自动控制原理与系统PID调节器PPT课件

自动控制原理与系统,项目二PID调节器,1,.,P比例作用I积分作用D微分作用组合方式：P、PI、PD、PID,前导知识,比例控制原理,控制器的输出与偏差信号输入成比例关系,常见的比例环节,比例控制特点,一是动作快，控制器输出几乎与偏差信号同时发生二是有差控制，系统从一个稳定的状态达到另一个稳定的状态（因为调节机构的位移u与被控量的偏差e有一一对应的关系）,比例（P）控制实例：浮子水位控制,比例（P）控制实例：浮子水位控制,单纯的比例控制器并不能保证温度完全达到期望的温度值，通过反馈调节虽然可以使偏差减小，但是没有办法使偏差最终消除。结构最简单，只有一个可调节参数，就是比例系数。如果设置过大，会调节过头，容易引起系统输出的振荡；反之，如果比例系数过小，调节作用太弱，系统变化过于缓慢。,单纯的比例控制器特点,KP为比例增益，表征比例控制作用的强弱程度。,比例控制规律对控制过程的影响,比例度,越大，比例控制作用越弱，越小，比例控制作用越强。,一般表达式：,单元组合仪表中有,比例度(1/Kp)对控制过程的影响,比例度的选择原则:若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。,积分控制原理,Ti积分常数，表示积分速度的大小和积分作用的强弱。,常见的积分环节,积分控制特点,无差控制：只要有偏差存在，控制器就会一直调整输出，直到偏差为0动作过程慢，相当于增加了一个滞后环节，调节过程变慢对系统稳定性不利不单独使用，一般与比例控制配合组成PI调节器，相当于粗调和细调结合的过程。,人工操作中的积分控制过程,温度,热量,偏差,控制电压,积分控制的阶跃响应曲线,TI小,TI大,比例积分（PI）控制特点,无差控制比例控制为主积分控制为辅（仅用于消除稳态误差）比例、积分作用的参数要相互配合,比例积分（PI）对控制过程的影响,积分常数越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。,积分时间Ti的定义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。,积分时间常数(Ti)对控制过程的影响,在同样比例度下，积分时间Ti过大时积分作用不明显，余差消除也慢；Ti较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。,积分饱和,积分饱和,定义：由于某种原因（阀门关闭、泵故障等），被调量的偏差一时无法消除，然而控制器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，控制器的输出将达到某个限制值并停留在该值上，这种情况称为积分饱和。经常发生在间歇过程的控制中。抗积分饱和措施：限幅法；积分切除法。,理想微分环节方框图及响应曲线,理想微分控制器,在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。,e,t0,t0,t,t,微分（D）对控制过程的影响,微分时间,u,输出变化量与输入偏差的变化速度成正比。,理想微分控制器,在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。,e,t0,t0,t,t,微分（D）对控制过程的影响,微分时间,u,输出变化量与输入偏差的变化速度成正比。,理想PD控制器,比例微分（PD）对控制过程的影响,比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间d成正比。微分时间越长，微分作用越强。,比例微分（PD）调节器,减小被调量的动态偏差，缩短调节时间。有超前作用，使偏差消失于萌芽中，提供系统稳定性的作用。,微分时间常数(Td)对控制过程的影响,比例微分（PD）对控制过程的影响,优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。不足：不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。PD控制一般总是以比例动作为主微分动作为辅。,比例作用（P）,比例积分作用（PI）,比例微分作用（PD）,比例积分微分作用（PID）,KP控制器的比例增益；TI控制器的积分时间；TD控制器的微分时间,控制规律的表示形式,各种调节方法的输出特性曲线,积分调节,比例积分调节,微分调节,比例微分调节,比例积分微分（PID）调节器,在偏差开始出现的初期，微分作用起主要作用，以阻止或防止大偏差的出现；随着偏差与控制作用的持续，微分作用逐渐消失，积分作用逐渐增强，以减少或消除最后的余差；在偏差产生、持续、消减全过程中，比例始终参与控制，起到减小偏差的主要作用。,比例积分微分（PID）控制规律,PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，从控制效果看，是比较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响应曲线的叠加。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。,比例积分微分（PID）控制对控制过程的影响,各种调节规律的特性比较,。,（1）无控制，输出有较大偏差。,（2）比例,偏差稳定后，输出有固定静差。,（3）比例+积分,偏差稳定后，输出无限制地消除静差。,（4）比例+积分+微分,能够快速跟踪偏差的变化，消除稳定误差。,自动控制原理与系统,项目三基于PID调节的温度控制系统,任务3PID参数工程整定方法,34,.,PID参数工程整定方法,临界比例度法（稳定边界法）衰减曲线法经验法,PID参数整定方法临界比例度法,PID参数整定方法衰减曲线法,4:1衰减过程曲线,PID参数整定方法衰减曲线法,10:1衰减过程曲线,经验法是根据控制对象的大致特点，将控制器的整定参数根据经验设置在某一数值上，使系统投入运行，反复凑试参数，观察曲线变化，直到达到满意的过程曲线为止。,PID参数整定方法经验凑试法,温度：容量滞后较大，一般积分时间较大常用PID调节规律。流量：滞后很小，时间常数小，测量信号中杂有噪音用PI调节规律，比例度要大，积分时间可短些。压力：介质为液体的滞后较小，介质为气体时的滞后中等用P或PI调节规律。液位：滞后不大，一般控制要求不高用P或PI调节规律，比例度也要大。,PID参数整定方法经验凑试法,PID参数整定方法经验凑试法,PID参数整定方法经验凑试法,参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢，微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低四比一一看二调多分析，调节质量不会低,自动控制原理与系统,项目三基于PID调节的温度控制系统,任务4智能控制方法,43,.,智能控制,智能控制概念：综合运用自动控制、人工智能、系统科学等理论和方法，以信息技术为依托，最大程度地效仿人的智能，实现对复杂系统的控制。智能控制发展：1967年首次使用“智能控制”一词；70年代初步探索；80年代加快发展，应用于机器人控制、工作生产控制、家用电器等领域；90年代以后，研究形成高潮，应用面迅速发展到军事、交通、电力、汽车、建筑等多个领域。,智能控制和常规控制的比较,常规控制系统有成熟的控制理论进行性能分析，而智能控制系统尚未建立完善的理论体系，仍处于“方法”层面，还没上升到“理论”层面；智能控制规则的制定更多地基于人的直觉和经验，而不是某个理论体系；智能控制在很多情况下确实行之有效，具有常规控制无法比拟的优越性，特别是受控系统及所处环境都比较复杂时。,智能控制分类,专家控制；模糊控制；神经网络控制；学习控制；遗传算法；进化控制；基于规则的仿人智能控制；多级递阶智能控制,专家控制,专家控制：将专家或现场操作人员的知识和经验总结成知识库，形成很多条规则，并利用计算机，通过推理来实现控制。专家系统主要由知识库、数据库、推理机、解释机制、知识获取5个部分组成,专家控制,水温很低，则控制量最大；水温很高，则控制量最小；水温较低且没有上升，则控制量很大；水温较低且缓慢上升，则控制量较大；水温较低且较快上升，则控制量中等。偏差e、偏差变化率e控制量u,模糊控制模糊集合与隶属度函数,模糊控制,模糊控制误差e和控制量u的模糊化,模糊控制e=1.8时的模糊推理过程和结果,模糊控制e=1.8时推理结果的清晰化,模糊控制,无需建立精确的数学模型，依据操作人员经验和操作数据，实质上也是一种特殊的专家控制；各环节采用“离散”方式；查询表（e、eu）；模糊控制器常常和PID控制结合，动态调节过程中采用模糊控制，而接近稳态时切换到PID控制。,神经网络控制,专家控制和模糊控制都是在宏观的外在功能上模仿大脑的分析和决策作用，而神经网络控制则是基于人脑神经组织的结构来模拟人脑的生理作用；单个神经元结构和功能都很简单，但大量的神经元结合在一起却可以做复杂的事情；现在主要利用其所具有的强大学习能力，逐步逼近任意复杂的输入/输出特性，应用于很多领域。,神经网络控制常见人工神经元模型,xi输入信号；y输出信号;wi连接权系数（权值）；阈值，一般为0,神经网络控制人工神经元的学习原理,K第k次学习；i学习速率;i（k）学习信号,