中國石油大學(xué)過程控制課件03 簡單控制_PID控制

1、PID控制控制器上一講內(nèi)容回顧討論了調(diào)節(jié)閥的流量特性；引入了廣義對象的概念；描述了單回路系統(tǒng)的常用性能指標。本講基本要求掌握單回路控制器的“正反作用”選擇；掌握PID控制律的意義及與控制性能的關(guān)系了解PID控制律的選取原則掌握單回路PID控制器的參數(shù)整定方法了解“防積分飽和”與“無擾動切換”了解PID參數(shù)的自整定方法控制器的“正反作用”選擇問題控制器Gc (s)執(zhí)行器Gv (s)控制通道Gp (s)測量變送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測量值ym擾動 D干擾通道GD (s)+被控對象問題：如何構(gòu)成一個負反饋控制系統(tǒng)？控制器的“正反作用”選擇n 定義：定義：當(dāng)

2、被控變量的測量值測量值增大時，控制器的輸出也增大，則該控制器為“正作用”；否則，當(dāng)測量值測量值增大時，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。n 選擇要點：選擇要點：使控制回路成為“負反饋”系統(tǒng)。n選擇方法選擇方法：（1）假設(shè)檢驗法。假設(shè)檢驗法。先假設(shè)控制器的作用方向，再檢查控制回路能否成為“負反饋”系統(tǒng)。（2）回路判別法?；芈放袆e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?？刂破鞯淖饔梅较蜻x擇：假設(shè)檢驗法根據(jù)控制閥的“氣開氣關(guān)”的選擇原則，該閥應(yīng)選“氣開閥”，即： u Rf。 假設(shè)溫度控制器為正作用，即：Tm u；則TC進料出料燃料TTmTs

3、pRfuTmuRfTTm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：符號分析法溫度控制器( ? )Tspe(t)+_Tm(t)+溫度測量變送( + )燃料控制閥( + )T(t)u(t)Rf (t)加熱爐控制通道( + )D(t)ueTTueTTKTQTQKQuQuKcv0反作用正作用氣關(guān)氣開Km一般為正保證負反饋：即KcKvKoKm為正課堂提問TC進料出料燃料TTmTspRfu問題:1、指出廣義對象的輸入和輸出；2、選擇調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)特性；3、選擇溫度控制器的正反作用使閉環(huán)系統(tǒng)為負反饋系統(tǒng);4、方框圖。課堂練習(xí)1. 假設(shè)不能滿罐假設(shè)不能滿罐2. 假設(shè)不能抽

4、空假設(shè)不能抽空課堂練習(xí)1. 假設(shè)不能滿罐假設(shè)不能滿罐2. 假設(shè)不能抽空假設(shè)不能抽空PIDPID控制器PID 控制器比例控制器0)()(uteKtuc%100*1cK比例增益對控制性能的影響比例增益 Kc 增大，調(diào)節(jié)作用增強，但穩(wěn)定性下降(當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，調(diào)節(jié)頻率提高且余差下降)。比例積分控制器00)1(uedtTeKutic)11 ()(sTKsGicc積分作用對控制性能的影響積分時間Ti 對系統(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)積分作用過強時（即Ti 過?。赡苁箍刂葡到y(tǒng)不穩(wěn)定。理想的比例積分微分控制器微分時間Td 對系統(tǒng)性能的影響微分作用的增強

5、（即Td 增大），從理論上講使系統(tǒng)的超前作用增強，穩(wěn)定性得到加強，但對高頻噪聲起放大作用。對于測量噪聲較大的對象，需要引入測量信號的平滑濾波；而微分作用主要適合于一階滯后較大的廣義對象，如溫度、成份等。001)(udtdeTedteKudtTci)11 ()(sTsTKsGdicc微分作用對控制性能的影響實際的比例積分微分控制器11( )11dcciddT sG sKTsA T s其中Ad 為微分增益SimuLink 結(jié)構(gòu):PIDPID參數(shù)對控制性能的影響控制器增益 Kc或比例度PB增益增大(即Kc 增大或比例度PB下降)，調(diào)節(jié)作用增強，但穩(wěn)定性下降；積分時間Ti積分作用增強（即Ti 下降），

6、使系統(tǒng)消除余差的能力加強，但控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；微分時間Td微分作用增強（即Td 增大），可使系統(tǒng)的超前作用增強，穩(wěn)定性得到加強，但對高頻噪聲起放大作用，主要適合于特性滯后較大的廣義對象，如溫度對象等。工業(yè)PID控制器的選擇*1：當(dāng)工業(yè)對象具有較大的滯后時，可引入微分作用；但如果測量噪聲較大，則應(yīng)先對測量信號進行一階或平均濾波。PIDPID工程整定法1-1-經(jīng)驗法針對被控變量類型的不同，選擇不同的PID參數(shù)初始值，投運后再作調(diào)整。盡管簡單，但即使對于同一類型的被控變量，如溫度系統(tǒng)，其控制通道的動態(tài)特性差別可能很大，因而經(jīng)驗法屬最為“粗糙”的整定法。（具體整定參數(shù)原則見 p.65 表5.3-1

7、）控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)流 量：對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動，要大40100%；Ti要短0.11min ；不用微分 。溫 度：對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，應(yīng)小2060%； Ti要長310min；一般需加微分 Td=0.53min 壓 力：對象的容量滯后不算大，一般不加微分 =3070% Ti=0.43min液 位：對象時間常數(shù)范圍較大，要求不高時， 可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分， = 2080 % 工程整定法2-2-臨界比例度法1、先切除PID控制器中的積分與微分作用（即將積分時間設(shè)為無窮大，微分時間取為0），并令比例增益KC為一個較小值，并投入閉環(huán)閉環(huán)運行；2、將設(shè)定值作小幅度的

8、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，對于每個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Pu、產(chǎn)生等幅振蕩的控制器增益為Kcmax 。臨界比例度法舉例TC進料出料燃料TTmTspRfu臨界比例度法舉例( (續(xù)1)1)臨界比例度法( (續(xù)) )控制規(guī)律KcmaxTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu根據(jù)等幅振蕩曲線得到的振蕩周期Pu和產(chǎn)生等幅振蕩的控制器增益Kcmax ，對所選擇的控制規(guī)律查表得到控制器參數(shù)。臨界比例度法舉例（續(xù)2 2）工程整定法3-3-響應(yīng)曲線法臨界比例度法的局限

9、性：臨界比例度法的局限性：生產(chǎn)過程有時不允許出現(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。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）根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線求取“廣義對象”的近似模型與模型參數(shù)；（3）根據(jù)控制器類型與對象模型，選擇PID參數(shù)并投 入閉環(huán)運行。在運行過程中，可對增益作調(diào)整。響應(yīng)曲線法舉例TC進料出料燃料TTmTspRfu階躍響應(yīng)測試法舉例（續(xù)1 1）0.6320.2831.5Ttt0.6320tTTseTsKsusy1)()(對象的近似模型：minmax01minmax01uu

10、uuyyyyKZiegler-NicholsZiegler-Nichols參數(shù)整定法特點：特點：適合于存在明顯純滯后的自衡對象，而且廣義對象的階躍響應(yīng)曲線可用“一階+純滯后”來近似。整定公式：整定公式：控制規(guī)律KCTITDPppTK1PIppTK19.03 . 3PIDppTK12.10 . 25 . 0響應(yīng)曲線法舉例（續(xù)2 2）繼電器型PIDPID自整定器繼電器調(diào)節(jié)器對象ATSyspyD具有繼電器型非線性控制系統(tǒng)G(s)yspyd-dh-h問題：分析上述非線性系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的條件 ？繼電器輸入輸出信號分析周期信號的FourierFourier級數(shù)展開一個以T為周期的方波函數(shù)f (t)可以展

11、開為1( )sin,nnf tbn t20sin)(4TndttntfTb假設(shè)繼電器的幅值為d，則繼電器輸出的一次諧波為ddttdTbT4sin4201繼電器型控制系統(tǒng)等幅振蕩條件對于沒有滯環(huán)的繼電器環(huán)節(jié)，假設(shè)該環(huán)節(jié)輸入的一次諧波振幅為a，則a為4()udaG j系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩的條件是：arg()14()uuuG jdKG ja 再由臨界比例度法自動確定PID參數(shù).繼電器型控制系統(tǒng)等幅振蕩條件再由臨界比例度法自動確定PID參數(shù).控制規(guī)律KcTiTdP0.5KuPI0.45Ku0.83TuPID0.6Ku0.5Tu0.12Tu繼電器型PIDPID自整定舉例繼電器型PIDPID自整定舉例（續(xù)）單回路

12、系統(tǒng)的“積分飽和”問題ud(t)廣義對象y(t)ysp(t)sTKIC11v問題問題：當(dāng)存在大的外部擾動時，很有可能出現(xiàn)控制閥調(diào)節(jié)能力不夠的情況，即使控制閥全開或全關(guān)，仍不能消除被控輸出y(t)與設(shè)定值ysp(t)之間的誤差。此時，由于積分作用的存在，使調(diào)節(jié)器輸出u(t)無限制地增大或減少，直至達到極限值。而當(dāng)擾動恢復(fù)正常時，由于u(t)在可調(diào)范圍以外，不能馬上起調(diào)節(jié)作用；等待一定時間后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常。單回路系統(tǒng)積分飽和仿真結(jié)果單回路系統(tǒng)積分飽和仿真結(jié)果單回路系統(tǒng)的防積分飽和sTsTKKPIiicsTci1)1 (:1討論討論：正常情況為標準的PI控制算法；而當(dāng)出現(xiàn)超限時，自動切除積分作用。單回路系統(tǒng)的抗積分