浙大工业过程控制4PID控制器的参数整定及其应用.ppt

Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,课件,*,PID,控制器的参数整定与应用问题,戴连奎,,,浙江大学智能系统与决策研究所,,2024/10/7,1,课件,上一讲内容回顾,讨论仿真系统,SimuLink,的使用方法,;,,介绍了,单回路,控制器“正反作用”的选择原则；,,描述了单回路系统的常用性能指标；,,通过仿真讨论了,PID,控制律的意义及与控制性能的关系2024/10/7,2,,课件,控制器的“正反作用,”,选择,问题:,,如何选择控制阀的 “气开气关”？,,如何选择温度控制器的正反作用，以使闭环系统为负反馈系统？,2024/10/7,3,,课件,PID,控制器的物理意义讨论,对于一般的自衡过程，当设定值或扰动发生阶路变化时，为什么采用纯比例控制器会存在稳态余差？,,引入积分作用的目的是什么，为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？,,引入微分作用的目的是什么，为什么实际工业过程中应用并不多？,2024/10/7,4,,课件,本讲基本要求,了解,PID,控制规律的选取原则,,,,掌握,单回路,PID,控制器的参数整定方法,,,,了解,PID,控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,,,,了解,PID,参数的自整定方法。

2024/10/7,5,,课件,控制器增益,K,c,或比例度δ,,,增益,K,c,,的增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降；,,积分时间,T,i,,,积分作用的增强（即,T,i,下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；,,微分时间,T,d,,,微分作用增强（即,T,d,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,2024/10/7,6,,课件,工业,PID,控制器的选择,*1,：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波讨论：,,选择原则分析2024/10/7,7,,课件,PID,工程整定法1-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.,6,5,表,5,.3,-,1,）,2024/10/7,8,,课件,工程整定法2-临界比例度法,步骤：,（1）先将切除,PID,控制器中的积分与微分作用，取比例增益,K,C,较小值，并投入闭环运行；,,（2）将,K,C,由小到大变化，对应于某一,K,C,值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；,,（3）设等幅振荡时振荡周期为,T,cr,、,控制器增益,K,cr,,，,再根据控制器类型选择以下,PID,参数,。

控制规律,K,c,T,i,T,d,P,0.5,K,cr,,,PI,0.45,K,cr,0.83,T,cr,,PID,0.6,K,cr,0.5,T,cr,0.12,T,cr,2024/10/7,9,,课件,单回路,PID,参数整定仿真举例,SimuLink,仿真,程序,参见,..,\PIDControl\PID,L,oop,.mdl）,2024/10/7,10,,课件,工程整定法3-响应曲线法*,临界比例度法的局限性：,,生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡响应曲线法,PID,参数整定步骤：,,（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线；,,（2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似模型与模型参数；,,（3）根据控制器类型与对象模型，选择,PID,参数并投 入闭环运行在运行过程中，可对增益作调整2024/10/7,11,,课件,“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法*,典型自衡工业对象,,的阶跃响应,对象的近似模型：,对应参数见左图，而增益为：,[,y,min,,,y,max,],为CV的测量范围；,,[,u,min,,,u,max,],为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0~100%表示。

2024/10/7,12,,课件,Ziegler-Nichols,参数整定法*,特点：,适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似,整定公式：,2024/10/7,13,,课件,响应曲线法举例,SimuLink,仿真,程序,参见,..,\PIDControl,,\PID,L,oop,.mdl）,,假设测量范围为,200 ~ 400 ℃,,,K,= 1.75,,T,= 10 min,,τ,= 7 min.,,,K,c,= 0.8,,T,i,= 14 min,,T,d,= 3.5 min.,2024/10/7,14,,课件,响应曲线法举例（续）,2024/10/7,15,,课件,对于无显著纯滞后的自衡对象,PID,参数整定法（,1/4,准则）*,特点：,适合于纯滞后不显著的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为 “,S”,型曲线,初始整定参数：,T,s,,为对象开环阶跃响应的过渡过程时间参数调整：,将上述,PID,控制器投入“,Auto” （,自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能若响应过慢且无超调，则适当加大,K,C,，例如增大到原来的两倍；反之，则减小,K,C,值。

2024/10/7,16,,课件,响应曲线,1/4,准则法举例,SimuLink,仿真,程序,参见 .,.,\,,PIDControl,,\,,PID,Loop,.mdl,2024/10/7,17,,课件,单回路系统的“积分饱和”问题,问题,：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出,y,(,t,),与设定值,y,sp,(,t,),之间的误差此时，由于积分作用的存在，使调节器输出,u,(,t,),无限制地增大或减少，直至达到极限值而当扰动恢复正常时，由于,u,(,t,)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常2024/10/7,18,,课件,单回路系统积分饱和现象举例,单回路,PID,控制系统（无抗积分饱和措施）,,(参见模型…/,PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl),2024/10/7,19,,课件,单回路系统积分饱和,仿真结果,2024/10/7,20,,课件,单回路系统的防积分饱和原理,讨论,：正常情况为标准的,PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用2024/10/7,21,,课件,单回路系统的抗积分饱和举例,(,仿真模型,参见,…/,PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl),2024/10/7,22,,课件,手自动无扰动切换问题与实现,实现方式,：,,在,Auto （,自动）状态,，使手操器输出等于调节器的输出；而在,Man（,手动）,时，使调节器输出等于手操器的输出；,2024/10/7,23,,课件,继电器型,PID,自整定器原理,2024/10/7,24,,课件,具有继电器型非线性控制系统,问题：如何分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件 ？,,2024/10/7,25,,课件,继电器输入输出信号分析,2024/10/7,26,,课件,周期信号的,Fourier,级数展开,一个以,T,为周期的函数,f,(,t,),可以展开为,对齐次函数,,,有,假设继电器的幅值为,d,，则继电器输出的一次谐波为,2024/10/7,27,,课件,继电器型控制系统等幅振荡条件,对于没有滞环的继电器非线性环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为,a,，则,对继电器输入输出的一次谐波，其增益为,闭环继电系统临界稳定条件：,,对于继电器控制器而言，其临界增益为：,,临界振荡周期为,T,cr,。

再由临界比例度法自动确定,PID,参数,.,2024/10/7,28,,课件,继电器型,PID,自整定举例,具体参见 …/,PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl,2024/10/7,29,,课件,结 论,讨论了,PID,控制规律的选取原则,,,,详细分析了,单回路,PID,参数整定方法,,,,介绍了,PID,控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,,,,分析了继电器型,PID,参数自整定原理2024/10/7,30,,课件,练习题,对于题图,5-1,（,p. 68,）所示的加热炉出口温度控制系统，假设变送器量程为,200 ~ 300℃,试回答以下问题并说明理由：,,（,1,）燃料控制阀选用“气开”阀还是“气关阀”？,,（,2,）温度控制器该选“正作用”还是“反作用”？,,（,3,）若在手动控制状态，燃料控制阀风压（或者说温度控制器输出电流）减少,3%,，炉出口温度的变化过程如题,5-8,下表格所示请确定“广义对象”的特性参数,K,、,T,、,τ,4,）若温度控制器采用,PID,调节器，试确定,PID,参数，并给出,SimuLink,仿真曲线（假设设定值从,270℃,上升至,280℃,）。

2024/10/7,31,,课件,。