浙大工業(yè)過(guò)程控制--4.PID控制器的參數(shù)整定及其應(yīng)用

1、2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制PID控制器的參數(shù)整定與應(yīng)用問(wèn)題戴連奎浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制上一講內(nèi)容回顧n討論仿真系統(tǒng)SimuLink的使用方法;n介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；n描述了單回路系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)；n通過(guò)仿真討論了PID控制律的意義及與控制性能的關(guān)系。2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制控制器的控制器的“正反作用正反作用”選擇選擇TC進(jìn)料出料燃料TTmTspRfu問(wèn)題:(1) 如何選擇控制閥的 “氣開(kāi)氣關(guān)”？(2) 如何選擇溫度控制器的正反作用，以使閉環(huán)系統(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)？2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制PID控制器的物理意義討論n對(duì)于一般的自衡過(guò)程

2、，當(dāng)設(shè)定值或擾動(dòng)發(fā)生階路變化時(shí)，為什么采用純比例控制器會(huì)存在穩(wěn)態(tài)余差？n引入積分作用的目的是什么，為什么引入積分作用會(huì)降低閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？n引入微分作用的目的是什么，為什么實(shí)際工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用并不多？2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制本講基本要求n了解PID控制規(guī)律的選取原則,n掌握單回路PID控制器的參數(shù)整定方法,n了解PID控制器的“防積分飽和”與“無(wú)擾動(dòng)切換”技術(shù),n了解PID參數(shù)的自整定方法。2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制n控制器增益 Kc或比例度增益 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；n積分時(shí)間Ti積分作用的增強(qiáng)（即Ti 下降），使系統(tǒng)消除余差的能力加強(qiáng)，

3、但控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；n微分時(shí)間Td微分作用增強(qiáng)（即Td 增大），可使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，但對(duì)高頻噪聲起放大作用，主要適合于特性滯后較大的廣義對(duì)象，如溫度對(duì)象等。PID參數(shù)對(duì)控制性能的影響2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制工業(yè)PID控制器的選擇*1：當(dāng)工業(yè)對(duì)象具有較大的滯后時(shí)，可引入微分作用；但如果測(cè)量噪聲較大，則應(yīng)先對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行一階或平均濾波。討論：討論：選擇原則分析。2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制PID工程整定法1-經(jīng)驗(yàn)法針對(duì)被控變量類(lèi)型的不同，選擇不同的PID參數(shù)初始值，投運(yùn)后再作調(diào)整。盡管簡(jiǎn)單，但即使對(duì)于同一類(lèi)型的被控變量，如溫度系統(tǒng)，其控制通道的動(dòng)態(tài)特性差別可能很大，因而

4、經(jīng)驗(yàn)法屬最為“粗糙”的整定法。（具體整定參數(shù)原則見(jiàn) p.65 表5.3-1）2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制工程整定法2-臨界比例度法步驟：步驟：（1）先將切除PID控制器中的積分與微分作用，取比例增益KC較小值，并投入閉環(huán)運(yùn)行；（2）將KC由小到大變化，對(duì)應(yīng)于某一KC值作小幅度的設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅振蕩；（3）設(shè)等幅振蕩時(shí)振蕩周期為T(mén)cr、控制器增益Kcr ，再根據(jù)控制器類(lèi)型選擇以下PID參數(shù)?？刂埔?guī)律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制單回路PID參數(shù)整定仿真舉例SimuLink仿真程序參見(jiàn).

5、PIDControlPIDLoop.mdl）2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制工程整定法3-響應(yīng)曲線法*n臨界比例度法的局限性：臨界比例度法的局限性：生產(chǎn)過(guò)程有時(shí)不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無(wú)法產(chǎn)生正常操作范圍內(nèi)的等幅振蕩。n響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法PID參數(shù)整定步驟：參數(shù)整定步驟：（1）在手動(dòng)狀態(tài)下，改變控制器輸出（通常采用階躍 變化），記錄被控變量的響應(yīng)曲線；（2）由開(kāi)環(huán)響應(yīng)曲線獲得單位階躍響應(yīng)曲線，并求取 “廣義對(duì)象”的近似模型與模型參數(shù)；（3）根據(jù)控制器類(lèi)型與對(duì)象模型，選擇PID參數(shù)并投 入閉環(huán)運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，可對(duì)增益作調(diào)整。2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制“廣義對(duì)象”動(dòng)態(tài)特性的階躍響應(yīng)測(cè)試法*tt

6、0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2Tp典型自衡工業(yè)對(duì)象的階躍響應(yīng)seTsKsusy1)()( 對(duì)象的近似模型：對(duì)應(yīng)參數(shù)見(jiàn)左圖，而增益為：minmax01minmax01uuuuyyyyKymin, ymax為CV的測(cè)量范圍；umin, umax為MV的變化范圍，對(duì)于閥位開(kāi)度通常用0100%表示。2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制Ziegler-Nichols參數(shù)整定法*n特點(diǎn)：特點(diǎn)：適合于存在明顯純滯后的自衡對(duì)象，而且廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線可用“一階+純滯后”來(lái)近似。n整定公式：整定公式：控制規(guī)律KCTITDPppTK1PIppTK19.03 . 3PIDppTK12.10 . 25

7、 . 02022-5-3工業(yè)過(guò)程控制響應(yīng)曲線法舉例SimuLink仿真程序參見(jiàn).PIDControl PIDLoop.mdl）假設(shè)測(cè)量范圍為200 400 ,K = 1.75, T = 10 min, = 7 min.Kc = 0.8, Ti = 14 min, Td = 3.5 min.2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制響應(yīng)曲線法舉例（續(xù)）2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制對(duì)于無(wú)顯著純滯后的自衡對(duì)象PID參數(shù)整定法（1/4準(zhǔn)則）*n特點(diǎn)：特點(diǎn)：適合于純滯后不顯著的自衡對(duì)象，而且廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)為 “S” 型曲線。n初始整定參數(shù)：初始整定參數(shù)：IDsIpTTTTK*41,*41%,100*41Ts 為對(duì)

8、象開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。n參數(shù)調(diào)整：參數(shù)調(diào)整：將上述PID控制器投入“Auto” （自動(dòng)）方式，并適當(dāng)改變控制回路的設(shè)定值，觀察控制系統(tǒng)跟蹤性能。若響應(yīng)過(guò)慢且無(wú)超調(diào)，則適當(dāng)加大KC，例如增大到原來(lái)的兩倍；反之，則減小KC值。2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制響應(yīng)曲線1/4準(zhǔn)則法舉例SimuLink 仿真程序參見(jiàn) . PIDControl PIDLoop.mdl2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制單回路系統(tǒng)的“積分飽和”問(wèn)題ud(t)廣義對(duì)象y(t)ysp(t)sTKIC11v問(wèn)題問(wèn)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(kāi)或全關(guān)，仍不能消除被控輸出y(t)與設(shè)定值y

9、sp(t)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u(t)無(wú)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)，由于u(t)在可調(diào)范圍以外，不能馬上起調(diào)節(jié)作用；等待一定時(shí)間后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常。2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制單回路系統(tǒng)積分飽和現(xiàn)象舉例單回路PID控制系統(tǒng)（無(wú)抗積分飽和措施）(參見(jiàn)模型/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl)2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制單回路系統(tǒng)積分飽和仿真結(jié)果2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制單回路系統(tǒng)的防積分飽和原理d(t)廣義對(duì)象y(t)ysp(t)vKCe(s)11sTI討論討論：正常情況為標(biāo)準(zhǔn)的PI控制算法；而當(dāng)出現(xiàn)超限時(shí)，

10、自動(dòng)切除積分作用。2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制單回路系統(tǒng)的抗積分飽和舉例(仿真模型參見(jiàn)/PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl)2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制手自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換問(wèn)題與實(shí)現(xiàn)ysp(t)uKCe(t)y(t)11sTAsTDDD11sTIAutoMan增量型手操器+實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)方式：在Auto （自動(dòng)）狀態(tài)，使手操器輸出等于調(diào)節(jié)器的輸出；而在Man（手動(dòng)）時(shí)，使調(diào)節(jié)器輸出等于手操器的輸出；2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制繼電器型PID自整定器原理繼電器調(diào)節(jié)器對(duì)象ATSyspyD2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制具有繼電器型非線性控制系統(tǒng)G(s)yspyd-

11、dh-h問(wèn)題：如何分析上述非線性系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的條件 ？2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制繼電器輸入輸出信號(hào)分析2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制周期信號(hào)的Fourier級(jí)數(shù)展開(kāi)一個(gè)以T為周期的函數(shù)f (t)可以展開(kāi)為10sincos2)(nnntnbtnaatf2222sin)(2,cos)(2TTnTTndttntfTbdttntfTa對(duì)齊次函數(shù), 有1sin)(nntnbtfT220sin)(4TndttntfTb假設(shè)繼電器的幅值為d，則繼電器輸出的一次諧波為ddttdTbT4sin42012022-5-3工業(yè)過(guò)程控制繼電器型控制系統(tǒng)等幅振蕩條件 對(duì)于沒(méi)有滯環(huán)的繼電器非線性環(huán)節(jié)，假設(shè)該環(huán)節(jié)輸入的一

12、次諧波振幅為a，則對(duì)繼電器輸入輸出的一次諧波，其增益為04adN閉環(huán)繼電系統(tǒng)臨界穩(wěn)定條件：1)(jNG對(duì)于繼電器控制器而言，其臨界增益為：,4adKcr臨界振蕩周期為 Tcr。再由臨界比例度法自動(dòng)確定PID參數(shù).2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制繼電器型PID自整定舉例具體參見(jiàn) /PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制結(jié) 論n討論了PID控制規(guī)律的選取原則,n詳細(xì)分析了單回路PID參數(shù)整定方法,n介紹了PID控制器的“防積分飽和”與“無(wú)擾動(dòng)切換”技術(shù),n分析了繼電器型PID參數(shù)自整定原理。2022-5-3工業(yè)過(guò)程控制練習(xí)題 對(duì)于題圖5-1（ p. 68 ）所示的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)，假設(shè)變送器量程為200 300。試回答以下問(wèn)題