PID控制器實(shí)用教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1PID 控制器控制器第一頁(yè)，共71頁(yè)。2第1頁(yè)/共70頁(yè)第二頁(yè)，共71頁(yè)。過程過程(guchng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)3第2頁(yè)/共70頁(yè)第三頁(yè)，共71頁(yè)。ySPy()BBy0t0t1t2t3n 余差：( )( )speyy n 衰減(shui jin)比：BnBn 振蕩周期：n 調(diào)節(jié)(tioji)時(shí)間（也稱過渡過程時(shí)間） ts32Ttt什么是最好的系統(tǒng)響應(yīng) ?過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)4第3頁(yè)/共70頁(yè)第四頁(yè)，共71頁(yè)。02min)(dtteISE偏差(pinch)絕對(duì)值積分0min)(dtteIAE偏差(pinch)絕對(duì)值與時(shí)間乘積的積分0( )mi

2、nITAEt e tdtySPy()BBy0t0t1t2t3偏差平方值積分過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)5第4頁(yè)/共70頁(yè)第五頁(yè)，共71頁(yè)。PID控制器控制器6第5頁(yè)/共70頁(yè)第六頁(yè)，共71頁(yè)。PID控制器控制器7第6頁(yè)/共70頁(yè)第七頁(yè)，共71頁(yè)。0( )( ),cu tK e tu( )( )( )spme tytytKC 被稱為(chn wi)控制器增益。PID控制器控制器8第7頁(yè)/共70頁(yè)第八頁(yè)，共71頁(yè)。0)()(uteKtucPID控制器控制器9第8頁(yè)/共70頁(yè)第九頁(yè)，共71頁(yè)。100cPBKPID控制器控制器10第9頁(yè)/共70頁(yè)第十頁(yè)，共71頁(yè)。Kc反映了控制器輸出(

3、shch)對(duì)控制誤差的靈敏度PID控制器控制器11第10頁(yè)/共70頁(yè)第十一頁(yè)，共71頁(yè)。Fi(t) 在10 min 時(shí)，從10升/min 階躍增加(zngji)至11升/minPID控制器控制器12第11頁(yè)/共70頁(yè)第十二頁(yè)，共71頁(yè)。PID控制器控制器13第12頁(yè)/共70頁(yè)第十三頁(yè)，共71頁(yè)。001( )(),tciu tK eedTu)11 ()(sTKsGiccTi 被稱為積分(jfn)時(shí)間，單位：min或secondPID控制器控制器14第13頁(yè)/共70頁(yè)第十四頁(yè)，共71頁(yè)。Fi(t) 在10 min 時(shí)，從10升/min 階躍增加(zngji)至11升/minPID控制器控制器15第

4、14頁(yè)/共70頁(yè)第十五頁(yè)，共71頁(yè)。PID控制器控制器16第15頁(yè)/共70頁(yè)第十六頁(yè)，共71頁(yè)。積分時(shí)間(shjin)Ti 對(duì)系統(tǒng)性能的影響 引入積分作用的根本目的是為了消除穩(wěn)態(tài)余差，但使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。當(dāng)積分作用過強(qiáng)時(shí)（即Ti 過?。赡苁箍刂葡到y(tǒng)不穩(wěn)定。PID控制器控制器17第16頁(yè)/共70頁(yè)第十七頁(yè)，共71頁(yè)。001( )( )( ( )(),tcdide tu tKe tedTuTdt1( )(1)ccdiG sKT sTsTd 為微分(wi fn)時(shí)間n 理論(lln)PID 控制器n 工業(yè) PID 控制器11( )11dccdidT sG sKTTssAAd 被稱為微分增益

5、。PID控制器控制器18第17頁(yè)/共70頁(yè)第十八頁(yè)，共71頁(yè)。001)(udtdeTedteKudtTci)11 ()(sTsTKsGdiccPID控制器控制器19第18頁(yè)/共70頁(yè)第十九頁(yè)，共71頁(yè)。PID控制器控制器20第19頁(yè)/共70頁(yè)第二十頁(yè)，共71頁(yè)。21討論Td、Ad 對(duì)控制器輸出(shch)的響應(yīng)11( )11dccdidT sG sKTTssAPID控制器控制器第20頁(yè)/共70頁(yè)第二十一頁(yè)，共71頁(yè)。Ti(t) 在10 min 時(shí)，從50 階躍增加(zngji)至60 。PID控制器控制器22第21頁(yè)/共70頁(yè)第二十二頁(yè)，共71頁(yè)。PID控制器控制器23第22頁(yè)/共70頁(yè)第二十

6、三頁(yè)，共71頁(yè)。PID控制器控制器24/60第23頁(yè)/共70頁(yè)第二十四頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定25第24頁(yè)/共70頁(yè)第二十五頁(yè)，共71頁(yè)。對(duì)于某一動(dòng)態(tài)特性未知的廣義被控過程，如何選擇(xunz)PID控制器形式，并整定PID控制器參數(shù) ?PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定26第25頁(yè)/共70頁(yè)第二十六頁(yè)，共71頁(yè)。*1: 對(duì)于對(duì)于(duy)某些具有較長(zhǎng)時(shí)某些具有較長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)的慢過程，建議引入微間常數(shù)的慢過程，建議引入微分作用。但若存在較大的測(cè)量分作用。但若存在較大的測(cè)量噪聲，需要對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行一噪聲，需要對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行一階濾波或平均濾波階濾波或平均濾波分

7、析上述選擇(xunz)原因 ?被控過程控制器類型溫度 / 成份PID*1流量 / 壓力 /液位PI部分液位PPID應(yīng)用與整定應(yīng)用與整定27第26頁(yè)/共70頁(yè)第二十七頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定28第27頁(yè)/共70頁(yè)第二十八頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定29第28頁(yè)/共70頁(yè)第二十九頁(yè)，共71頁(yè)。30第29頁(yè)/共70頁(yè)第三十頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定31第30頁(yè)/共70頁(yè)第三十一頁(yè)，共71頁(yè)。 See ./PIDControl/PIDLoop.mdlPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定32第31頁(yè)/共70頁(yè)

8、第三十二頁(yè)，共71頁(yè)。0632. 0TTtOOOttT283. 0632. 05 . 1,%,%finalinitialfinalinitialTOTOTOKCOCOCOPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定33第32頁(yè)/共70頁(yè)第三十三頁(yè)，共71頁(yè)?？刂破黝愋蚄cTiTdP0PI0PID1TK 0.9TK 1.2TK 3.332.00.5注意：上述(shngsh)整定規(guī)則僅限于0TPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定34第33頁(yè)/共70頁(yè)第三十四頁(yè)，共71頁(yè)。取值控制器KcTiTdP0PIT0PIDT/21TK 1TK 1TK 00.2注意：上述(shngsh)整定規(guī)則不受/T 取

9、值的限制PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定35第34頁(yè)/共70頁(yè)第三十五頁(yè)，共71頁(yè)。廣義(gungy)對(duì)象特性參數(shù)：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應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定36第35頁(yè)/共70頁(yè)第三十六頁(yè)，共71頁(yè)。廣義對(duì)象特性參數(shù)(cnsh)：K = 1.75T = 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

10、, Ti = 6.5 minPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定37第36頁(yè)/共70頁(yè)第三十七頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定38第37頁(yè)/共70頁(yè)第三十八頁(yè)，共71頁(yè)。 參見(cnjin)仿真模型 ./PIDControl/PIDLoop.mdlPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定39第38頁(yè)/共70頁(yè)第三十九頁(yè)，共71頁(yè)?？刂破鱇cTiTdP0.5KcuPI0.45KcuTu /1.2PID0.65KcuTu /2Tu /8由純比例控制下的等幅振蕩曲線，獲得臨界控制器增益 Kcu與臨界振蕩周期 Tu，并按下表得到(d do)正常工作下的控制器參數(shù)。PID

11、應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定40第39頁(yè)/共70頁(yè)第四十頁(yè)，共71頁(yè)。 仿真(fn zhn)模型詳見 ./PIDControl/PIDLoop.mdlPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定41第40頁(yè)/共70頁(yè)第四十一頁(yè)，共71頁(yè)。繼電器調(diào)節(jié)器對(duì)象ATSyspyDPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定42第41頁(yè)/共70頁(yè)第四十二頁(yè)，共71頁(yè)。G(s)yspyd-dh-h問題：分析上述非線性系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩(zhndng)的條件 ？PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定43第42頁(yè)/共70頁(yè)第四十三頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定44第43頁(yè)/共70

12、頁(yè)第四十四頁(yè)，共71頁(yè)。一個(gè)(y )以T為周期的方波函數(shù)f (t)可以展開為1( )sin,nnf tbn t20sin)(4TndttntfTb假設(shè)(jish)繼電器的幅值為d，則繼電器輸出的一次諧波為ddttdTbT4sin4201PID應(yīng)用與整定應(yīng)用與整定45第44頁(yè)/共70頁(yè)第四十五頁(yè)，共71頁(yè)。對(duì)于沒有滯環(huán)的繼電器環(huán)節(jié)，假設(shè)該環(huán)節(jié)輸入(shr)的一次諧波振幅為a，則a為4()udaG j系統(tǒng)產(chǎn)生(chnshng)振蕩的條件是：arg()14()uuuG jdKG ja 再由臨界比例度法自動(dòng)確定PID參數(shù).PID應(yīng)用與整定應(yīng)用與整定46第45頁(yè)/共70頁(yè)第四十六頁(yè)，共71頁(yè)?？刂破鱇c

13、TiTdP0.5KuPI0.4Ku0.8Tu PID0.6Ku0.5Tu 0.12Tu 由純比例控制下的等幅振蕩曲線(qxin)，獲得臨界控制器增益 Ku與臨界周期 Tu，并按下表得到正常工作下的控制器參數(shù)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定47第46頁(yè)/共70頁(yè)第四十七頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定48/60第47頁(yè)/共70頁(yè)第四十八頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定49/60第48頁(yè)/共70頁(yè)第四十九頁(yè)，共71頁(yè)。01020304050585960616263646566Time, min%Output of Transmitters

14、et point Kc = 0.5 Kc = 1 Kc = 2 Kc = 4 Kc = 3.5 Tu Ti = 6000 min, Td = 0 min PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定50第49頁(yè)/共70頁(yè)第五十頁(yè)，共71頁(yè)。詳見以下(yxi)Simulink模型： ./PIDControl/PIDTuningforUnknownProcess.mdlPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定51第50頁(yè)/共70頁(yè)第五十一頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定52第51頁(yè)/共70頁(yè)第五十二頁(yè)，共71頁(yè)。00)(1)()(udeTteKtutiCTi 整定原則： T

15、i = 0.10min or Ti = 0.05minKc 整定原則： 控制增益可人工調(diào)整，但對(duì)于設(shè)定值的階躍變化(binhu)，實(shí)際流量不應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)。.PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定53第52頁(yè)/共70頁(yè)第五十三頁(yè)，共71頁(yè)。 詳見仿真模型(mxng) . /FlowLoop.mdl請(qǐng)比較控制器的比例增益與積分增益PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定54第53頁(yè)/共70頁(yè)第五十四頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定55第54頁(yè)/共70頁(yè)第五十五頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定56第55頁(yè)/共70頁(yè)第五十六頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)

16、用(yngyng)與整定與整定57第56頁(yè)/共70頁(yè)第五十七頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定58第57頁(yè)/共70頁(yè)第五十八頁(yè)，共71頁(yè)。 詳見仿真(fn zhn)模型 ./PIDControl/ LevelLoop.mdlPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定59第58頁(yè)/共70頁(yè)第五十九頁(yè)，共71頁(yè)。假設(shè)被控過程的動(dòng)態(tài)(dngti)方程為其中(qzhng) A 為儲(chǔ)罐的截面積。假設(shè)液位變送器LT 41與控制閥滿足 )()()(0tFtFdttdhAi)()(0tuKtFV,)()(maxhthtyPID應(yīng)用與整定應(yīng)用與整定60第59頁(yè)/共70頁(yè)第六十頁(yè)，共71頁(yè)。

17、對(duì)于(duy)某一純比例控制器, Gc = Kc, 111)()(maxmaxmaxsKKAhsAhKKsAhKKsFsFVCVCVCio11111)()(maxmaxmaxsKKAhKKsAhKKsAhsFsyVCVCVCi試分析上述(shngsh)模型參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的響應(yīng)PID應(yīng)用與整定應(yīng)用與整定61第60頁(yè)/共70頁(yè)第六十一頁(yè)，共71頁(yè)。詳見仿真(fn zhn)模型 ./PIDControl/ LevelLoop.mdlPID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定62第61頁(yè)/共70頁(yè)第六十二頁(yè)，共71頁(yè)。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定63第62頁(yè)/共70頁(yè)第六十三頁(yè)，共71頁(yè)

18、。詳見以下仿真(fn zhn)舉例/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl積分(jfn)飽和問題的由來PID應(yīng)用與整定應(yīng)用與整定64第63頁(yè)/共70頁(yè)第六十四頁(yè)，共71頁(yè)。問題：當(dāng)存在大的外部擾動(dòng)時(shí)，很有可能出現(xiàn)控制閥調(diào)問題：當(dāng)存在大的外部擾動(dòng)時(shí)，很有可能出現(xiàn)控制閥調(diào)節(jié)能力不夠的情況，即使控制閥全開或全關(guān)，仍不能消節(jié)能力不夠的情況，即使控制閥全開或全關(guān)，仍不能消除被控除被控(bi kn)輸出輸出y(t)與設(shè)定值與設(shè)定值ysp(t)之間的誤差。之間的誤差。此時(shí)，由于積分作用的存在，使調(diào)節(jié)器輸出此時(shí)，由于積分作用的存在，使調(diào)節(jié)器輸出u(t)無限制無限制地增大或減少，直至達(dá)到極限值。而當(dāng)擾動(dòng)恢復(fù)正常時(shí)，地增大或減少，直至達(dá)到極限值。而當(dāng)擾動(dòng)恢復(fù)正常時(shí)，由于由于u(t)在可調(diào)范圍以外，不能馬上起調(diào)節(jié)作用；等待在可調(diào)范圍以外，不能馬上起調(diào)節(jié)作用；等待一定時(shí)間后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常。一定時(shí)間后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常。PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定65第64頁(yè)/共70頁(yè)第六十五頁(yè)，共71頁(yè)。討論以下現(xiàn)象：（1）控制器的積分(jfn)飽和現(xiàn)象（2）控制閥全開或全關(guān)PID應(yīng)用應(yīng)用(yngyng)與整定與整定66第65頁(yè)/共70頁(yè)第六十六頁(yè)，共71頁(yè)。原理：當(dāng)控制器輸出超出正常(zhngc