PID原理与参数调整ppt课件

1、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

2、。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； 0.2K1.0时可以选择比例微分或积分微分控制,如何获得惯性时间常数和纯滞后时间常数,8,多变量与耦合,多变量指一个控制对象包含了多个输

3、入量和多个输出量。 （例：单入单出、多入单出和多入多出） 耦合是指多个控制输入量引起输出量是非单一的，存在彼此之间的影响。 （例：中间储仓式制粉系统,9,控制器、控制对象、执行机构,控制器指控制算法实现的装置。 执行机构指由控制输出，被其接受能够引起控制对象被调量变化的装置。 控制对象是控制作用实施的对象。 例：温度控制系统、制粉系统,10,测量参数（被调量）、操作变量,测量参数（被调量）指控制的目标量。例如：温度控制中的温度；负荷控制中的负荷。 操作量指为了调节被调量需要控制的量。例如：温度控制中的热风门开度；负荷控制中的给煤量,11,优化,目标值优化：搜索最佳工作点，以满足一定的目标函数最

4、大或最小。搜索方法有模型法，动态搜索法（在线优化）。负荷回路控制即使用目标值优化。 其他优化：有目标函数，按照经验模型或数学模型或预测模型给出最佳输出，以满足目标函数最大或最小,12,参数自适应,当控制对象模型发生改变时，通过对控制性能分析，如果偏离最佳工作点，对控制器参数进行修正，这样做到控制参数适应控制对象的变化而变化，以保证控制性能,13,阶跃响应,时间,r(t,R,单位阶跃 函 数,阶跃信号是最常用系统性能测试信号，控制对象在阶跃信号作用下的输出时间曲线，称为阶跃响应,14,动态与稳态,过程控制系统在运行过程有两种状态，一种是稳态，此时系统没有受到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而

5、被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。另一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者改变了设定值后，原来的稳态遭到了破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态。经过一段时间调整后，如果系统是稳定的，被调量将会重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定平衡工况。这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程,15,过程控制系统的性能指标,评价控制系统的性能指标要根据工业生产过程对控制的要求来制定。这种要求可以概括为稳定性、准确性和快速性。 时域性能指标 频域性能指标 综合性能指标,16,时域性能指标,衰减比和衰减率 最

6、大动态偏差和超调量 参余偏差 调节时间和振荡频率/周期 上升时间,17,闭环控制系统在设定值绕动下的阶跃响应,18,衰减比和衰减率,衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标，它等于两个相邻的同向波峰值之比。 衰减比 =y2/y1 衡量振荡过程衰减程度的另一种指标是衰减率，它是指每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即 衰减率 =(y1-y3)/y1 衰减比与衰减率两者有简单的对应关系，例如衰减比为4：1，衰减率=0.75。为了保证系统的稳定度（鲁棒性），在过程控制中，一般要求衰减比为4：1到10：1，这相当于衰减率为75%到90%。这样，大概经过两个周期后趋于稳态,19,最大动态偏差和超调量

7、,最大动态偏差是指设定值阶跃响应中，过度过程开始后第一个波峰超过其稳态之的幅度。最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分比称为超调量。 最大动态偏差更能直接反映在被调量的生产运行记录曲线上，因此它是控制系统动态准确性的一种衡量指标,20,参余偏差,残余偏差是指过度过程结束后，被调量新的稳态值y（）与新设定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标,21,调节时间,调节时间是从过度过程开始到结束所需的时间。理论上它需要无限长的时间，但一般认为当被调量已进入其稳态值的5%范围内，就算过渡过程已经结束。因此，调节时间就是从绕动开始到被调量进入新稳态值的5%范围内的这段时间，一般用ts表示。 调节

8、时间是衡量控制系统快速型的一个指标,22,振荡频率/周期,23,上升时间,当系统的阶跃响应第一次达到稳态值的时间，称为上升时间，记为tr,24,综合性能指标,25,PID控制原理与数字实现,PID控制是迄今为止最通用的控制方法。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器。至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%。 我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于19151940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控

9、制中,26,PID控制的优点,原理简单，使用方便。 适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感,27,控制系统框图,28,PID算法,KP比例系数； TI积分时间常数； TD微分时间常数,29,PID控制规律,比例作用（P,比例积分作用（PI,比例积分微分作用（PID,30,PID算法的离散化,为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式,31,位置式与增量式PID算法,利用增量型PID控制算法，可得到位置型PID控制算法的递推形式，即,位置型PID算法,32,PID控制参数对

10、控制性能的影响,比例调节（P调节） 积分调节（I调节） 比例积分调节（PI）调节 比例积分微分调节（PID）调节,33,比例调节（P调节,在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例。 u=Kc*e 式中Kc成为比例增益（视情况可设置为正或负）。 上式中的调节器输出u实际上是对其起始值u0的增量。因此当偏差为零因而u=0时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有u= u0。 u0的大小是可以通过调节器的工作点加以改变的。 比例调节的显著特点就是有差调节,34,比例带,在过程控制中习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出之间的关系： U=1/*e 式中称为比例带， 具有重要的物理意义。如果u直

11、接代表调节阀开度的变化量，那么就代表使调节阀开度改变100%，即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。 根据P调节器的输入输出测试数据，很容易确定比例带的大小,35,比例带/比例增益对于调节过程的影响,比例调节的残差随着比例带的增大而增大，从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡，甚至不稳定。 如果残差过大，则需要通过其他途径解决。 很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，调节时间很长。 减小就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，残差相应减小。

12、具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小系统就不稳定了。 的临界值可以通过试验测定出来,36,对于比例调节过程的影响曲线,37,积分调节（I调节,在I调节中，调节器的输出信号变化速度du/dt与偏差信号e成正比，即 du/dt=S0e 或,38,积分调节的特点，无差调节,积分调节是无差调节。只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。 调节器的输出可以停在任何数值上。输出将停在新的位置而不复原位，保持静差为零。对干扰有及时而有力的抑制作用。 采用I调节的控制系统，其输出与当时被调量的数值本身没有直接关系，因此I调节也成为浮动调节。 I调节的稳定作用比P调节

13、差。动作迟缓，动态品质变坏，过渡过程时间延长，甚至造成系统不稳定,39,积分速度对于调节过程的影响,采用I调节时，控制系统的开环增益与积分速度S0成正比，因此，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。 因为S0愈大，则调节的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡。但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。 被调量最后都没有残差，这是I调节的特点,40,积分速度对于调节过程的影响,41,比例积分调节的动作规律,PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。它的调节规律为,式中为比例带，TI为积分时间,42,比例积

14、分调节的动作规律示意图,43,PI调节器的特点,PI调节引入积分动作来消除系统残差好处的同时，降低了原有系统的稳定性。 为了保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大。所以PI调节在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能。 当偏差出现，比例起粗调，积分起细调，直到误差为零。 积分作用除消除系统的余差外，也降低了系统的振荡频率，使响应速度变慢。 KC不变时，减小Ti，积分作用增强，衰减比减小，振荡加剧，超调量增大,44,积分饱和现象,具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停变化。如果由于某种原因（如阀门、泵故障），被调量偏差无法消除，然而调节器还是要

15、试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。进入深度积分饱和的调节器，要等被调量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用,45,抗积分饱和的措施,简单地限制PI调节器的输出在规定的范围内，虽然能缓和积分饱和的影响，但并不能真正解决问题，反而在正常操作中不能消除系统的残差。根本的解决办法还得从比例积分动作规律中去找。 因PI调节器积分部分的输出在偏差长期存在时会超过输出额定值，从而引起积分饱和。因此，必须在调节器内部限制这部分的输出，使得偏差为零时PI调节器的输出在额定值以内。 常用方法：调节器内部实现PI与P的调节动作的自动切换,46

16、,比例积分微分调节（PID调节,微分调节能够根据被调量的变化速度来改变输出，而不要等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，表现出调节器的预见性,偏差变化的瞬间，即产生强烈的调节作用，使偏差尽快的消除。 对静差毫无抑制能力，不能单独使用,47,比例微分调节（PD调节,式中，为比例带，可视情况取正值或负值；TD为微分时间,48,比例微分调节的特性,在斜坡输入条件下，要达到同样的u(t)，PD作用要比单纯P作用快，提前的时间就是Td,49,比例微分调节的特点,在稳态下，de/dt=0，PD调节器的微分部分输出为零，因此PD调节也是有差调节，与P调节相同。 微分调节动作总是力图

17、抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用。 适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带，同时保持衰减率不变。 适度引入微分动作后，由于采用较小的比例带，结果不但减小了残差，而且也减小了短期最大偏差和提高了振荡频率,50,比例微分调节的缺点,微分动作太强容易导致调节阀开度向两端饱和，因此在PD调节中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅助调节作用。 PD调节的抗干扰能力很差，只能应用于被调量的变化非常平稳的过程，一般不用于流量和液位控制系统。 微分调节动作对于纯迟延过程是无效的,51,比例积分微分调节规律,单位阶跃下的PID作用,52,PID作用规律总结,比例作用 Kp增大，系统振荡增强，稳定性

18、下降 Kp增大，系统静差减小，但不能消除静差 Kp无延时环节，快速性好，响应快 积分作用 Ti减小，积分作用增强，可消除静差 Ti减小，系统振荡增强，稳定性下降 有延时环节，快速性下降 微分作用 Td增大，系统振荡减弱，稳定性增强 Td增大，调节时间减小，快速性增强 不能消除系统静差,53,PID控制器类型的选择,控制对象时间常数较大或迟延较大时，应引入微分。（如温度控制） 控制对象时间常数较小，负荷变化不大，而工艺要求无残差时，可以选择比例积分动作。（如压力或流量控制） 控制对象时间常数较小，负荷变化不大，而工艺要求不高时，可以选择比例动作。（如贮罐压力或液位控制） 控制对象时间常数较大或迟

19、延很大时，负荷变化亦很大时，简单的控制系统已不能满足要求,54,PID控制的改进算法-积分分离,一般PID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，将引起系统过量的超调和长时间的波动,积分的主要作用：在控制的后期消除稳态偏差,普通分离算法：大偏差时不积分,采用PID控制 采用PD控制,55,积分分离PID控制算法,积分分离算法的思想是在e(k)较大时，取消积分作用；而在e(k)较小时将积分作用投入。积分分离PID算法可表示为,56,积分分离值的确定原则,不同积分分离值下的系统响应曲线,57,PID控制的改进算法-抗积分饱和,由

20、于控制输出与被控量不是一一对应的，控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态，当需要控制量返回正常值时，无法及时“回头”，使控制品质变差,抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分,当 时，采用PD控制 当 时，采用PD控制 其他情况，正常的PID控制,58,PID控制实现时的常用技巧,输入滤波 输入限幅 输出限幅 防止饱和 无扰切换 带死区的PID控制算法,59,输入滤波,10种软件滤波方法,60,输入限幅,上下限限幅 （也可以在信号滤波中处理） inINmax in=INmax InIn(n-1) In(n)-In(n-1) INmax In(n)=I

21、n(n-1) +INmax In(n)INmax In(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） outoutmax out=outmax outout(n-1) out(n)-out(n-1) outmax out(n)=out(n-1) +outmax out(n)outmax out(n)=out(n-1) -outmax 变化率限幅 out(n)out(n-1)

22、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

23、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

24、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

25、，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

26、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

27、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

28、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