4-PID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,*,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,200,4/03/08,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。,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？,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？,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。,控制器增益,K,c,或比例度,增益,K,c,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；,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,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。,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,）,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,Kcr,0.83,T,cr,PID,0.6,K,cr,0.5,T,cr,0.12,T,cr,单回路,PID,参数整定仿真举例,SimuLink,仿真,程序,参见,.,PIDControlPID,L,oop,.mdl）,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。,“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0100%表示。,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：,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,=7 min.,K,c,=0.8,T,i,=14 min,T,d,=3.5 min.,响应曲线法举例（续）,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。,响应曲线,1/4,准则法举例,SimuLink,仿真,程序,参见.,.,PIDControl,PID,Loop,.mdl,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。,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),单回路系统积分饱和,仿真结果,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。,单回路系统的抗积分饱和举例,(,仿真模型,参见,/,PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl),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；,继电器型,PID,自整定器原理,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？,继电器输入输出信号分析,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,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,.,继电器型,PID,自整定举例,具体参见/,PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl,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。,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,、,。,（,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,）。,