控制系統(tǒng)性能指標(biāo)與PID控制律

1、PID 控制器入門(PID Feedback Controllers)戴連奎浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所2004/07/25本講基本要求n掌握單回路控制器“正反作用”的選擇原則；n掌握單回路控制系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)；n掌握PID控制律的意義、PID參數(shù)與控制性能的關(guān)系。控制器的“正反作用”選擇問(wèn)題控制器Gc (s)執(zhí)行器Gv (s)控制通道Gp (s)測(cè)量變送Gm (s)設(shè)定值ysp偏差 e+_控制變量u操縱變量q被控變量y測(cè)量值ym擾動(dòng) D干擾通道GD (s)+被控對(duì)象問(wèn)題：如何構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)？控制器的控制器的“正反作用正反作用”選擇選擇n 定義：定義：當(dāng)被控變量的測(cè)量值測(cè)量值增大時(shí)，

2、控制器的輸出也增大，則該控制器為“正作用”；否則，當(dāng)測(cè)量值測(cè)量值增大時(shí)，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。n 選擇要點(diǎn)：選擇要點(diǎn)：使控制回路成為“負(fù)反饋”系統(tǒng)。選擇方法為：（1）假設(shè)檢驗(yàn)法假設(shè)檢驗(yàn)法，先假設(shè)控制器的作用方向，再檢查控制回路能否成為“負(fù)反饋”系統(tǒng)；（2）回路判別法回路判別法，先畫(huà)出控制系統(tǒng)的方塊圖，并確定回路除控制器外的各環(huán)節(jié)作用方向，再確定控制器的正反作用?？刂破鞯淖饔梅较蜻x擇：控制器的作用方向選擇：假設(shè)檢驗(yàn)法假設(shè)檢驗(yàn)法根據(jù)控制閥的“氣開(kāi)氣關(guān)”的選擇原則，該閥應(yīng)選“氣開(kāi)閥”，即： u Rf. (Why ?)假設(shè)溫度控制器為正作用，即：Tm u；則TC進(jìn)料出料燃料TTm

3、TspRfuTmuRfTTm結(jié)論結(jié)論：該控制器的作用方向不能為正作用，而應(yīng)為反作用.控制器的作用方向選擇：控制器的作用方向選擇：回路判別法回路判別法溫度控制器( ? )Tspe(t)+_Tm(t)+溫度測(cè)量變送( + )燃料控制閥( + )T(t)u(t)Rf (t)加熱爐控制通道( + )D(t)回路判別法的要點(diǎn)：（1）反饋回路中負(fù)增益環(huán)節(jié)（包括比較器）數(shù)為奇數(shù)；（2）對(duì)控制器而言，“正作用”是指Tm u?？刂葡到y(tǒng)的性能評(píng)價(jià)仿真程序見(jiàn)./Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl討論：如何評(píng)價(jià)或比較不同控制系統(tǒng)的性能？控制系統(tǒng)常用的性能指標(biāo)ySPy()BBy

4、0t0t1t2t3n 穩(wěn)態(tài)余差：0)()(yyyyespspn 衰減比：BBnn 振蕩周期T，n 調(diào)節(jié)時(shí)間 ts.n 上升時(shí)間 tr, 峰值時(shí)間 tp.純比例控制器n控制器增益 Kc或比例度對(duì)系統(tǒng)性能的影響：增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，但穩(wěn)定性下降（當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)頻率提高、最大偏差下降）；0)()(uteKtuc%100*1cK仿真結(jié)果參見(jiàn)./Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl比例增益對(duì)控制性能的影響比例積分控制器n積分時(shí)間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

5、作用過(guò)強(qiáng)時(shí)（即Ti 過(guò)小），可能使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。00)1(uedtTeKutic)11 ()(sTKsGicc仿真結(jié)果參見(jiàn)./Simulation/PIDControl/PILoop.mdl積分作用對(duì)控制性能的影響理想的比例積分微分控制器n微分時(shí)間Td 對(duì)系統(tǒng)性能的影響微分作用的增強(qiáng)（即Td 增大），從理論上講使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，但高頻噪聲起放大作用。對(duì)于測(cè)量噪聲較大的對(duì)象，需要引入測(cè)量信號(hào)的平滑濾波；而微分作用主要適合于特性一階滯后較大的廣義對(duì)象，如溫度、成份等。001)(udtdeTedteKudtTci)11 ()(sTsTKsGdicc微分作用對(duì)控制性能的影響問(wèn)題：控制作用的變化過(guò)大，對(duì)噪聲敏感，如何克服？實(shí)際的比例積分微分控制器1111)(sATsTsTKsGdddicc其中Ad 為微分增益SimuLink 結(jié)構(gòu):PID控制系統(tǒng)仿真舉例仿真結(jié)果參見(jiàn)./Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl結(jié)論n討論