PID 控制器PPT课件

1、内容内容过程控制系统性能指标PID控制器PID控制器应用与整定1第1页/共70页过程控制系统性能指标过程控制系统性能指标过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标2第2页/共70页过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标ySPy()BBy0t0t1t2t3n 余差：( )( )speyy n 衰减比：BnBn 振荡周期：n 调节时间（也称过渡过程时间） ts32Ttt什么是最好的系统响应 ?过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标3第3页/共70页控制性能指标控制性能指标02min)(dtteISE偏差绝对值积分0min)(dtteIAE偏差绝对值与时间乘积的积分0( )minITA

2、Et e tdtySPy()BBy0t0t1t2t3偏差平方值积分过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标4第4页/共70页PID控制器控制器PID控制器控制器5第5页/共70页PID 控制器控制器PID控制器控制器6第6页/共70页 纯比例控制器纯比例控制器0( )( ),cu tK e tu( )( )( )spme tytytKC 被称为控制器增益。PID控制器控制器7第7页/共70页纯比例控制器纯比例控制器0)()(uteKtucPID控制器控制器8第8页/共70页比例带的概念比例带的概念 定义：比例带是指使控制器输出TO全范围变化所对应的控制误差的比例。100cPBKPID控制器

3、控制器9第9页/共70页增益增益Kc 对控制器输出的影响对控制器输出的影响Kc反映了控制器输出对控制误差的灵敏度PID控制器控制器10第10页/共70页010203040504850525456586062Time, min%TO of Liquid LevelKc = 0.5 Kc = 1.0 Kc = 2.0 Kc = 4.0 P 控制回路的仿真结果控制回路的仿真结果Fi(t) 在10 min 时，从10升/min 阶跃增加至11升/minPID控制器控制器11第11页/共70页比例增益对控制性能的影响比例增益对控制性能的影响 纯比例控制器只有一个可调参数 Kc。其最大问题是总存在不同程度

4、的余差，即CV难以完全跟踪其SP。（为什么 ?） 对于某一给定的阶跃扰动，余差的大小取决于比例增益大小。增益越大，余差越小。 当Kc超过某一临界值，大多数控制系统会变为不稳定。PID控制器控制器12第12页/共70页比例积分比例积分 (PI) 控制器控制器001( )(),tciu tK eedTu)11 ()(sTKsGiccTi 被称为积分时间，单位：min或secondPID控制器控制器13第13页/共70页0102030405060704849505152535455565758Time, min%TO of Liquid LevelP (Kc=1)PI (Kc = 1, Ti = 1

5、0 min)set point PI 控制回路的仿真结果控制回路的仿真结果Fi(t) 在10 min 时，从10升/min 阶跃增加至11升/minPID控制器控制器14第14页/共70页积分作用对控制性能的影响积分作用对控制性能的影响 PI 控制器有两个可整定参数：控制增益（或比例带）与积分时间（或积分速率1/Ti ），其最大的优势是可消除余差。（为什么？） PI 控制器的不足之处在于：由于积分作用的引入，使控制系统的稳定性下降。具体地， 积分时间Ti 越短，积分速率1/Ti 越大，积分作用越强，闭环系统消除余差的速度越快，但控制系统的稳定性越弱。 （原因分析）PID控制器控制器15第15页

6、/共70页积分作用对控制性能的影响积分作用对控制性能的影响积分时间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。PID控制器控制器16第16页/共70页PID（比例（比例-积分积分-微分）控制器微分）控制器001( )( )( ( )(),tcdide tu tKe tedTuTdt1( )(1)ccdiG sKT sTsTd 为微分时间n 理论PID 控制器n 工业 PID 控制器11( )11dccdidT sG sKTTssAAd 被称为微分增益。PID控制器控制器17第17页/共70页

7、理想的比例积分微分控制器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。001)(udtdeTedteKudtTci)11 ()(sTsTKsGdiccPID控制器控制器18第18页/共70页微分作用对控制性能的影响微分作用对控制性能的影响 PID 控制器有三个可整定参数：控制器增益、积分时间与微分时间。微分作用的引入可使控制器具有超前预测作用。 PID 控制器主要适用于具

8、有较长时间常数、且测量噪声较少的慢过程，例如：温度与成分控制回路。对于噪声水平较高的快速过程，例如流量与压力回路，微分作用的引入将放大噪声，因此不宜使用。PID控制器控制器19第19页/共70页01234567891049505152% TO0123456789105060708090Time, min% COTd = 0Td = 2.5 min, Ad = 10Td = 2.5 min, Ad = 20set point Kc = -2, Ti = 10 min 工业工业PID控制器的输入输出响应控制器的输入输出响应20讨论Td、Ad 对控制器输出的响应11( )11dccdidT sG s

9、KTTssAPID控制器控制器第20页/共70页010203040506058596061626364Time, min% TOset point P (Kc =1) PI (Kc =1, Ti = 6 min) PID ( Kc =1, Ti = 6 min, Td = 1.5 min, Ad =10 ) PID控制回路的仿真实验控制回路的仿真实验Ti(t) 在10 min 时，从50 阶跃增加至60 。PID控制器控制器21第21页/共70页 控制器增益 Kc或比例度PB增益增大(即Kc 增大或比例度PB下降)，调节作用增强，但稳定性下降； 积分时间Ti积分作用增强（即Ti 下降），使系统

10、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参数对控制性能的影响PID控制器控制器22第22页/共70页问题讨论问题讨论 如何评价一个控制系统的品质（定性与定量）？ 描述P, PI 与 PID控制器的输入输出动态响应。 对于一般的PID控制器，如何通过改变控制参数使其成为PI或P控制器？ 对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生余差而采用PI控制器能消除余差？ 工业PID控制算法不同于理论PID算法，为什么？

11、为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使用的不多？ PID控制器控制器23/60第23页/共70页PID应用与整定应用与整定PID应用与整定应用与整定24第24页/共70页单回路单回路PID控制系统应用问题控制系统应用问题对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何选择PID控制器形式，并整定PID控制器参数 ?PID应用与整定应用与整定25第25页/共70页PID控制器类型选择控制器类型选择*1: 对于某些具有较长时间常数的慢过程，建议引入微分作用。但若存在较大的测量噪声，需要对测量信号进行一阶滤波或平均滤波分析上述选择原因 ?被控过程控制器类型温度 / 成份PID*1流量 / 压力 /液位

12、PI部分液位PPID应用与整定应用与整定26第26页/共70页PID参数整定的概念参数整定的概念PID应用与整定应用与整定27第27页/共70页经验法经验法针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。（具体整定参数原则见 p.58 表3-2）PID应用与整定应用与整定28第28页/共70页Take a Break!29第29页/共70页基于过程特性参数基于过程特性参数K, T,的的离线参数整定法离线参数整定法 步骤 1：将控制器从“自动”模式切换至“手

13、动”模式（此时控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。 步骤 2：由阶跃响应数据估计特性参数 K, T,。 步骤 3：按经验公式设定 PID参数 Kc、Ti、Td，并将控制器切换至“自动”模式。 步骤 4：根据系统闭环响应情况，增大或减少控制器增益Kc直至满意为止。PID应用与整定应用与整定30第30页/共70页01020304050607080901005456586062%Controller Output01020304050607080901006668707274767880%Transmitter Output离线整定

14、仿真举例离线整定仿真举例步骤步骤 1：阶跃响应测试：阶跃响应测试 See ./PIDControl/PIDLoop.mdlPID应用与整定应用与整定31第31页/共70页01020304050607080901006668707274767880%minTransmitter Output步骤步骤 2：获取过程参数：获取过程参数0632. 0TTtOOOttT283. 0632. 05 . 1,%,%finalinitialfinalinitialTOTOTOKCOCOCOPID应用与整定应用与整定32第32页/共70页步骤步骤 3：获取初始：获取初始PID参数参数(Ziegler-Nicho

15、ls 方法方法)控制器类型KcTiTdP0PI0PID1TK 0.9TK 1.2TK 3.332.00.5注意：上述整定规则仅限于0TPID应用与整定应用与整定33第33页/共70页取值步骤步骤 3：获取初始：获取初始PID参数参数(Lambda 整定整定法法)控制器KcTiTdP0PIT0PIDT/21TK 1TK 1TK 00.2注意：上述整定规则不受/T 取值的限制PID应用与整定应用与整定34第34页/共70页0501001505959.56060.56161.56262.563Time, min%Output of TransmitterZiegler-Nichols methodL

16、ambda tuning methodset point仿真举例仿真举例 #1广义对象特性参数：K = 1.75T = 6.5,= 3.3 min若采用 PI 控制器，Z-N 法：Kc = 1.0, Ti = 11 minLambda 法：Kc = 0.56, Ti = 6.5 minPID应用与整定应用与整定35第35页/共70页0501001502005959.56060.56161.56262.563Time, min%Output of TransmitterZ-N tuningLambda tuningset point仿真举例仿真举例 #2广义对象特性参数：K = 1.75T =

17、6.5,= 6.3 min若采用 PI 控制器，Z-N 法：Kc = 0.53, Ti = 20.8 minLambda 法：Kc = 0.30, Ti = 6.5 minPID应用与整定应用与整定36第36页/共70页PID参数在线整定法参数在线整定法-临界比例度法临界比例度法 步骤 1：将在线闭环运行的控制器，完全去除积分作用与微分作用（Ti =最大值，Td = 0）成为纯比例控制器，并设置较小的 Kc 值。 步骤 2：施加小幅度的设定值或扰动变化， 并观察CV的响应曲线。 步骤 3：若CV 的响应未达到等幅振荡，则增大Kc（减少比例带 PB）；若CV 响应为发散振荡，则减少Kc。重复步骤

18、 2。 步骤 4：重复步骤 3，直至产生等幅振荡。PID应用与整定应用与整定37第37页/共70页01020304050585960616263646566Time, min%Output of Transmitterset point Kc = 0.5 Kc = 1 Kc = 2 Kc = 4 Kc = 3.5 Tu Ti = 6000 min, Td = 0 min 在线整定仿真举例在线整定仿真举例 参见仿真模型 ./PIDControl/PIDLoop.mdlPID应用与整定应用与整定38第38页/共70页在线整定准则：在线整定准则：Ziegler-Nichols 法法控制器KcTiTd

19、P0.5KcuPI0.45KcuTu /1.2PID0.65KcuTu /2Tu /8由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益 Kcu与临界振荡周期 Tu，并按下表得到正常工作下的控制器参数。PID应用与整定应用与整定39第39页/共70页0204060801005960616263%Output of Transmitter020406080100406080100Time, min%Output of Controllerset point Inlet temp. drops 5 Cent. Kcu = 3.4, Tu = 11 min PID: Kc = 2.2, Ti = 5.

20、5 min, Td = 1.4 min 在线整定仿真举例在线整定仿真举例 仿真模型详见 ./PIDControl/PIDLoop.mdlPID应用与整定应用与整定40第40页/共70页继电器型继电器型PID自整定器自整定器继电器调节器对象ATSyspyDPID应用与整定应用与整定41第41页/共70页具有继电器型非线性控制系具有继电器型非线性控制系统统G(s)yspyd-dh-h问题：分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件 ？PID应用与整定应用与整定42第42页/共70页继电器输入输出信号分析继电器输入输出信号分析PID应用与整定应用与整定43第43页/共70页周期信号的周期信号的Fourie

21、r级数展开级数展开一个以T为周期的方波函数f (t)可以展开为1( )sin,nnf tbn t20sin)(4TndttntfTb假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为ddttdTbT4sin4201PID应用与整定应用与整定44第44页/共70页继电器型控制系统等幅振荡条件继电器型控制系统等幅振荡条件对于没有滞环的继电器环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为a，则a为4()udaG j系统产生振荡的条件是：arg()14()uuuG jdKG ja 再由临界比例度法自动确定PID参数.PID应用与整定应用与整定45第45页/共70页在线整定准则：在线整定准则：Ziegler-Nich

22、ols 法法控制器KcTiTdP0.5KuPI0.4Ku0.8Tu PID0.6Ku0.5Tu 0.12Tu 由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益 Ku与临界周期 Tu，并按下表得到正常工作下的控制器参数。PID应用与整定应用与整定46第46页/共70页继电器型继电器型PID自整定举例自整定举例PID应用与整定应用与整定47/60第47页/共70页继电器型继电器型PID自整定举例（续）自整定举例（续）PID应用与整定应用与整定48/60第48页/共70页01020304050585960616263646566Time, min%Output of Transmitterset p

23、oint Kc = 0.5 Kc = 1 Kc = 2 Kc = 4 Kc = 3.5 Tu Ti = 6000 min, Td = 0 min 在线整定法的局限性分析在线整定法的局限性分析PID应用与整定应用与整定49第49页/共70页未知过程的未知过程的PID参数整定举例参数整定举例详见以下Simulink模型： ./PIDControl/PIDTuningforUnknownProcess.mdlPID应用与整定应用与整定50第50页/共70页流量回路的动态特性流量回路的动态特性动态响应的快速性纯滞后时间接近零，即从理论上讲控制器增益可无限大测量噪声大 为减少控制阀的频繁波动，宜采用PI

24、控制器，而且控制增益应小、而积分作用应大（即接近纯积分控制器）（为什么？）PID应用与整定应用与整定51第51页/共70页流量回路的流量回路的PI 控制参数选择控制参数选择00)(1)()(udeTteKtutiCTi 整定原则： Ti = 0.10min or Ti = 0.05minKc 整定原则： 控制增益可人工调整，但对于设定值的阶跃变化，实际流量不应出现超调。.PID应用与整定应用与整定52第52页/共70页0204060801004550556065%Output of Transmitter0204060801000204060Time, min%Output of Contro

25、llerKc = 4, Ti =2 minKc = 1, Ti = 0.5 min流量回路整定仿真举例流量回路整定仿真举例 详见仿真模型 . /FlowLoop.mdl请比较控制器的比例增益与积分增益PID应用与整定应用与整定53第53页/共70页分析下列液位控制问题的不同点分析下列液位控制问题的不同点PID应用与整定应用与整定54第54页/共70页 液位回路的动态特性液位回路的动态特性不少液位对象为非自衡的积分过程，无法进行阶跃响应测试。 当进料流量变化为主要扰动时，对于液位控制回路，可能存在两种不同的控制目标 (1) 常规液位控制，也称“紧液位控制”；(2) 液位均匀控制，也称“平均液位控

26、制”PID应用与整定应用与整定55第55页/共70页常规液位控制常规液位控制 控制目标是使液位与其设定值的偏差尽可能小，而对MV（如输出流量）的波动无限制。 假设该液位过程为自衡过程，则可采用阶跃响应获取K、T、，并可采用常规的参数整定法 假设该液位过程为非自衡过程，常采用PI控制器，而且控制增益大、积分作用弱（即接近纯比例控制器）（为什么？）PID应用与整定应用与整定56第56页/共70页液位均匀控制液位均匀控制 控制目标是使操作变量（如储罐输出流量）尽可能平缓，以减少对下游装置的干扰，而允许贮罐液位在上下限之间波动。 液位均匀控制常采用比例控制器（在实际应用中，可采用PI控制器，并选择积分

27、时间足够大，以减少积分作用）。 比例增益的整定原则：比例增益应尽可能小，只要液位的波动幅度不超过允许的上下限（对于可能的大幅度输入流量干扰）。PID应用与整定应用与整定57第57页/共70页液位控制仿真举例液位控制仿真举例 详见仿真模型 ./PIDControl/ LevelLoop.mdlPID应用与整定应用与整定58第58页/共70页液位均匀控制系统的分析液位均匀控制系统的分析假设被控过程的动态方程为其中 A 为储罐的截面积。假设液位变送器LT 41与控制阀满足 )()()(0tFtFdttdhAi)()(0tuKtFV,)()(maxhthtyPID应用与整定应用与整定59第59页/共7

28、0页液位均匀控制系统的分析（续）液位均匀控制系统的分析（续）对于某一纯比例控制器, Gc = Kc, 111)()(maxmaxmaxsKKAhsAhKKsAhKKsFsFVCVCVCio11111)()(maxmaxmaxsKKAhKKsAhKKsAhsFsyVCVCVCi试分析上述模型参数对动态特性的响应PID应用与整定应用与整定60第60页/共70页YspYmYUmanSW1euPIDMan/Auto0.2Kv10KT110sGpFoFiDU液位均匀控制仿真举例液位均匀控制仿真举例详见仿真模型 ./PIDControl/ LevelLoop.mdlPID应用与整定应用与整定61第61页/共70页纯比例液位均匀控制的仿真纯比例液位均匀控制的仿真010203040506070809010099.51010.511m3/hrFin, Fout01020304050607080901004648505254time, min%Ysp, YmKc = -0.5 Fin Kc = -2.0 PID应用与整定应用与整定62第62页/共70页PID控制器的积分饱和问题控制器的积分饱和问题详见以下仿真举例/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl积分饱和问题的由来PID应用与整定应用与整定63第63页/共70页问题问题：当存在大的