浙大工業(yè)過程控制2控制系統(tǒng)性能指標(biāo)和PID控制律ppt課件

1、PID 反響控制器(PID Feedback Controllers)戴連奎浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研討所上一講內(nèi)容回想n了解典型工業(yè)過程的動態(tài)特性類型；n掌握簡單被控過程的機理建模方法；n掌握調(diào)理閥“氣開、氣關(guān)方式與流量特性的選擇原那么；n掌握“廣義對象概念及其動態(tài)特性的典型測試方法。習(xí)題2-4討論對于如下圖的加熱爐溫度控制系統(tǒng)，試(1)指出該系統(tǒng)中的被控變量、支配變量、擾動變量與控制目的;(2)畫出該系統(tǒng)的方塊圖；(3)選擇控制閥的“氣開-氣關(guān)方式;(4)指出該控制系統(tǒng)的“廣義對象及物理意義。TC進料出料燃料TTmTspRfu溫度控制系統(tǒng)方塊圖1溫度控制器設(shè)定值Tsp偏差e(t)+_測量值T

2、m(t)溫度測量變送器燃料控制閥爐出口溫度 T(t)控制u(t)燃料量Rf (t)加熱爐擾動特點：各環(huán)節(jié)均用實踐儀表、設(shè)備或安裝來表示，被控特點：各環(huán)節(jié)均用實踐儀表、設(shè)備或安裝來表示，被控對象用受控設(shè)備來表示，不反映支配變量、干擾對被控對象用受控設(shè)備來表示，不反映支配變量、干擾對被控變量的影響關(guān)系。變量的影響關(guān)系。溫度控制系統(tǒng)方塊圖2特點：采用傳送函數(shù)與環(huán)節(jié)稱號混合表示，對象用被控特點：采用傳送函數(shù)與環(huán)節(jié)稱號混合表示，對象用被控過程的動態(tài)特性來表示。過程的動態(tài)特性來表示。溫度控制器Gc(s)設(shè)定值Tsp偏差e(t)+_測量值Tm(t)+溫度測量變送Gm(s)燃料控制閥Gv(s)爐出口溫度 T(

3、t)控制u(t)燃料量Rf (t)控制通道Gp(s)進料量,進料溫度等擾動加熱爐干擾通道溫度控制系統(tǒng)方塊圖3特點：對象用被控過程的動態(tài)特性來表示，其中除控制特點：對象用被控過程的動態(tài)特性來表示，其中除控制通道外，一切干擾對被控變量的影響只用一個輸出擾動通道外，一切干擾對被控變量的影響只用一個輸出擾動來近似。當(dāng)然，各環(huán)節(jié)可以只用傳送函數(shù)來表示。來近似。當(dāng)然，各環(huán)節(jié)可以只用傳送函數(shù)來表示。溫度控制器Gc(s)設(shè)定值Tsp偏差e(t)+_測量值Tm(t)+溫度測量變送Gm(s)燃料控制閥Gv(s)爐出口溫度 T(t)控制u(t)燃料量Rf (t)控制通道Gp(s)加熱爐D(t)廣義對象的階躍呼應(yīng)測試

4、TC進料出料燃料TTmTspRfu“廣義對象的輸入：u，輸出為Tm。假設(shè)機理建模有難度，就可采用常用的呼應(yīng)測試法.對象特性的階躍呼應(yīng)測試假設(shè)溫度丈量變送器的量程為200 400,對象特性可用以下一階+純滯后來表示,試確定其Kp, Tp, 。)exp(1)(ssTKsGpp對象特性參數(shù)確實定假設(shè)溫度丈量變送器的量程為200 400。75. 101005060200400320355pK912TTTp601TT本講根本要求n掌握仿真系統(tǒng)SimuLink的運用方法;n掌握單回路控制器“正反作用的選擇原那么；n掌握單回路控制系統(tǒng)的常用性能目的；n掌握PID控制律的意義及與控制性能的關(guān)系。仿真系統(tǒng)Sim

5、uLink的運用入門1sTKmm1sTKdd)exp(1ssTKpp1sTKvvd (t)u (t)y (t)z (t)+假設(shè)控制輸入u (t)與干擾輸入d (t)均為階躍信號，要求顯示輸入對被控變量y (t)及其丈量z (t)的動態(tài)呼應(yīng)。仿真系統(tǒng)SimuLink的運用技巧n熟習(xí)與掌握系統(tǒng)所提供的SimuLink常用模塊，如輸入信號、輸出顯示、傳送函數(shù)模塊、常用數(shù)學(xué)函數(shù)等；n掌握SimuLink運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)與Matlab數(shù)據(jù)平臺的結(jié)合，以及Matlab常用的作圖方法；n掌握子系統(tǒng)的封裝技術(shù)包括外觀設(shè)計、參數(shù)設(shè)置、注釋等；n掌握自定義模塊的運轉(zhuǎn)機制、設(shè)計方法與封裝技術(shù)?？刂破鞯摹罢醋饔眠x擇問題控制

6、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(fù)反響控制系統(tǒng)？控制器的控制器的“正反作用選擇正反作用選擇n 定義：當(dāng)被控變量的丈量值增大時，控制器的輸出也增大定義：當(dāng)被控變量的丈量值增大時，控制器的輸出也增大，那么該控制器為，那么該控制器為“正作用；否那么，當(dāng)丈量值增大時，正作用；否那么，當(dāng)丈量值增大時，控制器輸出反而減少，那么該控制器為控制器輸出反而減少，那么該控制器為“反作用。反作用。n 選擇要點：使控制回路成為選擇要點：使控制回路成為“負(fù)反響系

7、統(tǒng)。選擇方法為負(fù)反響系統(tǒng)。選擇方法為：n1假設(shè)檢驗法，先假設(shè)控制器的作用方向，再檢查控制假設(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回路能否成為“負(fù)反響系統(tǒng)；負(fù)反響系統(tǒng)；n2回路判別法，先畫出控制系統(tǒng)的方塊圖，并確定回路回路判別法，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。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：控制器的作用方向選擇：假設(shè)檢驗法假設(shè)檢驗法根據(jù)控制閥的“氣開氣關(guān)的選擇原那么，該閥應(yīng)選“氣開閥，即： u Rf. (Why ?)假設(shè)溫度控制器為正作用，即：Tm u；那么TC進料出料燃料TTmT

8、spRfuTmuRfTTm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：控制器的作用方向選擇：回路判別法回路判別法溫度控制器( ? )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)回路判別法的要點：1反響回路中負(fù)增益環(huán)節(jié)包括比較器數(shù)為奇數(shù)；2對控制器而言，“正作用是指Tm u?？刂葡到y(tǒng)的性能評價仿真程序見./Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl討論：如何評價或比較不同控制系統(tǒng)的性能？控制系統(tǒng)常

9、用的性能目的ySPy()BBy0t0t1t2t3n 穩(wěn)態(tài)余差：0)()(yyyyespspn 衰減比：BBnn 振蕩周期T，n 調(diào)理時間 ts.n 上升時間 tr, 峰值時間 tp.純比例控制器n控制器增益 Kc或比例度對系統(tǒng)性能的影響：增益 Kc 的增大或比例度下降，使系統(tǒng)的調(diào)理作用加強，但穩(wěn)定性下降當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，調(diào)理頻率提高、最大偏向下降；0)()(uteKtuc%100*1cK仿真結(jié)果參見./Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl比例增益對控制性能的影響)11 ()(sTKsGiccn積分時間Ti 對系統(tǒng)性能的影響n引入積分作用的根本目的是為了消除穩(wěn)

10、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 過小，能夠使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。仿真結(jié)果參見./Simulation/PIDControl/PILoop.mdl積分作用對控制性能的影響理想的比例積分微分控制器n微分時間Td 對系統(tǒng)性能的影響n微分作用的加強即Td 增大，從實際上講使系統(tǒng)的超前作用加強，穩(wěn)定性得到加強，但高頻噪聲起放大作用。對于丈量噪聲較大的對象，需求引入丈量信號的平滑濾波；而微分作用主要適宜于特性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問題：控制造用的變化過大，對噪聲敏感，如何抑制？實踐的比例積分微分控制器1111)(sATsTsTKsGdddicc其中Ad 為微分增益SimuLink 構(gòu)造:PID控制系統(tǒng)仿真舉例仿真結(jié)果參見./Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl結(jié)論n討論仿真系統(tǒng)SimuLink的運用方法;n引見了單回路控制器“正反作用的選擇原那么；n描畫了