浙大工业过程控制-2.控制系统性能指标与PID控制律.pptVIP

2020 3 26 工业过程控制 PID反馈控制器 PIDFeedbackControllers 戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所 2020 3 26 工业过程控制 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 形式与流量特性的选择原则 掌握 广义对象 概念及其动态特性的典型测试方法 2020 3 26 工业过程控制 习题2 4讨论 对于如图所示的加热炉温度控制系统 试 1 指出该系统中的被控变量 操纵变量 扰动变量与控制目标 2 画出该系统的方块图 3 选择控制阀的 气开 气关 形式 4 指出该控制系统的 广义对象 及物理意义 2020 3 26 工业过程控制 温度控制系统方块图1 特点 各环节均用实际仪表 设备或装置来表示 被控对象用受控设备来表示 不反映操纵变量 干扰对被控变量的影响关系 2020 3 26 工业过程控制 温度控制系统方块图2 特点 采用传递函数与环节名称混合表示 对象用被控过程的动态特性来表示 2020 3 26 工业过程控制 温度控制系统方块图3 特点 对象用被控过程的动态特性来表示 其中除控制通道外 所有干扰对被控变量的影响只用一个输出扰动来近似 当然 各环节可以只用传递函数来表示 2020 3 26 工业过程控制 广义对象的阶跃响应测试 广义对象 的输入 u 输出为Tm 若机理建模有难度 就可采用常用的响应测试法 2020 3 26 工业过程控制 对象特性的阶跃响应测试 假设温度测量变送器的量程为200 400 对象特性可用以下一阶 纯滞后来表示 试确定其Kp Tp 2020 3 26 工业过程控制 对象特性参数的确定 假设温度测量变送器的量程为200 400 2020 3 26 工业过程控制 本讲基本要求 掌握仿真系统SimuLink的使用方法 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 2020 3 26 工业过程控制 仿真系统SimuLink的使用入门 假设控制输入u t 与干扰输入d t 均为阶跃信号 要求显示输入对被控变量y t 及其测量z t 的动态响应 2020 3 26 工业过程控制 仿真系统SimuLink的使用技巧 熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块 如输入信号 输出显示 传递函数模块 常用数学函数等 掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结 以及Matlab常用的作图方法 掌握子系统的封装技术 包括外观设计 参数设置 注释等 掌握自定义模块的运行机制 设计方法与封装技术 2020 3 26 工业过程控制 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 2020 3 26 工业过程控制 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 2020 3 26 工业过程控制 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 Why 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 2020 3 26 工业过程控制 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 2020 3 26 工业过程控制 控制系统的性能评价 仿真程序见 Simulation PIDControl PControlLoop mdl讨论 如何评价或比较不同控制系统的性能 2020 3 26 工业过程控制 控制系统常用的性能指标 稳态余差 衰减比 振荡周期T 调节时间ts 上升时间tr 峰值时间tp 2020 3 26 工业过程控制 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 最大偏差下降 仿真结果参见 Simulation PIDControl PControlLoop mdl 2020 3 26 工业过程控制 比例增益对控制性能的影响 2020 3 26 工业过程控制 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 仿真结果参见 Simulation PIDControl PILoop mdl 2020 3 26 工业过程控制 积分作用对控制性能的影响 2020 3 26 工业过程控制 理想的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特性一阶滞后较大的广义对象 如温度 成份等 2020 3 26 工业过程控制 微分作用对控制性能的影响 问题 控制作用的变化过大 对噪声敏感 如何克服 2020 3 26 工业过程控制 实际的比例积分微分控制器 其中Ad为微分增益 SimuLink结构 2020 3 26 工业过程控制 PID控制系统仿真举例 仿真结果参见 Simulation PIDControl PIDLoop mdl 2020 3 26 工业过程控制 结论 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 2020 3