PID控制及參數(shù)整定課件

第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)PID控制及參數(shù)整定第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)PID控制及參數(shù)整定1經(jīng)驗法整定PID參數(shù)

經(jīng)驗法整定PID參數(shù)

2積分飽和及抗積分飽和措施什么是積分飽和？當(dāng)一個具有積分作用的控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)時，如果偏差輸入信號一直存在，由于積分作用的存在，控制器的輸出不斷增加或不斷減小，一直達(dá)到輸出的極限值為止，這種現(xiàn)象稱為“積分飽和”。產(chǎn)生積分飽和的三個條件：一是控制器具有積分作用；二是控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)，其輸出沒有被送往執(zhí)行器；三是控制器的輸入偏差信號長期存在。積分飽和的后果：當(dāng)控制器處于積分飽和狀態(tài)時，它的輸出將達(dá)到最大或最小的極限值，該極限值已超出執(zhí)行器的有效輸入信號范圍，它在某個時刻重新被選擇器選中，取代另一個控制器對系統(tǒng)進(jìn)行控制時，由于它的輸出已到達(dá)飽和區(qū)，不在執(zhí)行器的有效輸入范圍之內(nèi)，所以它并不能立即發(fā)揮作用，使得控制作用不及時。積分飽和及抗積分飽和措施什么是積分飽和？3防止積分飽和的方法：(1)限幅法這種方法是通過一些專門的技術(shù)措施對積分反饋信號加以限制，從而使控制器輸出信號被限制在工作信號范圍之內(nèi)。(2)積分切除法這種方法是當(dāng)控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)時，將控制器的積分作用切除掉，這樣就不會使控制器輸出一直增大到最大值或一直減小到最小值，不會產(chǎn)生積分飽和。防止積分飽和的方法：4復(fù)雜控制系統(tǒng)

串級控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)

前饋控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)

串級控制系統(tǒng)5串級控制系統(tǒng)的工程設(shè)計

FC進(jìn)料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸汽流量恒定TC進(jìn)料塔底采出12蒸汽方案1：控制塔釜溫度恒定單回路控制的局限性目標(biāo)：控制塔釜溫度穩(wěn)定方案1優(yōu)點(diǎn)：將所有對溫度的干擾都概括在控制回路內(nèi)。缺點(diǎn)：當(dāng)蒸汽壓力波動較大時，由于溫度對象滯后較大，控制質(zhì)量不理想。方案2優(yōu)點(diǎn)：能及時克服蒸汽壓力的干擾對溫度的影響缺點(diǎn)：不能克服進(jìn)料流量、物料溫度等其他因素對溫度的影響。第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)的工程設(shè)計FC進(jìn)料塔底采出12蒸汽方案2：控制6蒸汽TC進(jìn)料塔底采出12FC方案3：串級控制系統(tǒng)希望在塔釜溫度不變時蒸汽流量能保持設(shè)定值，而當(dāng)塔釜溫度在外來干擾的作用下偏離給定值時，又要求蒸汽流量能作相應(yīng)的變化，使塔釜溫度保持在設(shè)定值上。

第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)蒸汽TC進(jìn)料塔底采出12FC方案3：串級控制系統(tǒng)7流量控制器TC2執(zhí)行器

流量對象溫度T設(shè)定值干擾f1精餾塔控制系統(tǒng)方塊圖溫度對象溫度控制器TC1－+－+干擾f2測量、變送y1測量、變送y2F副控制器執(zhí)行器

副對象主變量設(shè)定值主干擾串級控制系統(tǒng)方塊圖主對象主控制器＋－+＋－+副干擾主測量、變送副測量、變送副變量副回路主回路－－常用的名詞主變量副變量主對象副對象主控制器副控制器主回路副回路串級控制系統(tǒng)方塊圖第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)流量控執(zhí)行器流量對象溫度T設(shè)定值干擾f1精餾塔控制系統(tǒng)方塊圖8串級控制系統(tǒng)的工作過程在串級控制系統(tǒng)中，由于引入一個閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對作用于主對象上的干擾也能加速克服。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級控制系統(tǒng)中，由于主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制質(zhì)量。

干擾作用于副對象由于副回路控制通道短，時間常數(shù)小，所以當(dāng)干擾進(jìn)入副回路時，可以獲得比單回路控制系統(tǒng)超前的控制作用，有效地克服蒸汽壓力變化對塔釜溫度的影響干擾作用于主對象由于副回路的存在，可以及時改變副變量的數(shù)值，以達(dá)到穩(wěn)定主變量的目的。

第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)的工作過程在串級控制系統(tǒng)中，由于引入一個9串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

(1)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，串級控制系統(tǒng)有主、副兩個閉合回路；有主、副兩個控制器；有分別測量主變量和副變量的兩個測量變送器。在串級控制系統(tǒng)中，主回路是定值控制系統(tǒng)，而副回路是隨動控制系統(tǒng)。(2)在串級控制系統(tǒng)中，有兩主、副兩個變量。主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運(yùn)行情況的主要工藝變量。控制的目的在于使這一變量等于工藝規(guī)定的給定值。(3)從系統(tǒng)特性來看，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)量。適用范圍：當(dāng)對象的滯后和時間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而且頻繁、負(fù)荷變化大，簡單控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量的要求時，可采用串級控制系統(tǒng)。

第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍(1)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，串級控10串級控制系統(tǒng)主、副回路的選擇主變量的選擇與單回路控制時被控變量的選擇原則是一樣的，能直接或間接地表征生產(chǎn)過程質(zhì)量的參數(shù)都可以作為控制系統(tǒng)的被控變量。副變量的選擇副變量的變化應(yīng)在很大程度上影響主變量的變化副回路應(yīng)將生產(chǎn)過程中的主要干擾包圍在內(nèi)在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾副變量的選擇應(yīng)考慮到主、副對象時間常數(shù)的匹配，以防發(fā)生“共振”。當(dāng)對象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時，在選擇副變量時應(yīng)使副環(huán)盡量少包含純滯后或不包含純滯后。

回路選擇第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)主、副回路的選擇主變量的選擇副變量的選擇回路選擇11主副控制器控制規(guī)律的選擇串級控制系統(tǒng)的目的是為了高精度地穩(wěn)定主變量。主變量是生產(chǎn)工藝的主要控制指標(biāo)，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)的正常，工藝上對它的要求比較嚴(yán)格。一般來說，主變量不允許有余差。所以，主控制器通常都選用比例積分控制規(guī)律，以實現(xiàn)主變量的無余差控制。

在串級控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定副變量并不是目的，設(shè)置副變量的目的就在于保證和提高主變量的控制質(zhì)量。副變量的給定值是隨主控制器輸出變化而變化的。所以，在控制過程中，對副變量的要求一般都不很嚴(yán)格，允許它有波動。因此，副控制器一般采用比例控制規(guī)律。第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)穩(wěn)定主變量主副控制器控制規(guī)律的選擇串級控制系統(tǒng)的目的是為了高精度地穩(wěn)12主副控制器正、反作用的選擇選擇副回路控制器的正反作用與簡單控制系統(tǒng)中控制器“正”、“反”作用的選擇方式相同，先判斷副對象的正反作用，然后根據(jù)工藝安全等要求，選定執(zhí)行器的“正”、“反”作用方式，并按照使副控制回路成為一個負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來確定副回路控制器的正反作用。

選擇主回路控制器的正反作用確定原則：當(dāng)主、副變量在增加(或減小)時，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減小(或增加)，要求控制閥的動作方向是一致的，主控制器應(yīng)選“反”作用，反之，則應(yīng)選“正”作用。物料進(jìn)

物料出

冷卻器流量－溫度串級控制系統(tǒng)

第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)主副控制器正、反作用的選擇選擇副回路控制器的正反作用選擇13主副控制器參數(shù)的工程整定

兩步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器(1)在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，然后逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比(如4：1)過渡過程下的副控制器比例度δ2S和操作周期Τ2S。(2)在副控制器比例度等于δ2S，的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主控制器的比例度δ1S。和操作周期Τ1S。(3)根據(jù)上面得到的δ1S、、Τ1S、δ2S、、Τ2S計算主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。(4)按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定方法，將計算出的控制器參數(shù)加到控制器上。(5)觀察控制過程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過渡過程。第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)主副控制器參數(shù)的工程整定兩步整定法：先整定副控制器，14

一步整定法：即根據(jù)經(jīng)驗先將副控制器一次放好，不再變動，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。采用一步整定法副控制器參數(shù)選擇范圍副變量類型副控制器比例度δ2％副控制器比例放大倍數(shù)KP2溫度20～605.0～1.7壓力30～703.0～1.4流量40～802.5～1.25液位20～805.0～1.25一步整定法的整定步驟如下。(1)在生產(chǎn)正常，系統(tǒng)為純比例運(yùn)行的條件下，按照上表所列的數(shù)據(jù)，將副控制器比例度調(diào)到某一適當(dāng)?shù)臄?shù)值。(2)利用簡單控制系中任一種參數(shù)整定方法整定主控制器的參數(shù)。(3)如果出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象，可加大主控制器或減小副控制器的參數(shù)整定值，一般即能消除。第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)一步整定法：即根據(jù)經(jīng)驗先將副控制器一次放好，不再變動，15

前饋控制系統(tǒng)的工程設(shè)計

測量、變送設(shè)定值＋－控制器執(zhí)行器干擾對象干擾對象測量、變送執(zhí)行器控制器反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)反饋控制方案前饋控制方案反饋與前饋第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的工程設(shè)計測量、變送設(shè)定值＋－控制器執(zhí)行器干16D1，……，Dn為可測擾動；u，y分別為被控對象的操作變量與受控變量。前饋思想：在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。前饋思想全補(bǔ)償原理控制目標(biāo)：d

(t)、u

(t)、y

(t)分別表示工藝介質(zhì)流量（外部干擾）、蒸汽流量（控制變量）與工藝介質(zhì)的出口溫度（被控變量）；GFF(s)為前饋控制器的動態(tài)特性；GYD(s)、GYC(s)分別為干擾通道與控制通道的的動態(tài)特性。第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)D1，……，Dn為可測擾動；u，y分別為被控對象的操作變量與17前饋控制比反饋控制及時，并且不受系統(tǒng)滯后大小的限制。前饋控制屬于開環(huán)控制前饋控制規(guī)律與對象特性密切相關(guān)一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾前饋控制的特點(diǎn)第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋控制比反饋控制及時，并且不受系統(tǒng)滯后大小的限制。前饋18前饋控制的應(yīng)用場合

干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響劇烈，僅采用反饋控制達(dá)不到要求的對象。

主要干擾是可測而不可控的變量。所謂可測，是指干擾量可以用檢測變送裝置將其在線轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電信號。所謂不可控，主要是指這些干擾難以通過設(shè)置單獨(dú)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，這類干擾在連續(xù)生產(chǎn)過程中是經(jīng)常遇到的，其中也包括一些雖能控制但生產(chǎn)上不允許控制的變量，例負(fù)荷量等。當(dāng)對象的控制通道滯后大，反饋控制不及時，控制質(zhì)量差時，可采用前饋或前饋—反饋控制系統(tǒng)，提高控制質(zhì)量。第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋控制的應(yīng)用場合干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響劇烈，僅191.均勻控制系統(tǒng)

均勻控制問題的提出連續(xù)精餾的多塔分離過程對甲塔來說，塔釜液位是一個重要的工藝參數(shù)，必須保持在一定范圍之內(nèi)，為此配備了液位控制系統(tǒng)；對乙塔來說，從自身平穩(wěn)操作的要求出發(fā)，希望進(jìn)料量穩(wěn)定，所以設(shè)置了流量控制系統(tǒng)；這樣，甲、乙兩塔間的供求關(guān)系就出現(xiàn)了矛盾。為解決這一前后工序供求矛盾，希望設(shè)計一種控制系統(tǒng)使液位與流量同時平穩(wěn)；同時“均勻”地變化。第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)其它控制系統(tǒng)1.均勻控制系統(tǒng)

均勻控制問題的提出連續(xù)精餾的多塔分離過程201、表征前后供求矛盾的兩個變量在控制過程中都應(yīng)該是緩慢變化的。

2、前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動。

1－液位變化曲線2－流量變化曲線均勻控制的要求第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)1、表征前后供求矛盾的兩個變量在控制過程中都應(yīng)該是緩慢變化的21均勻控制指的是控制功能，而不是控制方案。因為就系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，有時象簡單控制系統(tǒng)，有時象串級控制系統(tǒng)。所以要識別控制方案是否起均勻控制作用，應(yīng)從控制的目的進(jìn)行確定。均勻控制的特點(diǎn)第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)均勻控制的特點(diǎn)第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)22單回路均勻控制系統(tǒng)串級均勻控制系統(tǒng)常用的兩種均勻控制方案第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)單回路均勻控制系統(tǒng)串級均勻控制系統(tǒng)常用的兩種均勻控制方案第六23通過控制器參數(shù)的設(shè)置，而不是改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)前后兩個變量間的相互協(xié)調(diào)的。參數(shù)整定的目的不是使變量盡快地回到給定值，而是要求變量在允許的范圍內(nèi)作緩慢的變化?？刂破鲄?shù)一般都采用純比例作用，且控制器比例度放的很大，以使輸出變化緩慢，只是在要求較高時，為了防止偏差超過允許范圍，才引入適當(dāng)?shù)姆e分作用。

均勻控制系統(tǒng)小結(jié)第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)通過控制器參數(shù)的設(shè)置，而不是改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)前后兩242.比值控制系統(tǒng)

問題的提出比值控制的目的是為了實現(xiàn)幾種物料按一定比例混合，使生產(chǎn)能安全、正常的進(jìn)行。實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制。在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種物料處于主導(dǎo)地位，成為主物料、主動量、主流量，用Q1表示；而另一種物料按主物料進(jìn)行配比，在控制過程中隨主物料而變化，因此稱為從物料、從動量、副流量，用Q2表示；副流量Q2與主流量Q1的比值關(guān)系為Q2＝KQ1式中K為副流量與主流量的流量比值系數(shù)。第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)2.比值控制系統(tǒng)

問題的提出比值控制的目的是為了實現(xiàn)幾種物25比值控制方案1：開環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器執(zhí)行器對象測量、變送給定－Q2Q1開環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖

主、副流量均開環(huán)；由于系統(tǒng)開環(huán)，該方案對副流量Q2無克服干擾的能力，只適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場合。第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)比值控制方案1：開環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器執(zhí)行器對象測量、變送給26比值控制方案2：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器F2C執(zhí)行器對象副測量、變送－控制器F1C給定－主測量、變送Q1Q2單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖

副流量閉環(huán)控制主流量開環(huán)控制適用于主物料在工藝上不允許進(jìn)行控制的場合

第六章復(fù)雜控制系統(tǒng)比值控制方案2：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器F2C執(zhí)行器對象副測27比值控制方案3：雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)給定－K