自整定PID調(diào)節(jié)器過程控制系統(tǒng)圖紙讀圖

1、教學(xué)目的要求教學(xué)目的要求：掌握基本控制規(guī)律及其對控制過程掌握基本控制規(guī)律及其對控制過程的影響；掌握的影響；掌握DDZ-IIIDDZ-III型控制器的結(jié)構(gòu)、電路及工型控制器的結(jié)構(gòu)、電路及工作原理分析；作原理分析；理解數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序調(diào)節(jié)器的理解數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序調(diào)節(jié)器的功能和原理，了解它們的使用方法；理解功能和原理，了解它們的使用方法；理解PID參數(shù)參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器的功能與結(jié)構(gòu)，了解其使用方法。自整定調(diào)節(jié)器的功能與結(jié)構(gòu)，了解其使用方法。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：PID控制規(guī)律，數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序控制規(guī)律，數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序調(diào)節(jié)器的原理調(diào)節(jié)器的原理DDZ-IIIDDZ-III型控制器的結(jié)構(gòu)、電路

2、及工型控制器的結(jié)構(gòu)、電路及工作原理分析作原理分析教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)：基本控制規(guī)律及其對控制過程的影響。基本控制規(guī)律及其對控制過程的影響。教學(xué)目的與要求教學(xué)目的與要求：了解：了解PID自整定調(diào)節(jié)器基本概念自整定調(diào)節(jié)器基本概念， 了解自整定專家系統(tǒng)及整定過程了解自整定專家系統(tǒng)及整定過程,熟悉過程控制熟悉過程控制系統(tǒng)圖紙表示方法系統(tǒng)圖紙表示方法,會識圖會識圖教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：自整定專家系統(tǒng)及整定過程，過程控制系統(tǒng)圖紙表示方法自整定專家系統(tǒng)及整定過程，過程控制系統(tǒng)圖紙表示方法教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)：自整定專家系統(tǒng)及整定過程自整定專家系統(tǒng)及整定過程3一、一、 PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器 PID參數(shù)自

3、整定是對于一個(gè)正在運(yùn)行的控制系統(tǒng)，特別是參數(shù)自整定是對于一個(gè)正在運(yùn)行的控制系統(tǒng)，特別是定值改變的控制系統(tǒng)自動整定控制回路中的定值改變的控制系統(tǒng)自動整定控制回路中的PID參數(shù)。參數(shù)。 PID參數(shù)自整定的方法有多種，大致可分為兩大類。參數(shù)自整定的方法有多種，大致可分為兩大類。 1.波形識別法波形識別法 這類方法有兩種類型：一種是在系統(tǒng)中加入具有繼電特性這類方法有兩種類型：一種是在系統(tǒng)中加入具有繼電特性性的非線性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激等幅振蕩，通過測取振蕩波性的非線性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激等幅振蕩，通過測取振蕩波的振幅和周期，求取系統(tǒng)的臨界振蕩參數(shù)，再利用的振幅和周期，求取系統(tǒng)的臨界振蕩參數(shù)，再利用Zi

4、egler-Nichols規(guī)則對規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行整定。另一種是根據(jù)過程輸出曲線參數(shù)進(jìn)行整定。另一種是根據(jù)過程輸出曲線形狀判別來整定形狀判別來整定PID參數(shù)。參數(shù)。4 在系統(tǒng)正常運(yùn)行中，對由給定值變化或由擾動在系統(tǒng)正常運(yùn)行中，對由給定值變化或由擾動產(chǎn)生的輸出波形進(jìn)行實(shí)時(shí)識別，再由參數(shù)自校正機(jī)產(chǎn)生的輸出波形進(jìn)行實(shí)時(shí)識別，再由參數(shù)自校正機(jī)構(gòu)確定出新的構(gòu)確定出新的PID參數(shù)值，系統(tǒng)按修正后的參數(shù)進(jìn)參數(shù)值，系統(tǒng)按修正后的參數(shù)進(jìn)行行PID控制，其構(gòu)成圖如下圖所示。控制，其構(gòu)成圖如下圖所示。 波形識別法的優(yōu)點(diǎn)是不要求辨識對象的數(shù)學(xué)模型，波形識別法的優(yōu)點(diǎn)是不要求辨識對象的數(shù)學(xué)模型，控制指標(biāo)與常規(guī)控制指標(biāo)與

5、常規(guī)PID控制系統(tǒng)完全一致，非常直觀控制系統(tǒng)完全一致，非常直觀，因此這是目前使用較多的一種參數(shù)自整定方法。，因此這是目前使用較多的一種參數(shù)自整定方法。5 2以對象數(shù)學(xué)模型辨識為基礎(chǔ)的自整定方法以對象數(shù)學(xué)模型辨識為基礎(chǔ)的自整定方法 對象數(shù)學(xué)模型的辨識方法有施加擾動和不施加擾動兩類。對象數(shù)學(xué)模型的辨識方法有施加擾動和不施加擾動兩類。在施加擾動的自整定控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器定時(shí)或按工況變化的在施加擾動的自整定控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器定時(shí)或按工況變化的信息斷開反饋回路，給對象施加一擾動，根據(jù)對象響應(yīng)信息進(jìn)信息斷開反饋回路，給對象施加一擾動，根據(jù)對象響應(yīng)信息進(jìn)行運(yùn)算處理，識別出對象特性，如行運(yùn)算處理，識別出對象特

6、性，如K、T、特性參數(shù)。特性參數(shù)。在不施加擾動的自整定控制系統(tǒng)中，是通過測試在線運(yùn)行的在不施加擾動的自整定控制系統(tǒng)中，是通過測試在線運(yùn)行的對象輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對象特性的閉環(huán)辨識。系統(tǒng)框圖如下對象輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對象特性的閉環(huán)辨識。系統(tǒng)框圖如下所示。辨識方法有遞推最小二乘法、極大似然法等多種，可所示。辨識方法有遞推最小二乘法、極大似然法等多種，可參閱有關(guān)系統(tǒng)辨識的專門文獻(xiàn)。參閱有關(guān)系統(tǒng)辨識的專門文獻(xiàn)。6 PID參數(shù)自整定的方法很多，我們這里僅介紹三種目前參數(shù)自整定的方法很多，我們這里僅介紹三種目前用得較多的方法。用得較多的方法。一、改進(jìn)型臨界比例度法（繼電限幅自整定法）一、改進(jìn)型臨界比例度法（繼

7、電限幅自整定法） 這是波形識別法中的一種參數(shù)自整定方法。用改進(jìn)型臨這是波形識別法中的一種參數(shù)自整定方法。用改進(jìn)型臨界比例度法的界比例度法的PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。 圖中圖中 G（j）為控制對象，）為控制對象，N為具有繼電特性的非線性環(huán)為具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于自整定狀態(tài)時(shí)，開關(guān)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于自整定狀態(tài)時(shí)，開關(guān)S置于位置置于位置2，S置于位置置于位置1時(shí)為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進(jìn)行時(shí)為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進(jìn)行PID控制?？刂?。7 改進(jìn)型臨界比例度法整定改進(jìn)型臨界比例度法整定PID參數(shù)的運(yùn)行步驟：參數(shù)的運(yùn)行步驟： 1）使系統(tǒng)工作在

8、有繼電特性的非線性系統(tǒng)狀態(tài)，產(chǎn)生自）使系統(tǒng)工作在有繼電特性的非線性系統(tǒng)狀態(tài)，產(chǎn)生自激振蕩，求出臨界比例系數(shù)激振蕩，求出臨界比例系數(shù)Ku及臨界振蕩周期及臨界振蕩周期Tu。 2）按）按ZieglerNichols規(guī)則計(jì)算出規(guī)則計(jì)算出PID參數(shù)參數(shù)KP、TI、TD的值。的值。ZieglerNichols規(guī)則規(guī)則 改進(jìn)型臨界比例度自整定方法的改進(jìn)型臨界比例度自整定方法的特點(diǎn)特點(diǎn)是是原理簡單、整定速度快，但為求取原理簡單、整定速度快，但為求取Ku及及Tu系統(tǒng)要產(chǎn)生系統(tǒng)要產(chǎn)生等幅振蕩等幅振蕩，因此不宜多次使用。，因此不宜多次使用。它它適用于適用于回路參數(shù)的初始整定，特別是系統(tǒng)開工回路參數(shù)的初始整定，特別是

9、系統(tǒng)開工時(shí)大量的回路整定。將用改進(jìn)型臨界比例度自整時(shí)大量的回路整定。將用改進(jìn)型臨界比例度自整定方法求出的定方法求出的PID參數(shù)作為初值，在實(shí)時(shí)運(yùn)行中參數(shù)作為初值，在實(shí)時(shí)運(yùn)行中再應(yīng)用其它方法對參數(shù)進(jìn)行修正。再應(yīng)用其它方法對參數(shù)進(jìn)行修正。實(shí)時(shí)修正參數(shù)可用迭代法或?qū)＜曳?。?shí)時(shí)修正參數(shù)可用迭代法或?qū)＜曳ā?0二迭代自整定控制算法二迭代自整定控制算法 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，假設(shè)調(diào)節(jié)器經(jīng)初步整定的初始參在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，假設(shè)調(diào)節(jié)器經(jīng)初步整定的初始參數(shù)，通過推導(dǎo)出數(shù)，通過推導(dǎo)出PID參數(shù)參數(shù)KP、TI、TD的迭代整定算式求出修的迭代整定算式求出修正參數(shù)。正參數(shù)。 前述改進(jìn)型臨界比例度整定算式可用于確定初始整定前

10、述改進(jìn)型臨界比例度整定算式可用于確定初始整定參數(shù)，而參數(shù)，而迭代算式適用于迭代算式適用于在已有較好整定參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)在已有較好整定參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，逐漸趨近最佳參數(shù)。因此，可將兩種方法結(jié)合起行修正，逐漸趨近最佳參數(shù)。因此，可將兩種方法結(jié)合起來進(jìn)行來進(jìn)行PID參數(shù)自整定。參數(shù)自整定。三、專家法三、專家法PID參數(shù)自整定參數(shù)自整定 用專家法自整定用專家法自整定PID參數(shù)的調(diào)節(jié)器稱為專家自整定調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)器稱為專家自整定調(diào)節(jié)器。這種節(jié)器。這種PID參數(shù)自整定的過程實(shí)際上是模擬操作人員參數(shù)自整定的過程實(shí)際上是模擬操作人員整定整定PID參數(shù)的判斷和決策過程。專家參數(shù)的判斷和決策過程。專家PID調(diào)節(jié)器

11、是在一般調(diào)節(jié)器是在一般調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了由知識庫和推理機(jī)構(gòu)組成的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了由知識庫和推理機(jī)構(gòu)組成的參數(shù)自整定專家系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如下圖所示。參數(shù)自整定專家系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如下圖所示。 專家系統(tǒng)由知識庫和推理機(jī)構(gòu)組成專家系統(tǒng)由知識庫和推理機(jī)構(gòu)組成,核心是核心是知識庫知識庫，就是按照專家的整定與操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成的整定手就是按照專家的整定與操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成的整定手冊，冊，包括響應(yīng)曲線，控制目標(biāo)和整定規(guī)則。包括響應(yīng)曲線，控制目標(biāo)和整定規(guī)則。12l知識庫知識庫 知識庫是將控制工程師整定系統(tǒng)的知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整知識庫是將控制工程師整定系統(tǒng)的知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整理歸納后，以一定表示法存入計(jì)算機(jī)

12、中。參數(shù)自整定專家理歸納后，以一定表示法存入計(jì)算機(jī)中。參數(shù)自整定專家系統(tǒng)的知識庫主要包括以下幾方面的內(nèi)容：系統(tǒng)的知識庫主要包括以下幾方面的內(nèi)容：過程響應(yīng)曲線過程響應(yīng)曲線類型、控制目標(biāo)類型及整定規(guī)則類型、控制目標(biāo)類型及整定規(guī)則。下面分別加以說明。下面分別加以說明。（1）過程響應(yīng)曲線類型）過程響應(yīng)曲線類型 由于實(shí)際控制系統(tǒng)多種多樣，因此由于實(shí)際控制系統(tǒng)多種多樣，因此系統(tǒng)響應(yīng)曲線也可能是各種各樣的，在構(gòu)成知識庫時(shí)盡量考慮系統(tǒng)響應(yīng)曲線也可能是各種各樣的，在構(gòu)成知識庫時(shí)盡量考慮周全又不能過于繁雜。周全又不能過于繁雜。根據(jù)給定值變化和負(fù)荷變化兩種情況，將系統(tǒng)輸出響應(yīng)根據(jù)給定值變化和負(fù)荷變化兩種情況，將系統(tǒng)

13、輸出響應(yīng)曲線分為給定值變化時(shí)和負(fù)荷擾動下的輸出響應(yīng)曲線如曲線分為給定值變化時(shí)和負(fù)荷擾動下的輸出響應(yīng)曲線如下圖所示。下圖所示。設(shè)定值變化時(shí)的輸出響應(yīng)曲線14由于調(diào)節(jié)器整定參數(shù)時(shí)，是將實(shí)際觀測的曲線由于調(diào)節(jié)器整定參數(shù)時(shí)，是將實(shí)際觀測的曲線與知識庫中的曲線進(jìn)行對照，按照最佳條件進(jìn)與知識庫中的曲線進(jìn)行對照，按照最佳條件進(jìn)行整定。因此，知識庫中存入的響應(yīng)曲線類型行整定。因此，知識庫中存入的響應(yīng)曲線類型完善與否，對參數(shù)整定是否理想至關(guān)重要。一完善與否，對參數(shù)整定是否理想至關(guān)重要。一般需存幾十種類型的曲線。般需存幾十種類型的曲線。（2）控制目標(biāo)）控制目標(biāo)根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選擇。例如：溫度控制系統(tǒng)不根據(jù)控制系

14、統(tǒng)的要求選擇。例如：溫度控制系統(tǒng)不允許超調(diào)，流量控制系統(tǒng)要求快速允許有小超調(diào)。允許超調(diào)，流量控制系統(tǒng)要求快速允許有小超調(diào)。16（3）整定規(guī)則）整定規(guī)則 PID參數(shù)的整定規(guī)則都是經(jīng)驗(yàn)性的，它是參數(shù)的整定規(guī)則都是經(jīng)驗(yàn)性的，它是建立于控制工程師經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，下面僅舉出幾條整定規(guī)建立于控制工程師經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，下面僅舉出幾條整定規(guī)則作為例子。則作為例子。 對給定值變化和干擾引起的輸出響應(yīng)采取不同的整定規(guī)對給定值變化和干擾引起的輸出響應(yīng)采取不同的整定規(guī)則。則。 在在P、I、D三個(gè)作用中，三個(gè)作用中，P是最基本的控制作用。當(dāng)輸出是最基本的控制作用。當(dāng)輸出響應(yīng)的超調(diào)量過大及衰減比過小時(shí)，減小響應(yīng)的超調(diào)量過

15、大及衰減比過小時(shí)，減小KP。若最大偏差大，。若最大偏差大，且趨于非周期過程時(shí)，增加且趨于非周期過程時(shí)，增加KP。 一般取一般取TI等于二分之一系統(tǒng)振蕩周期，取等于二分之一系統(tǒng)振蕩周期，取TD=(1/31/4)TI。 輸出響應(yīng)曲線偏離給定值后長期回不來，減小輸出響應(yīng)曲線偏離給定值后長期回不來，減小TI。若波。若波動較大則增大動較大則增大TI。 由于由于KP 過小和過小和TI過大都將引起系統(tǒng)輸出響應(yīng)遲緩，難以過大都將引起系統(tǒng)輸出響應(yīng)遲緩，難以穩(wěn)定。但是兩者情況有區(qū)別，前者表現(xiàn)為曲線飄動較大，變穩(wěn)定。但是兩者情況有區(qū)別，前者表現(xiàn)為曲線飄動較大，變化無規(guī)則，后者則會逐漸接近給定值，據(jù)此可以判斷需增大化

16、無規(guī)則，后者則會逐漸接近給定值，據(jù)此可以判斷需增大KP或減小或減小TI 。172推理機(jī)構(gòu)推理機(jī)構(gòu) 在參數(shù)自整定系統(tǒng)中。推理機(jī)構(gòu)的作用是判斷系統(tǒng)輸出在參數(shù)自整定系統(tǒng)中。推理機(jī)構(gòu)的作用是判斷系統(tǒng)輸出響應(yīng)的波形響應(yīng)的波形，（如超調(diào)量、遞減比、響應(yīng)時(shí)間等）（如超調(diào)量、遞減比、響應(yīng)時(shí)間等） ，歸為知識庫中存，歸為知識庫中存儲波形中的一種，并對其進(jìn)行品質(zhì)評價(jià)，根據(jù)控制目標(biāo)的要儲波形中的一種，并對其進(jìn)行品質(zhì)評價(jià)，根據(jù)控制目標(biāo)的要求采取相應(yīng)措施。求采取相應(yīng)措施。 專家自整定調(diào)節(jié)器隨時(shí)觀測控制系統(tǒng)輸出值及給定值專家自整定調(diào)節(jié)器隨時(shí)觀測控制系統(tǒng)輸出值及給定值。如有給定值變化、負(fù)荷干擾等因素影響控制偏差變。如有給定

17、值變化、負(fù)荷干擾等因素影響控制偏差變化，而且超過預(yù)先設(shè)定的噪聲帶時(shí)，調(diào)節(jié)器即進(jìn)行參化，而且超過預(yù)先設(shè)定的噪聲帶時(shí)，調(diào)節(jié)器即進(jìn)行參數(shù)自整定，否則保持原來的數(shù)自整定，否則保持原來的PID參數(shù)值。參數(shù)值。183）確定容許等待時(shí)間）確定容許等待時(shí)間TW：自整定調(diào)節(jié)器需根據(jù)控制系統(tǒng)估：自整定調(diào)節(jié)器需根據(jù)控制系統(tǒng)估計(jì)的響應(yīng)時(shí)間作為容許等待時(shí)間。在專家法自整定中，是在計(jì)的響應(yīng)時(shí)間作為容許等待時(shí)間。在專家法自整定中，是在容許等待時(shí)間內(nèi)等待下一個(gè)峰值的到來。容許等待時(shí)間內(nèi)等待下一個(gè)峰值的到來。 TW過大，會使曲過大，會使曲線識別時(shí)間過長，影響控制效果。線識別時(shí)間過長，影響控制效果。 TW過短可能會對波形判過短可

18、能會對波形判斷失誤。在予整定后取斷失誤。在予整定后取TW (T+)，T為過程時(shí)間常數(shù)，為過程時(shí)間常數(shù)， 為純滯后時(shí)間。為純滯后時(shí)間。4）確定）確定TD/TI比值：一般取比值：一般取TD/TI =(1/31/4)。5）確定控制周期）確定控制周期TS： TS與控制效果關(guān)系密切，與控制效果關(guān)系密切， TS過大導(dǎo)致過大導(dǎo)致控制效果變壞甚至失控，但對純滯后控制效果變壞甚至失控，但對純滯后較大的系統(tǒng)，則要求較大的系統(tǒng)，則要求TS取大些，一般取取大些，一般取TS (1/51/6) 。專家法自整定前，需進(jìn)行以下工作：專家法自整定前，需進(jìn)行以下工作： l）進(jìn)行）進(jìn)行PID 參數(shù)予整定，確定參數(shù)予整定，確定PID

19、參數(shù)的粗略值作為初參數(shù)的粗略值作為初值值. 2）確定噪聲帶）確定噪聲帶Nb：在自整定時(shí)，采用了偏差超過設(shè)定：在自整定時(shí)，采用了偏差超過設(shè)定的噪聲帶兩倍時(shí)才啟動自整定動作的方法來克服噪聲和干的噪聲帶兩倍時(shí)才啟動自整定動作的方法來克服噪聲和干擾。擾。Nb值還可用來判斷觀測到的峰值是否真實(shí)，以排除噪值還可用來判斷觀測到的峰值是否真實(shí)，以排除噪聲、干擾引起的假象。聲、干擾引起的假象。 在線自整定：在線自整定：觀察輸出是否有波動，有，則重觀察輸出是否有波動，有，則重新計(jì)算過程特性參數(shù)及新計(jì)算過程特性參數(shù)及PID參數(shù)。參數(shù)。3、整定過程、整定過程專家自整定控制器的工作模式：啟動處理和在線自整定。專家自整定

20、控制器的工作模式：啟動處理和在線自整定。 啟動處理：啟動處理：系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，根據(jù)控制目標(biāo)，把階躍系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，根據(jù)控制目標(biāo)，把階躍變量施加到操縱變量變量施加到操縱變量u上，并自動計(jì)算出上，并自動計(jì)算出Kp，Ti，Td，自動識別出過程類型，過程響應(yīng)時(shí)間，為在線，自動識別出過程類型，過程響應(yīng)時(shí)間，為在線自整定做好準(zhǔn)備。自整定做好準(zhǔn)備。內(nèi)容包括：管道儀表流程圖圖例符號，儀表流程圖；自控工程圖例符號，控制室平面布置圖，儀表盤布置圖和接線圖，儀表供電供氣系統(tǒng)圖，電纜管纜外部連接系統(tǒng)圖，電纜管纜平面敷設(shè)圖，儀表回路圖，儀表接地系統(tǒng)圖；儀表安裝圖常用圖例符號，溫度、壓力、流量、物位、分析儀表安裝圖。一、管道儀表

21、流程圖按照統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號和文字代號，用圖示的方法把建立工業(yè)生產(chǎn)工藝裝置所需的全部設(shè)備、儀表、管道、閥門以及主要管件，按照它們各自的功能以及工藝要求組合起來，以起到描述工藝裝置的結(jié)構(gòu)和功能的作用。它表達(dá)了部分或整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，體現(xiàn)了對該工藝過程所實(shí)施的控制方案?？梢酝ㄟ^它清晰了解生產(chǎn)過程的自動控制實(shí)施方案等各項(xiàng)管信息。1、儀表功能標(biāo)志：用幾個(gè)大寫英文字母組合表示對某個(gè)變量的操作要求（TIC等）。第一位（或前兩位）字母稱為首字母，表示被測變量。其余一位或多位稱為后繼字母，表示對該變量的操作要求。過程檢測和控制系統(tǒng)用文字代號和圖形符號（HG/T20505-2000）中作了詳細(xì)規(guī)定。2、儀表位號由儀表功能標(biāo)志和儀表回路編號兩部分組成。例如：FIC-116，TRC-