控制系统性能指标与PID控制律.ppt

控制性能指标与PID控制,上一讲内容回顾,了解典型工业过程的动态特性类型； 掌握简单被控过程的机理建模方法； 掌握调节阀“气开、气关”形式.,本讲基本要求,广义对象的概念及动态测试的典型方法； 掌握单回路控制器“正反作用”的选择原则； 掌握单回路控制系统的常用性能指标； 掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系。,讨论,对于如图所示的加热炉温度控制系统，试选择控制阀的“气开-气关”形式，并指出该控制系统的“广义对象”。,“广义对象”的概念,“广义对象” 的特点,特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。,广义对象阶跃响应测试法,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。,广义对象动态特性分类,自衡过程（Self-Regulating Processes） (1) 无振荡的自衡过程 (2) 有振荡的自衡过程 非自衡过程（Non-Self-Regulating Processes） (1) 无振荡的非自衡过程 (2) 有振荡的非自衡过程 (3) 具有反向特性的非自衡过程,无振荡自衡过程模型,无振荡非自衡过程模型,具有反向特性的非自衡过程模型,工业过程控制对象的特点,除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象； 对象动态特性存在不同程度的纯迟延； 对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢； 被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。,控制器的“正反作用”选择问题,问题：如何构成一个负反馈控制系统？,控制器的“正反作用”选择,定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。 选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。选择方法为： （1）假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统； （2）回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。,控制器的作用方向选择：假设检验法,根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即： u Rf。 假设温度控制器为正作用， 即：Tm u；则,结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.,控制器的作用方向选择：回路判别法,回路判别法的要点： （1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数； （2）对控制器而言，“正作用”是指Tm u。,控制性能指标,衰减比,超调量,回复时间,余差,偏差平方值积分,偏差绝对值积分,偏差绝对值与时间乘积的积分,纯比例控制器,控制器增益 Kc或比例度对系统性能的影响：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（当系统稳定时，调节频率提高、余差下降）；,比例增益对控制性能的影响,对一个二阶系统采用纯比例控制得到的结果。图中红线表示设定值，蓝线表示测量值。,比例积分控制器,积分时间Ti 对系统性能的影响 引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，但使控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti 过小），可能使控制系统不稳定。,积分作用对控制性能的影响,对一个二阶系统采用比例积分控制的结果。图中红线表示设定值，蓝线表示测量值。,比例积分微分控制器,微分时间Td 对系统性能的影响 微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲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。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。,其中Ad 为微分增益,实际的微分环节：,微分作用对控制性能的影响,对一个二阶系统采用PID控制得到的结果。图中红线表示设定值，蓝线表示测量值。,控制器增益 Kc或比例度PB 增益 Kc 的增大（或比例度PB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,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。,结论,广义对象以及动态特性的测试方法; 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。,作