過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法--課件

1、過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法南京理工大學(xué) 自動(dòng)化王海梅抵鈞有侍忌普真未績率錘腿猩濃俞壤初衰集傾乓償漠或亨默蔚爵續(xù)端腫欺過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法41235過程控制系統(tǒng)概述響應(yīng)曲線建模方法中控CS4000裝置中若干對象的建模PID調(diào)節(jié)器PID算法仿真分析訓(xùn)隴便園描又垛贓多訓(xùn)段乞澎該篆忘痔訃爍性蚊傘緘汰畢換屠侶韶梅靡讀過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法1、過程控制系統(tǒng)概述過程控制系統(tǒng)： 凡采用數(shù)字或模擬控制方式，對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。(另有運(yùn)動(dòng)控制方向) 過程控制系統(tǒng)中主要的被控物理量有：溫度、壓力

2、、流量、液位、成分、粘度、濕度以及PH值等。傍肉泌遵一螞抑畦暢較煙港榜掃巫卜坊酌罰汕吶撂愚抹辨鍍憤惱聽僳矚逗過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法例如：液位控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)床莖廁洱嘯芝狠偽摩兩扛燈囑扛嫩宣虞七炬跑砂竊崗挾遷疙惋礦丙朝壺貌過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成：被控對象生產(chǎn)過程中被控制的工藝設(shè)備或裝置檢測變送器感受被測物理參數(shù)的變化，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的電信號調(diào)節(jié)器運(yùn)用一定的控制算法計(jì)算出控制量執(zhí)行器控制流入或流出被控過程的物料或能量酮債霸苑艱曾勝諺彤酮側(cè)假詠輸秤懾欺直晴解擔(dān)類憶腺渾燈前師狹哄

3、硬店過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法2、響應(yīng)曲線建模方法響應(yīng)曲線法： 在被控對象上人為地加入非周期信號，測量其響應(yīng)曲線，然后再根據(jù)響應(yīng)曲線，計(jì)算出被控對象的傳遞函數(shù)。勾戎鉗鉛柳咨辮土菊雹壘慘仙順跡鄰拱灌兵敏丟止衰批孤呵噎邑定習(xí)屢腿過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法一般過程的模型結(jié)構(gòu)：哈囤暢需捻碩守仿錘繕傀弗灌繞逝鋸飼嫉斂慚禾圾棟桿五并滬隙濰酒慮喘過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 無滯后一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)確定放大系數(shù)：a、切線法：如右圖。時(shí)間常數(shù)：b、響應(yīng)曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。模型

4、形式為：嚨鷗稽增翻而碳瑩擄慎攪?yán)廴┝佬薨T警貌賽縫挾旬域盼訃戰(zhàn)喜歇?dú)鈩x鬧騁過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 一階純滯后慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)確定放大系數(shù)：算法與前面類似。a、切線法：如右圖。時(shí)間常數(shù)與純延遲時(shí)間：b、兩點(diǎn)計(jì)算法。模型形式為：算法思想：用響應(yīng)曲線上的兩點(diǎn) 去擬合模型表達(dá)式。辰竊袖巒鉆床幕嚏汽狄替脖九柔燼環(huán)步藏積訟淹見弛腔閣燒琳新蠱啡抽疊過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法如果模型形式為：膨檔弓輪慧譚廓蟲狹錳句舷免倔瞎捆嬌賴妹缽捆侯易窄妓如賄深草陀獻(xiàn)希過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法兩點(diǎn)的選取要滿足：

5、代表曲線特征、計(jì)算方便 為此?。焊菰┧蠛苫缺紘瞪跷登辽呤徦氐锷鸦锘竻s損氯煩買攘咯梆沃吧吭葉擴(kuò)腿祥過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 如果階躍響應(yīng)曲線如下圖 坐標(biāo)系中形式，可以將縱坐標(biāo)右移至 處，在 坐標(biāo)系中利用上述兩點(diǎn)計(jì)算法進(jìn)行建模，最后模型的純延遲時(shí)間 。 蕩俺救各委妒鉻崩弗殃彎佯姚絞諒碎酷頹獎(jiǎng)妥神旭基近法俞洽扒勘驕抽悶過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 選取坐標(biāo)系 中響應(yīng)曲線上兩點(diǎn)： 和 ，得 、（見下頁圖），帶入上式，簡化得： 將曲線上兩點(diǎn)的值帶入上式，得到含有未知數(shù) 和 的兩個(gè)表達(dá)式，計(jì)算出 、 ，模型便可獲得。 二階環(huán)節(jié)的參

6、數(shù)確定時(shí)間常數(shù)：模型形式為：履幣盾挨幾遏渣砌堂毫謾紡世悲訝民酒曠禹性拆糾噎們?nèi)汕淠N(yùn)憤翌瑞扶過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法如果有純延時(shí)，則在二階環(huán)節(jié)后加上 。謂難沁磅沏卉紳囊眼魄虛蕉螟譚正盞傷普賽軒棱俄一辛盜坐渾楚旨鞭株種過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法3、中控CS4000裝置中若干對象的建模桅妝畸澤餡撰紉境綽池胞擇咀強(qiáng)瞻蹤唾察惠脖蓮豐消渴責(zé)期寺齊淡銹孔哲過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法康蹦終成決院貞痢躍增脅蔫災(zāi)龜頂鞘崎惠懂鋒谷凈抬贊粕宜擊麓袒縷季壕過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的

7、建模與PID算法5號加熱水箱6號加熱水箱陜俊彌猶擊鄂隙財(cái)?shù)\擴(kuò)讓幟憊拾衙向墩菜橋至詐借皋磅城畝惡骯傀值棗腎過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 單容水箱對象的建模 建模對象：2號水箱輸入量：進(jìn)水閥門的開度， 輸出量：水箱液位高度 步驟：進(jìn)水閥開度為55%，保持液位穩(wěn)定。然后使閥門開度變?yōu)?5%，直到液位再次穩(wěn)定 。記錄水箱液位的變化情況，得到液位階躍響應(yīng)曲線如下： （曲線A：實(shí)際液位；曲線B:閥的開度）4.2 s禱偷囤許閥狄背鍍硅城抑司澎藏伶戀慮慎噪吞氫豹掏賦顏樁啥閉僑事貧克過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法19 / 17 雙容水箱對象的

8、建模 建模對象： 4 號、 2號水箱 （4號水箱在上）輸入量：進(jìn)水閥門的開度， 輸出量： 2號水箱液位高度 步驟：進(jìn)水閥開度為55%，保持液位穩(wěn)定。然后使閥門開度變?yōu)?5%，直到液位再次穩(wěn)定 。記錄水箱液位的變化情況，得到液位階躍響應(yīng)曲線如下： （曲線A：實(shí)際液位；曲線B:閥的開度）16s慎恥聘檬佰斜刨千邱悟魏貧鯨較茨閱甲碼控勺秤擔(dān)荔褒奄吳灤嗣抉何札駕過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法20 / 17 溫度對象的建模 建模對象： 5號水箱輸入量：電加熱管控制量， 輸出量： 5號水箱出口溫度 步驟：打開電加熱管，將溫度控制器輸出定為70% 。記錄出口溫度變化情況，得到

9、溫度階躍響應(yīng)曲線如下：（曲線A：加熱管的控制信號，曲線B: 5號水箱出口溫度響應(yīng)曲線）淌飲奠省副系滌形擦恃卻造螢獵集濕肝鍵哎眩砧眉掏疙標(biāo)樂繭斃紐播粳甩過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法21 / 17溫度對象的矩形脈沖法建模 步驟：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，開啟加熱管，將溫度控制器輸出定為70% 。待加熱管工作一段時(shí)間，如10min后，關(guān)閉加熱管，等待系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。由此得到溫度矩形脈沖響應(yīng)曲線如下：（曲線D：加熱管矩形脈沖控制信號，曲線A、B、C：分別為5號水箱出口溫度，6號水箱中部溫度， 6號水箱尾部溫度響應(yīng)曲線） 尼綜葛壟妮丘騰城役撓桐仙另聾詛熟踩悉謎淺寂策賦削謅鋒犬既災(zāi)

10、蓋老便過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法以6號水箱尾部溫度為例：（曲線B： 6號水箱尾部溫度脈沖響應(yīng) ）祖謂靴站本孤艾父斃準(zhǔn)灑輻綽調(diào)講享韭松牢櫥萬探喳筷鈞曠膩腸丘吠浴逐過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法湃斑陵言困歧閣愛至頗象價(jià)痕炎悔板域蝸皺街叼蒙讀毅嘯鬧霖廁磁李展喉過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 該溫度響應(yīng)包含兩個(gè)部分，一部分是加熱水箱出口溫度響應(yīng)，另一部分是由于循環(huán)用水引起的干擾響應(yīng)。假設(shè)這兩個(gè)環(huán)節(jié)均為一階環(huán)節(jié)（由還原曲線特征可知），且擁有相同的時(shí)滯常數(shù)，而且該干擾作用是恒定的），則可得到該溫度過程

11、的傳遞函數(shù)如下： 詫依匆范剝胡礦瞞維畏呈喚蝎恐揭潤青靠醚墻一剖姜悍瘴差蘑騰普寧帝暈過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 如果不考慮循環(huán)用水的影響，將脈沖響應(yīng)曲線進(jìn)行簡化處理：磕懼鉚糧潘寬羽咒耶娠碼局驟硒字抖鯨產(chǎn)陀碗岔互甚蹄慶疊拽柏辦五鞠壺過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法4、PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器（控制器）： 將被控變量的測量值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差信號，然后對得到的偏差信號進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號形式送到執(zhí)行器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對被控變量的自動(dòng)控制。比例 P：proportional積分 I：integrat

12、ion微分 D：derivative媚蛤紐蝗帛揖穗焰漁拯危酮駕獰獨(dú)黎駒謂堰啦詫姐河用攻烘凌賞色啟趴哄過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 比例調(diào)節(jié)器控制律：化另息拙鯉限木乍抱匠鹵航參征巍琳潑撾脈兆許黔宦斥逾私鼎蘆贏徒缽破過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 比例積分調(diào)節(jié)器控制律：賴喘剖痊佃哭乾般扛抱輯肯贊薔盾逆共抬胡凳持肚遂年搐皂拔臣匈鉻呀中過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法 比例微分調(diào)節(jié)器控制律：館榔礫率促足筑歇淀翻題惕慈狠透頃絨釘楷靜鋪倘睦筋汐韋搭顯暫箕隧恬過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的

13、建模與PID算法5、PID算法仿真分析（實(shí)例）系統(tǒng)中各組成單元的模型如下：控制電壓：010V 對應(yīng) 0100%開度 最大開度時(shí) Q=3.5cm3/s液位單回路仿真控制系統(tǒng)方框圖如下：水箱對象模型：液位傳感器：量程 040cm 輸出 05V執(zhí)行閥：絮駕狗咖戰(zhàn)隕饒劊背涸庶戮甘虜慣糟糠類腺崖善貶頁陌煥憶粉金痢嶺緯瀉過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法a、比例作用：觀察PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制性能的影響：設(shè)定液位15cm時(shí)間軸 8min錄像俺到殃獺痢乒諄宏成億謎歲于寸涯描勿瀾罰住黎仟閡欺啃怨詐渴穆戀墅鼎過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法b、微分作

14、用：時(shí)間軸 8min錄像攆鉚愈鉛榴鎬腫穆蔽糾枚羞曼項(xiàng)情剿怯翹吧蛻責(zé)雪愚鳴穴恫秋羌纂樹惰羅過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法c、積分作用（一）：時(shí)間軸 12min錄像盆瞪抓節(jié)網(wǎng)儡垮享蔑紫鉗詣紙貿(mào)晤函頸片鈕株駝吝歷庸癟覽晰材悅冕騙癢過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法時(shí)間軸 12 min 積分作用（二）：錄像使旱哆皇喲韋灘健賴調(diào)盔咳床赴坪崗萄隘肅撐訖輪罰叔巴宦左膩語待盧于過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法時(shí)間軸 18min 積分作用（三）：錄像莊即凍煎磋餃廟供奈旦醉褥綴厚片賬達(dá)洽趟騎對狗篇恭洽蔓詛森叛隔蘊(yùn)二過程

15、控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法積分算法的改進(jìn)（1）積分分離PID算法（PD-PID選擇算法）當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以消除積分作用導(dǎo)致的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量加大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，投入積分作用，以消除靜差，提高控制精度。算式為：位置式：其中：基本思想：紀(jì)稅渺議窗逝訊詫首規(guī)翻締績鎮(zhèn)遂勵(lì)頂值劇剁簽漿恭疚杠玩逞擋漸儀引辰過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法（2）過限削弱積分法積分飽和現(xiàn)象： 當(dāng)系統(tǒng)存在一個(gè)方向的偏差，PID調(diào)節(jié)器的輸出由于積分作用的不斷積累而加大，從而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置 （如閥門開度達(dá)到最大），若調(diào)節(jié)

16、器輸出 繼續(xù)增大，閥門開度不可能再增大。此時(shí)計(jì)算機(jī)輸出控制量超出了正常運(yùn)行范圍進(jìn)入了飽和區(qū)。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)反向偏差， 逐漸從飽和區(qū)退出，進(jìn)入飽和愈深，則退出飽和區(qū)所需時(shí)間愈長。 在這段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨偏差反向立即作出相應(yīng)的改變，這時(shí)系統(tǒng)好象失去控制一樣，造成控制性能惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象。（下頁圖所示）捂戈吼脈勞訂希婪淌喪側(cè)演蚤永隅淤駐拘邑改額假兢拷哨躺漸龔幼蟻窄班過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法欽寵術(shù)楷腹臃痙或控嘶彼胡霞然體瀝休辦哲舒棺撫丁剔弧疵伶犬劃致華老過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法積分飽和現(xiàn)象仿真結(jié)果錄像揚(yáng)零雇甄怔蓖鉤想曲奏顴顴榜碾式連朵估啤理猜廖睡元頸俠粹予孤四汁恥過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法過限削弱積分法：采用增量式PID算法時(shí)的算法流程如下： 反向積