,工业过程控制,继电器型控制系统等幅振荡条件,对于没有滞环的继电器非线性环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为a，则对继电器输入输出的一次谐波，其增益为,闭环继电系统临界稳定条件：,对于继电器控制器而言，其临界增益为：,临界振荡周期为 Tcr。再由临界比例度法自动确定PID参数.,2019/7/22,工业过程控制,继电器型PID自整定举例,具体参见 /PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl,2019/7/22,工业过程控制,结 论,讨论了PID控制规律的选取原则, 详细分析了单回路PID参数整定方法, 介绍了PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术, 分析了继电器型PID参数自整定原理。,2019/7/22,工业过程控制,练习题,对于题图5-1（ p. 68 ）所示的加热炉出口温度控制系统，假设变送器量程为200 300。试回答以下问题并说明理由： （1）燃料控制阀选用“气开”阀还是