PID控制與參數(shù)整定

1、PID控制與參數(shù)整定張建明浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所 討論題反饋控制器正反作用的定義是什么？針對(duì)具體對(duì)象，如何選擇控制器正反作用？如何評(píng)價(jià)一個(gè)控制系統(tǒng)的品質(zhì)？描述P, PI 與 PID控制器的輸入輸出關(guān)系對(duì)于常見的被控過程，為什么采用P控制器會(huì)產(chǎn)生余差而采用PI控制器能消除余差？為什么PID控制器中的微分作用在實(shí)際過程中使用的不多？ PID參數(shù)整定方法主要內(nèi)容反饋控制器的正反作用過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)PID控制律的特性PID控制器選擇單回路PID控制器參數(shù)整定如何構(gòu)成負(fù)反饋？如何構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)？Gc(s)：控制器； Gv(s)：調(diào)節(jié)閥； Gm(s)：測量變送Gp(s)：控制通道；Gd

2、(s)：干擾通道控制器的“正反作用”選擇 定義：當(dāng)被控變量的測量值增大時(shí)，控制器的輸出也增大，則該控制器為“正作用”；否則，當(dāng)測量值增大時(shí)，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。 選擇要點(diǎn)：使控制回路成為“負(fù)反饋”系統(tǒng)。選擇方法：（1）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。先畫出控制系統(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。假設(shè)檢驗(yàn)法舉例#1蒸汽閥為氣開閥，有 u RV假設(shè)控制器TC 22為正作用。 如果 T, 則結(jié)論：為使控制回路成為“負(fù)反饋”系統(tǒng)，TC22 須為反作用控制器。假設(shè)檢驗(yàn)法舉例#2冷卻

3、水閥須為氣關(guān)閥，因此 u （冷卻水量）Fw假設(shè)TC 25為正作用控制器如果 T，則結(jié)論：TC 25須為反作用控制器回路分析法舉例#1 步驟 1：畫控制回路方塊圖步驟 2：標(biāo)注除控制器外的每一方塊的正反作用步驟 3：決定控制器的正反作用以構(gòu)成負(fù)反饋回路(+)(+)(+)()TC 22 為反作用控制器廣義對(duì)象（+）回路分析法舉例#2()(+)()TC 25 為反作用控制器()廣義對(duì)象（+）一般的反饋控制系統(tǒng)對(duì)于某一被控過程，最適合其特性的控制器是最好的控制器。如何評(píng)價(jià)？控制性能指標(biāo)衰減比超調(diào)量回復(fù)時(shí)間余差偏差平方值積分偏差絕對(duì)值積分偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積的積分PID 控制器比例控制器比例增益比例度工

4、作點(diǎn)比例帶的概念定義：比例帶是指使控制器輸出CO全范圍變化所對(duì)應(yīng)的控制誤差的比例。比例增益對(duì)控制性能的影響Fi(t) 在10 min 時(shí)，從10升/min 階躍增加至11升/min為什么會(huì)存在余差？比例增益對(duì)控制性能的影響增益 Kc 增大，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、余差下降）。積分過程？開環(huán)不穩(wěn)定過程？比例積分控制器Ti 被稱為積分時(shí)間，單位：分鐘或秒積分對(duì)控制性能的影響1Fi(t) 在10 min 時(shí)，從10升/min 階躍增加至11升/min積分對(duì)控制性能的影響2可消除余差，為什么？積分作用使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降積分時(shí)間Ti 越短，積分作用越強(qiáng)，閉環(huán)系統(tǒng)

5、消除余差的速度越快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性越弱。PID（比例-積分-微分）控制器Td 為微分時(shí)間 理論P(yáng)ID 控制器 工業(yè) PID 控制器Ad 被稱為微分增益。范圍為620，常取為10工業(yè)PID控制器的仿真實(shí)現(xiàn) 工業(yè) PID 控制器T2 = Td/Ad工業(yè)PID控制器的輸入輸出響應(yīng)討論Td、Ad 對(duì)控制器輸出的響應(yīng)微分對(duì)控制性能的影響Ti(t) 在10 min 時(shí)，從50 階躍增加至60 。微分對(duì)控制性能的影響PID 控制器有三個(gè)可整定參數(shù)：控制器增益、積分時(shí)間與微分時(shí)間。微分作用的引入可使控制器具有超前預(yù)測作用。PID 控制器主要適用于具有較長時(shí)間常數(shù)、且測量噪聲較少的慢過程，例如：溫度與成分控制回

6、路。對(duì)于噪聲水平較高的快速過程，例如流量與壓力回路，微分作用的引入將放大噪聲，因此不宜使用。對(duì)于某一動(dòng)態(tài)特性未知的廣義被控過程，如何選擇PID控制器形式，并整定PID控制器參數(shù) ?單回路PID控制系統(tǒng)應(yīng)用問題工業(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；但如果測量噪聲較大，則應(yīng)先對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行一階或平均濾波。PID參數(shù)整定的概念PID工程整定法1-經(jīng)驗(yàn)法針對(duì)被控變量類型的不同，選擇不同的PID參數(shù)初始值，投運(yùn)后再作調(diào)整。盡管簡單，但即使對(duì)于同一類型的被控變量，如溫度系統(tǒng)，其控制通道的動(dòng)態(tài)特性差別可能很大，因而經(jīng)驗(yàn)法屬最為“粗糙”的整定法。（具體整定參數(shù)原則見 p.58

7、 表3-2）工程整定法2-閉環(huán)整定法1、先切除PID控制器中的積分與微分作用，設(shè)置比例增益KC為一個(gè)較小值，并投入閉環(huán)運(yùn)行；2、將設(shè)定值作小幅度的階躍變化，觀察測量值的響應(yīng)變化情況；3、逐步增大KC的取值，對(duì)于每個(gè)KC值重復(fù)步驟2中的過程，直至產(chǎn)生等幅振蕩；4、設(shè)等幅振蕩的振蕩周期為Tu、產(chǎn)生等幅振蕩的控制器增益為Kcu 。閉環(huán)整定法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，并按下表得到正常工作下的控制器參數(shù)?？刂埔?guī)律KcTiTdP0.5KcuPI0.45Kcu0.83TuPID0.6Kcu0.5Tu0.12Tu閉環(huán)整定法臨界比例度法的局限性：生產(chǎn)過程有時(shí)不

8、允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無法產(chǎn)生正常操作范圍內(nèi)的等幅振蕩。閉環(huán)整定法在手動(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；根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線求取“廣義對(duì)象”的近似模型與模型參數(shù)；根據(jù)控制器類型與對(duì)象模型，選擇PID參數(shù)并投入閉環(huán)運(yùn)行。根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)情況，增大或減少控制器增益Kc直至滿意為止。工程整定法3-開環(huán)整定法開環(huán)整定法獲得廣義對(duì)象模型對(duì)象的近似模型：開環(huán)整定法(Ziegler-Nichols 法)控制器類型KcTiTdP0PI0PID注意：上述整定規(guī)則僅限于取值開環(huán)整定法(Lambda 法)控制器KcTiTdPPITPIDT/2注意：上述整定規(guī)則不受/T 取值的限制

9、廣義對(duì)象特性參數(shù)：K = 1.75T = 6.5min,= 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 min開環(huán)整定法廣義對(duì)象特性參數(shù)：K = 1.75T = 6.5min,= 6.3 min若采用 PI 控制器，Z-N 法：Kc = 0.53, Ti = 20.8 minLambda 法：Kc = 0.30, Ti = 6.5 min開環(huán)整定法繼電器型PID自整定器具有繼電器型非線性控制系統(tǒng)問題：分析上述非線性系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的情況？繼電器輸入輸出信號(hào)分析周期信號(hào)的Fourier級(jí)數(shù)展開

10、一個(gè)以T為周期的方波函數(shù)f (t)可以展開為假設(shè)繼電器的幅值為d，則繼電器輸出的一次諧波繼電器型控制回路的等幅振蕩假設(shè)：一次諧波分量占優(yōu)對(duì)象具有低通特性則繼電器輸入信號(hào)的振幅a為系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩時(shí)滿足：再由臨界比例度法自動(dòng)確定PID參數(shù).繼電器型PID自整定舉例工業(yè)單回路PID控制器PID1PID2手自動(dòng)無擾動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)方式：Auto (自動(dòng))狀態(tài)，使手操器輸出等于調(diào)節(jié)器的輸出；Man(手動(dòng))狀態(tài)，使調(diào)節(jié)器輸出等于手操器的輸出。小結(jié)反饋控制器的正反作用過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)PID控制律的特性PID控制器選擇單回路PID控制器參數(shù)整定以管式加熱爐工藝介質(zhì)的出口溫度控制為例，說明為什么要引入串級(jí)控制？在串級(jí)控制方案中，副參數(shù)（即內(nèi)回路的被控變量）的選擇至關(guān)重要。仍以加熱爐工藝介質(zhì)出口溫度控制問題為例，說明副參數(shù)選擇的基本要求與原則。以爐出口溫度與燃料氣流量的串級(jí)控制方案為例，描述其控制系統(tǒng)方塊圖，并指出與主副控制器對(duì)應(yīng)的廣義被控對(duì)