PID控制器參數(shù)整定

1、PID控制器參數(shù)整定謝磊浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所 PID（比例-積分-微分）控制器n 理論PID 控制器n 工業(yè) PID 控制器（如何構(gòu)造其仿真模型？）11( )11dccdidT sG sKTTssAAd 為微分增益, 通常Ad = 10 。單回路PID控制系統(tǒng)應(yīng)用問題對于某一動態(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) ?內(nèi) 容nPID控制器類型的選擇n控制器參數(shù)整定的一般方法 n流量控制回路的PID參數(shù)整定方法n液位均勻控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定 n積分飽和與防止 nSummary PID控制器類型選擇*1: 對于某些具有較長時間常數(shù)的慢過程，建議引入微

2、分作用。但若存在較大的測量噪聲，需要對測量信號進行一階濾波或平均濾波分析上述選擇原因 ?被控過程控制器類型溫度 / 成份PID*1流量 / 壓力 /液位PI部分液位PPID參數(shù)整定的概念基于過程特性參數(shù)K, T,的離線參數(shù)整定法n步驟 1：將控制器從“自動”模式切換至“手動”模式（此時控制器輸出完全由人工控制），人為以階躍方式增大或減少控制器輸出，并記錄控制器相關(guān)的輸入輸出動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。n步驟 2：由階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)估計特性參數(shù) K, T,。n步驟 3：按經(jīng)驗公式設(shè)定 PID參數(shù) Kc、Ti、Td，并將控制器切換至“自動”模式。n步驟 4：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

3、。01020304050607080901005456586062%Controller Output01020304050607080901006668707274767880%Transmitter Output離線整定仿真舉例步驟 1：階躍響應(yīng)測試01020304050607080901006668707274767880%minTransmitter Output步驟 2：獲取過程參數(shù)0632. 0TTtOOOttT283. 0632. 05 . 1,%,%finalinitialfinalinitialTOTOTOKCOCOCO步驟 3：獲取初始PID參數(shù)(Ziegler-Nicho

4、ls 方法)控制器類型KcTiTdP0PI0PID1TK 0.9TK 1.2TK 3.332.00.5注意：上述整定規(guī)則僅限于0T取值步驟 3：獲取初始PID參數(shù)(Lambda 整定法)控制器KcTiTdP0PIT0PIDT/21TK 1TK 1TK 00.2注意：上述整定規(guī)則不受/T 取值的限制0501001505959.56060.56161.56262.563Time, min%Output of TransmitterZiegler-Nichols methodLambda tuning methodset point仿真舉例 #1廣義對象特性參數(shù)：K = 1.75T = 6.5,=

5、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 min0501001502005959.56060.56161.56262.563Time, min%Output of TransmitterZ-N tuningLambda tuningset point仿真舉例 #2廣義對象特性參數(shù)：K = 1.75T = 6.5,= 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 minPID參數(shù)在線整

6、定法n步驟 1：將在線閉環(huán)運行的控制器，完全去除積分作用與微分作用（Ti =最大值，Td = 0）成為純比例控制器，并設(shè)置較小的 Kc 值。n步驟 2：施加小幅度的設(shè)定值或擾動變化， 并觀察CV的響應(yīng)曲線。n步驟 3：若CV 的響應(yīng)未達(dá)到等幅振蕩，則增大Kc（減少比例帶 PB）；若CV 響應(yīng)為發(fā)散振蕩，則減少Kc。重復(fù)步驟 2。n步驟 4：重復(fù)步驟 3，直至產(chǎn)生等幅振蕩。01020304050585960616263646566Time, min%Output of Transmitterset point Kc = 0.5 Kc = 1 Kc = 2 Kc = 4 Kc = 3.5 Tu T

7、i = 6000 min, Td = 0 min 在線整定仿真舉例在線整定準(zhǔn)則：Ziegler-Nichols 法控制器KcTiTdP0.5KcuPI0.45KcuTu /1.2PID0.65KcuTu /2Tu /8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)。0204060801005960616263%Output of Transmitter020406080100406080100Time, min%Output of Controllerset point Inlet temp. drops 5 Cent. Kcu

8、 = 3.4, Tu = 11 min PID: Kc = 2.2, Ti = 5.5 min, Td = 1.4 min 在線整定仿真舉例01020304050585960616263646566Time, min%Output of Transmitterset point Kc = 0.5 Kc = 1 Kc = 2 Kc = 4 Kc = 3.5 Tu Ti = 6000 min, Td = 0 min 在線整定法的局限性分析未知過程的PID參數(shù)整定舉例流量回路的動態(tài)特性n動態(tài)響應(yīng)的快速性n純滯后時間接近零，即從理論上講控制器增益可無限大n測量噪聲大n為減少控制閥的頻繁波動，宜采用PI

9、控制器，而且控制增益應(yīng)小、而積分作用應(yīng)大（即接近純積分控制器）（為什么？）流量回路的控制參數(shù)選擇00)(1)()(udeTteKtutiCTi 整定原則： Ti = 0.10min 或 Ti = 0.05minKc 整定原則： 控制增益可人工調(diào)整，但對于設(shè)定值的階躍變化，實際流量不應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)。.0204060801004550556065%Output of Transmitter0204060801000204060Time, min%Output of ControllerKc = 4, Ti =2 minKc = 1, Ti = 0.5 min流量回路整定仿真舉例請比較控制器的比例增益與

10、積分增益分析下列液位控制問題的不同點 液位回路的動態(tài)特性n不少液位對象為非自衡的積分過程，無法進行階躍響應(yīng)測試。n當(dāng)進料流量變化為主要擾動時，對于液位控制回路，可能存在兩種不同的控制目標(biāo) (1) 常規(guī)液位控制，也稱“緊液位控制”；(2) 液位均勻控制，也稱“平均液位控制”常規(guī)液位控制n控制目標(biāo)是使液位與其設(shè)定值的偏差盡可能小，而對MV（如輸出流量）的波動無限制。n假設(shè)該液位過程為自衡過程，則可采用階躍響應(yīng)獲取K、T、，并可采用常規(guī)的參數(shù)整定法n假設(shè)該液位過程為非自衡過程，常采用PI控制器，而且控制增益大、積分作用弱（即接近純比例控制器）（為什么？）液位均勻控制n控制目標(biāo)是使操作變量（如儲罐輸出

11、流量）盡可能平緩，以減少對下游裝置的干擾，而允許貯罐液位在上下限之間波動。n液位均勻控制常采用比例控制器（在實際應(yīng)用中，可采用PI控制器，并選擇積分時間足夠大，以減少積分作用）。n比例增益的整定原則：比例增益應(yīng)盡可能小，只要液位的波動幅度不超過允許的上下限（對于可能的大幅度輸入流量干擾）。液位控制仿真舉例液位均勻控制系統(tǒng)的分析假設(shè)被控過程的動態(tài)方程為其中 A 為儲罐的截面積。假設(shè)液位變送器LT 41與控制閥滿足 )()()(0tFtFdttdhAi)()(0tuKtFV,)()(maxhthty液位均勻控制系統(tǒng)的分析（續(xù)）對于某一純比例控制器, Gc = Kc, 111)()(maxmaxma

12、xsKKAhsAhKKsAhKKsFsFVCVCVCio11111)()(maxmaxmaxsKKAhKKsAhKKsAhsFsyVCVCVCi試分析上述模型參數(shù)對動態(tài)特性的響應(yīng)純比例液位均勻控制的仿真010203040506070809010099.51010.511m3/hrFin, Fout01020304050607080901004648505254time, min%Ysp, YmKc = -0.5 Fin Kc = -2.0 PID控制器的積分飽和問題積分飽和問題的由來單回路PID控制器的積分飽和現(xiàn)象討論以下現(xiàn)象：（1）控制器的積分飽和現(xiàn)象（2）控制閥全開或全關(guān)020406080

13、1001201401601802005560657075Ym, Ysp020406080100120140160180200-15-10-505D02040608010012014016018020050100150Uc, Up單回路控制的抗積分飽和原理原理：當(dāng)控制器輸出超出正常操作范圍時，將積分作用切除。maxmaxmaxminminmin)(,)(),()(,)(utuifuutuuiftuutuifutuccccp0204060801001201401601802005560657075%Ysp, Ym020406080100120140160180200050100150%time,

14、minUc, Up抗積分飽和仿真舉例工業(yè)單回路PID控制器PID1PID2小結(jié)nPID控制器類型的選擇n控制器參數(shù)整定的一般方法 n流量控制回路的PID參數(shù)整定方法n液位均勻控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定 n單回路控制的積分飽和現(xiàn)象及其防止 問題討論n對于某一動態(tài)特性未知但開環(huán)穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)如何整定PID控制器參數(shù)（離線或在線方式）？n試用Simulink仿真模型，近似實現(xiàn)工業(yè)PID控制器的外部特性 ？n對于快速的流量控制回路，請給出PID參數(shù)的整定原則，并解釋原因。n對于液位均勻控制回路，它與一般的液位控制有何區(qū)別？請給出PID參數(shù)的整定原則，并解釋原因。n試描述單回路控制系統(tǒng)的積分飽和現(xiàn)象，解釋其產(chǎn)生的原因，并給出相應(yīng)的防積分飽和方案。習(xí)題3-1n打開附件壓縮文件中ProcessModel.mdl文件，通過階躍測試方法獲取廣義一階加純滯后被控對象的模型參數(shù)，分別通過ZN法和lambda法整定PID參數(shù)。習(xí)題3-2n打開附件壓縮文件中AverageLevelLoop.mdl文件，通過調(diào)整控制器增益Kc大小，觀察液位Level變量和輸出流量Fo的波動變化情況，并回答以下問題：(1)改變Kc能夠改變Fo的波動范圍