PID控制器的参数整定及其应用课件

PID控制器的

參數整定與應用問題控制器的“正反作用”選擇問題:如何選擇控制閥的“氣開氣關”？如何選擇溫度控制器的正反作用，以使閉環系統為負回饋系統？PID控制器的物理意義討論對於一般的自衡過程，當設定值或擾動發生階路變化時，為什麼採用純比例控制器會存在穩態餘差？引入積分作用的目的是什麼，為什麼引入積分作用會降低閉環控制系統的穩定性？引入微分作用的目的是什麼，為什麼實際工業過程中應用並不多？本講基本要求瞭解PID控制規律的選取原則,掌握單回路PID控制器的參數整定方法,瞭解PID控制器的“防積分飽和”與“無擾動切換”技術,瞭解PID參數的自整定方法。控制器增益Kc或比例度δ

增益Kc

的增大（或比例度δ下降），使系統的調節作用增強，但穩定性下降；積分時間Ti

積分作用的增強（即Ti下降），使系統消除餘差的能力加強，但控制系統的穩定性下降；微分時間Td

微分作用增強（即Td增大），可使系統的超前作用增強，穩定性得到加強，但對高頻雜訊起放大作用，主要適合於特性滯後較大的廣義對象，如溫度對象等。PID參數對控制性能的影響工業PID控制器的選擇*1：當工業對象具有較大的滯後時，可引入微分作用；但如果測量雜訊較大，則應先對測量信號進行一階或平均濾波。討論：選擇原則分析。PID工程整定法1-經驗法 針對被控變數類型的不同，選擇不同的PID參數初始值，投運後再作調整。儘管簡單，但即使對於同一類型的被控變數，如溫度系統，其控制通道的動態特性差別可能很大，因而經驗法屬最為“粗糙”的整定法。 （具體整定參數原則見p.65表5.3-1）工程整定法2-臨界比例度法步驟：（1）先將切除PID控制器中的積分與微分作用，取比例增益KC較小值，並投入閉環運行； （2）將KC由小到大變化，對應於某一KC值作小幅度的設定值階躍回應，直至產生等幅振盪； （3）設等幅振盪時振盪週期為Tcr、控制器增益Kcr

，再根據控制器類型選擇以下PID參數。控制規律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr單回路PID參數整定仿真舉例SimuLink仿真程式參見..\PIDControl\PIDLoop.mdl）工程整定法3-回應曲線法*臨界比例度法的局限性： 生產過程有時不允許出現等幅振盪，或者無法產生正常操作範圍內的等幅振盪。回應曲線法PID參數整定步驟： （1）在手動狀態下，改變控制器輸出（通常採用階躍 變化），記錄被控變數的回應曲線； （2）由開環回應曲線獲得單位階躍回應曲線，並求取 “廣義對象”的近似模型與模型參數； （3）根據控制器類型與對象模型，選擇PID參數並投 入閉環運行。在運行過程中，可對增益作調整。“廣義對象”動態特性的

階躍回應測試法*典型自衡工業對象的階躍回應對象的近似模型：對應參數見左圖，而增益為：[ymin,ymax]為CV的測量範圍；[umin,umax]為MV的變化範圍，對於閥位開度通常用0~100%表示。Ziegler-Nichols參數整定法*特點：適合於存在明顯純滯後的自衡對象，而且廣義對象的階躍回應曲線可用“一階+純滯後”來近似。整定公式：回應曲線法舉例SimuLink仿真程式參見..\PIDControl

\PIDLoop.mdl）假設測量範圍為200~400℃,K=1.75,T=10min,τ=7min.Kc=0.8,Ti=14min,Td=3.5min.回應曲線法舉例（續）對於無顯著純滯後的自衡對象

PID參數整定法（1/4準則）*特點：適合於純滯後不顯著的自衡對象，而且廣義對象的階躍回應為“S”型曲線。初始整定參數：Ts

為對象開環階躍回應的過渡過程時間。參數調整：將上述PID控制器投入“Auto”（自動）方式，並適當改變控制回路的設定值，觀察控制系統跟蹤性能。若回應過慢且無超調，則適當加大KC，例如增大到原來的兩倍；反之，則減小KC值。回應曲線1/4準則法舉例SimuLink仿真程式參見..\

PIDControl

\

PIDLoop.mdl單回路系統的“積分飽和”問題問題：當存在大的外部擾動時，很有可能出現控制閥調節能力不夠的情況，即使控制閥全開或全關，仍不能消除被控輸出y(t)與設定值ysp(t)之間的誤差。此時，由於積分作用的存在，使調節器輸出u(t)無限制地增大或減少，直至達到極限值。而當擾動恢復正常時，由於u(t)在可調範圍以外，不能馬上起調節作用；等待一定時間後，系統才能恢復正常。單回路系統積分飽和現象舉例單回路PID控制系統（無抗積分飽和措施）(參見模型…/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl)單回路系統積分飽和仿真結果單回路系統的防積分飽和原理討論：正常情況為標準的PI控制演算法；而當出現超限時，自動切除積分作用。單回路系統的抗積分飽和舉例(仿真模型參見…/PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl)手自動無擾動切換問題與實現實現方式：在Auto（自動）狀態，使手操器輸出等於調節器的輸出；而在Man（手動）時，使調節器輸出等於手操器的輸出；繼電器型PID自整定器原理具有繼電器型非線性控制系統問題：如何分析上述非線性系統產生等幅振盪的條件？繼電器輸入輸出信號分析週期信號的Fourier級數展開一個以T為週期的函數f(t)可以展開為對齊次函數,有假設繼電器的幅值為d，則繼電器輸出的一次諧波為繼電器型控制系統等幅振盪條件對於沒有滯環的繼電器非線性環節，假設該環節輸入的一次諧波振幅為a，則對繼電器輸入輸出的一次諧波，其增益為閉環繼電系統臨界穩定條件：對於繼電器控制器而言，其臨界增益為：臨界振盪週期為Tcr。再由臨界比例度法自動確定PID參數.繼電器型PID自整定舉例具體參見…/PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl結論討論了PID控制規律的選取原則,詳細分析了單回路PID參數整定方法,介紹了PID控制器的“防積分飽和”與“無擾動切換”技術,分析了繼電器型PID參數自整定原理。練習題對於題圖5-1（p.68）所示的加熱爐出口溫度控制系統，假設變送器量程為200~300℃。試回答以下問題並說明理由：（1）燃料控制閥選用“氣開”閥還是“氣關閥”？（2）溫度控制器該選“正作用”還是“反作用”？（3）