控制系统性能指标与PID控制律

1、PID 控制器入门(PID Feedback Controllers)戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2004/07/25本讲基本要求n掌握单回路控制器“正反作用”的选择原则；n掌握单回路控制系统的常用性能指标；n掌握PID控制律的意义、PID参数与控制性能的关系。控制器的“正反作用”选择问题控制器Gc (s)执行器Gv (s)控制通道Gp (s)测量变送Gm (s)设定值ysp偏差 e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动 D干扰通道GD (s)+被控对象问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择n 定义：定义：当被控变量的测量值测量值增大时，

2、控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。n 选择要点：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。控制器的作用方向选择：控制器的作用方向选择：假设检验法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TC进料出料燃料TTm

3、TspRfuTmuRfTTm结论结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.控制器的作用方向选择：控制器的作用方向选择：回路判别法回路判别法温度控制器( ? )Tspe(t)+_Tm(t)+温度测量变送( + )燃料控制阀( + )T(t)u(t)Rf (t)加热炉控制通道( + )D(t)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。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？控制系统常用的性能指标ySPy()BBy

4、0t0t1t2t3n 稳态余差：0)()(yyyyespspn 衰减比：BBnn 振荡周期T，n 调节时间 ts.n 上升时间 tr, 峰值时间 tp.纯比例控制器n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）；0)()(uteKtuc%100*1cK仿真结果参见./Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl比例增益对控制性能的影响比例积分控制器n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

5、作用过强时（即Ti 过小），可能使控制系统不稳定。00)1(uedtTeKutic)11 ()(sTKsGicc仿真结果参见./Simulation/PIDControl/PILoop.mdl积分作用对控制性能的影响理想的比例积分微分控制器n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。001)(udtdeTedteKudtTci)11 ()(sTsTKsGdicc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？实际的比例积分微分控制器1111)(sATsTsTKsGdddicc其中Ad 为微分增益SimuLink 结构:PID控制系统仿真举例仿真结果参见./Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl结论n讨论