经典PID原理与参数调整

经典PID原理与参数整定,2,内容,过程控制常见概念过程控制系统的性能指标PID控制原理与数字实现PID控制参数对控制性能的影响PID控制的改进算法PID控制实现时的常用技巧PID参数整定方法采样PI控制原理及参数整定方法PID算法的实现,3,过程控制常见概念,时变系统和时不变系统线性系统和非线性系统大惯性与纯滞后多变量与耦合控制器、控制对象、执行机构测量参数（被调量）、操作变量优化参数自适应阶跃响应动态与稳态,4,时变系统和时不变系统,时不变系统指控制系统参数不随时间的变化而变化。时变系统指控制系统参数随着时间的变化而变化。时变系统是任何控制对象的特点。时不变是理想的、是近似的。在某一时间段内，可以把控制对象近似为时不变系统。,5,线性系统和非线性系统,线性系统指输出随着输入的变化成比例变化。非线性系统是输出的变化与输入的变化是不成比例的。例如：给煤机转速和给煤量的关系。,6,大惯性与纯滞后,大惯性可以理解为系统的状态改变较慢，惯性较大。纯滞后是指在施加控制后，系统状态发生改变的时间滞后与施加控制时间。例如：,T用来表征惯性，用来表征滞后。,7,大惯性与纯滞后,K0.2时可以选择比例或比例积分控制；0.2INmaxIn(n)=In(n-1)+INmaxIn(n)INmaxIn(n)=In(n-1)-INmax变化率限幅In(n)In(n-1)In(n)-In(n-1)/In(n-1)In(n)=In(n-1)*(1+)In(n)In(n)=In(n-1)*(1-),61,输出限幅,上下限限幅（也可以在信号滤波中处理）outoutmaxout=outmaxoutout(n-1)out(n)-out(n-1)outmaxout(n)=out(n-1)+outmaxout(n)outmaxout(n)=out(n-1)-outmax变化率限幅out(n)out(n-1)out(n)-out(n-1)/out(n-1)out(n)=out(n-1)*(1+)out(n)out(n)=out(n-1)*(1-),62,防止饱和,对于增量式MV（out）=MP（比例）+MI（积分）+MD（微分）MV（out）MV（max）MI（积分）=MV（max）-MP（比例）-MD（微分）MV（out）MV（min）MI（积分）=MV（min）-MP（比例）-MD（微分）对于位置式采用输出限幅后，该问题就会直接解决。,63,无扰切换,设置给定值（SPn）=测量变量（PVn）设置测量值（PVn-1）=测量变量（PVn）设置输出值（MX）=手动输出值（Mn）,64,带死区的PID控制算法,带死区的PID控制规律如下：,非线性控制，非线性控制宽度、非线性控制增益。,65,PID参数整定方法,扩充临界比例带法扩充响应曲线法试凑法,66,扩充临界比例带法,扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比例带法（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整定的实验经验方法。按该方法整定PID参数的步骤如下：选择一个足够短的采样周期T，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。逐渐加大比例系数Kp，使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts，并记下此时的比例系数Kp，将其记作临界振荡增益Ks。此时的比例度为临界比例度。选择控制度。根据控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。,67,扩充临界比例带法参数速查表,68,扩充临界比例带法参数速查表（简化）,69,扩充响应曲线法,扩充响应曲线法是一种开环整定方法。如果可以得到被控对象的动态特性曲线，那么就可以与模拟调节系统的整定一样，采用扩充响应曲线法进行数字PID的整定。其步骤如下：（1）断开数字控制器，使系统在手动状态下工作。将被控量调节到给定值附近，当达到平衡时，突然改变给定值，相当给对象施加一个阶跃输入信号。（2）记录被控量在此阶跃作用下的变化过程曲线（即广义对象的飞升特性曲线）。,70,广义对象的飞升特性曲线,71,扩充响应曲线法,（3）根据飞升特性曲线，求得被控对象纯滞后时间和等效惯性时间常数，以及它们的比值。（4）由求得的和以及它们的比，选择某一控制度，查表即可求得数字PID的整定参数的值。（5）按求得的整定参数投入在投运中观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。,72,扩充响应曲线法参数速查表,73,衰减曲线法,选把过程控制系统中调节器参数置成纯比例作用（TI=，TD=0）使系统投入运行。再把比例度从大逐渐调小，直到出现4：1衰减过程曲线。此时的比例度为4：1衰减比例度c，两个相邻波峰间的时间间隔，称为4：1衰退减振荡周期Ts。,74,衰减曲线法,75,衰减曲线法参数速查表,76,试凑法,只采用比例控制，Kp由小变大，若响应时间、超调、静差已达到要求，只采用比例调节即可。若静差不满足，则加入积分控制，将Kp减小，例如取0.8Kp代替Kp，Ti由大到小，反复测试多组的Kp和Ti值，从中确定合适的参数。若动特性不满足，比如超调量过大，或调节时间过长，则加入微分控制，Td由小到大，逐步凑多组PID参数，从中找出一组最佳调节参数。,77,采样周期T的经验数据,78,采样PI控制原理及参数整定方法,采样PI控制原理采样PI控制的类型采样PI的参数整定方法,79,采样PI控制原理,采样PI控制是一种针对大存滞后对象的实用控制算法，因为其控制结构与一般PI控制相似，所以可以看作是PI控制的改进算法。它具有算法容易实现，不需要对系统进行辨识，鲁棒性强的特点，所以适用于工业过程控制。采样PI控制系统结构与一般PI控制系统比较，区别在于控制器的偏差输入受一个周期性开关控制。,80,采样PI控制原理,81,采样PI控制原理,82,采样PI控制的类型,1.保持控制输出不变2.保持积分部分不变,83,采样PI控制的类型比较,保持控制输出不变该方法比例项只有闭环时间较长时有效；可以加快系统的调节速度。保持积分部分不变比例项的作用一直存在；比例项较大容易造成系统波动；抗干扰能力差（假如最后计算时有干扰信号，导致系统不稳定。）所以一般采用采样I控制。,84,比例项在采样PI中控制的作用,85,采样PI的参数整定方法,采样周期的选择闭环时间的选择比例增益的选择积分时间的选择,86,采样周期的选择,采样周期变小时，系统开环时间变短，当采样周期小到，系统即为常规的PI控制。采样周期变大时，系统开环时间变大，如果开环给定不是系统稳定时的控制器输出，就需要多个采样周期系统方可达到稳定，所以随着采样周期的增大，系统过渡时间就会变长。采样PI控制原理是“闭环计算控制器输出，开环进行恒值控制”，其中闭环时间很短，开环时间较长。因为控制作用只能在纯滞后时间后才能起作用，因为在给定控制起作用后一个对象时间常数后达到稳态的63%，三个对象时间常数后达到稳态的95%，所以采样周期一般取,87,闭环时间的选择,Tc一方面决定闭环作用时间，另一方面影响控制器的输出。在采样周期不变时，Tc变大，闭环时间变长，开环时间变短，增大到Ta，系统与常规PI控制闭环控制系统相同。在Tc增大时，输出积分作用增强，容易产生超调和振荡；反之，输出积分作用减弱，系统过渡时间变长。,88,比例增益的选择,比例系数的作用仅在闭环控制时间段，而闭环控制时间很短，所以比例系数对整个控制的作用相对较小，但在闭环控制时间内，过大的比例系数会引起控制量的超调和较大波动，对执行机构容易产生不良的影响，所以一般取值较小，也可以直接取零。,89,积分时间的选择,当积分时间变小时，输出积分作用增强，容易产生超调和振荡；反之，输出积分作用减弱，系统过渡时间变长。控制器的开环阶段输出仅由决定，因此应根据对系统响应过程的要求来确定的大小。例如，对象为，要求经过一个采样周期输出达到稳定值，一个闭环时间后控制输出应为，这时选择采样周期足够大，即，则。,90,PID算法的实现注意问题,输入、设定、输出标准化计算公式中避免过大过小数据,91,PID西门子S7-200,公式采用：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*Ts/Ti*（SPn-PVn）+MX+Kc*Td/Ts*（PVn-1-PVn）,92,PID的组合选择,在许多控制系统中，有必要只应用一种或两种环路控制的方法。例如，可能只需要比例控制或比例积分控制。选择期望的环路控制类型通过设置常量参数的数值来进行。如果不希望积分操作（在PID计算中没有“I”），那么应为积分时间（重设）指定数值无穷大“INF”。即使没有积分操作，积分项的值可能不是零，因为有积分总和MX的初始值。如果不希望微分操作（在PID计算中没有“D”），那么数值0.0应为微分时间（速率）指定。如果不希望比例操作（在PID计算中没有“P”），并且希望I或ID控制，那么应为增益指定数值0.0。因为环路增益是公式中用于计算积分和微分项的一个因子，将环路增益设置为数值0.0将导致在计算积分和微分项时数值1.0用作环路增益。