過(guò)程控制 第三章 單回路控制系統(tǒng)

1、過(guò)程控制第三章 單回路控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容總結(jié)PID控制的特點(diǎn)及對(duì)控制品質(zhì)的影響總結(jié)PID控制器的參數(shù)整定方法及實(shí)例數(shù)字PID控制器的發(fā)展過(guò)程數(shù)字PID控制器的組成數(shù)字PID控制器實(shí)現(xiàn)中的主要問(wèn)題采樣、濾波、保持以及幾種改進(jìn)形式單回路控制實(shí)例溫度控制系統(tǒng)方塊圖對(duì)于單回路控制常采用PID控制，PID控制的特點(diǎn)：簡(jiǎn)單易理解、魯棒性好、適應(yīng)面廣純比例P控制器控制器增益 Kc或比例度對(duì)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)節(jié)作用增強(qiáng)，但穩(wěn)定性下降 當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)頻率提高、最大偏差下降比例增益Kc對(duì)控制性能的影響圖中kp即為增益 Kc比例積分PI控制器積分時(shí)間Ti 對(duì)系統(tǒng)性

2、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(guò)強(qiáng)時(shí)（即Ti 過(guò)?。?，可能使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分作用Ti對(duì)控制性能的影響理想的比例積分微分PID控制器微分時(shí)間Td 對(duì)系統(tǒng)性能的影響微分作用的增強(qiáng)（即Td 增大），從理論上講使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，但對(duì)高頻噪聲起放大作用。對(duì)于測(cè)量噪聲較大的對(duì)象，需要引入測(cè)量信號(hào)的平滑濾波。而微分作用主要適合于特性一階滯后較大的廣義對(duì)象，如溫度、成份等。微分作用Td對(duì)控制性能的影響問(wèn)題：控制作用的變化過(guò)大，對(duì)噪聲敏感，如何克服？實(shí)際的比例積分微分控制器其中Ad 為微分增益SimuLink 結(jié)構(gòu):PID控制系統(tǒng)

3、仿真舉例仿真系統(tǒng)SimuLink的使用假設(shè)控制輸入u (t)與干擾輸入d (t)均為階躍信號(hào)，要求顯示輸入對(duì)被控變量y (t)及其測(cè)量z (t)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。仿真系統(tǒng)SimuLink的使用熟悉與掌握系統(tǒng)所提供的SimuLink常用模塊，如輸入信號(hào)、輸出顯示、傳遞函數(shù)模塊、常用數(shù)學(xué)函數(shù)等；掌握SimuLink運(yùn)行數(shù)據(jù)與Matlab數(shù)據(jù)平臺(tái)的聯(lián)結(jié)，以及Matlab常用的作圖方法；掌握子系統(tǒng)的封裝技術(shù)（包括外觀設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、注釋等）；掌握自定義模塊的運(yùn)行機(jī)制、設(shè)計(jì)方法與封裝技術(shù)。思考題對(duì)于一般的自衡過(guò)程，分析采用純比例控制器存在穩(wěn)態(tài)余差的原因；引入積分作用可消除穩(wěn)態(tài)余差的原因分析，以及為什么引入積分

4、作用會(huì)降低閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？引入微分作用可提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但為什么實(shí)際工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用并不多？如何確定PID參數(shù)？PID控制器的參數(shù)整定與應(yīng)用PID參數(shù)對(duì)控制性能的影響控制器增益 Kc或比例度增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，但穩(wěn)定性下降；積分時(shí)間Ti積分作用的增強(qiáng)（即Ti 下降），使系統(tǒng)消除余差的能力加強(qiáng)，但控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；微分時(shí)間Td微分作用增強(qiáng)（即Td 增大），可使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，但對(duì)高頻噪聲起放大作用，主要適合于特性滯后較大的廣義對(duì)象，如溫度對(duì)象等。工業(yè)PID控制器的選擇*當(dāng)工業(yè)對(duì)象具有較大的滯后時(shí)，可引入微分作用；但如果測(cè)量噪

5、聲較大，則應(yīng)先對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行一階或平均濾波。 如果控制方案已經(jīng)確定，則過(guò)程各通道的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性就已確定，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就取決于控制器各個(gè)參數(shù)值的設(shè)置。 PID控制器參數(shù)整定，就是確定最佳過(guò)渡過(guò)程中控制器的比例度、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD的具體數(shù)值。 所謂最佳過(guò)渡過(guò)程，就是在某種質(zhì)量指標(biāo)下，系統(tǒng)達(dá)到最佳調(diào)整狀態(tài)。 4：1遞減比為最佳參數(shù)整定的常用依據(jù)。4:1 參數(shù)整定的方法: 0、概述PID控制器的參數(shù)整定 對(duì)數(shù)頻率特性法、根軌跡法等。 (2)、工程整定法：經(jīng)驗(yàn)湊試法、衰減曲線(xiàn)法、臨界比例度法、響應(yīng)曲線(xiàn)法等。 (1)、理論整定法： 對(duì)于單元組合儀表， 比例度的概念：對(duì)于比例作用大小，工業(yè)控制

6、器常用表示，其義為：一、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)湊試法1、常用的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)范圍：如表 3-1所示2、整定步驟 (1)、在純比例作用下(TI=、TD=0)在比例度按表3-1的取值下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行；若曲線(xiàn)振蕩頻繁，則加大比例度；若超調(diào)量大，且趨于非周期，則減少，求得滿(mǎn)意 的4：1過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)。(2)、引入積分作用 (此時(shí)應(yīng)將上述加大1.2倍) 將積分時(shí)間TI由大到小進(jìn)行整定； 若曲線(xiàn)波動(dòng)較大，則應(yīng)增大TI； 若曲線(xiàn)偏離給定值后長(zhǎng)時(shí)間回不來(lái)，則需減少TI，以求得較好的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)。 (3)、若需引入微分作用1、特點(diǎn): 是目前工程上應(yīng)用較廣泛的一種控制器 參數(shù)的整定方法。2、整定步驟 (1)、在純比例作用下投入(TI

7、=,TD=0),比例度適 當(dāng)；平穩(wěn)操作一段時(shí)間，把系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。 將TD按經(jīng)驗(yàn)值或按TD=(1/31/4)TI設(shè)置，并由小到大加入； 若曲線(xiàn)超調(diào)量大而衰減慢，則需增大TD； 若曲線(xiàn)振蕩厲害，則應(yīng)減小TD； 觀察曲線(xiàn)，再適當(dāng)調(diào)節(jié)和TI，反復(fù)調(diào)試直到獲得滿(mǎn)意的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)。二、穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）圖3-12 ，得到圖3-12所示等幅振蕩過(guò)程記下臨界比例度K和臨界振蕩周期TK值。(2)、將逐漸減小 (3)、根據(jù)K和TK值，采用表3-2中的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算、TI、TD的值。 用臨界比例度法整定某過(guò)程控制系統(tǒng)所得的比例度K=20%,臨界振蕩周期TK=1min，當(dāng)控制器分別采用比例作用、比例積分作

8、用、比例積分微分作用時(shí)，求其最佳整定參數(shù)值。 例3-1 (4)、按“先P后I最后D”的操作程序，將控制器整定參數(shù)調(diào)整到計(jì)算值上。 觀察其運(yùn)行曲線(xiàn)，若不夠滿(mǎn)意，再做進(jìn)一步調(diào)整。解：應(yīng)用表3-2經(jīng)驗(yàn)公式， 可得 (1).比例控制器 =2K=220%=40% (2).比例積分控制器 =2.2K=2.220%=44% TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min (3).比例積分微分控制器 =1.6K=1.620%=32% TI=0.5TK=0.51=0.5min TD=0.25TI=0.250.5=0.125min 三 、阻尼振蕩法（衰減曲線(xiàn)法） (1)、實(shí)現(xiàn)4：1衰減比 先把參數(shù)置成純比例作用(

9、TI=,TD=0)，使系統(tǒng)投入運(yùn)行； 再把從大逐漸調(diào)小，直到出現(xiàn)右圖所示的4：1衰減過(guò)程曲線(xiàn) ； 此時(shí)的4：1衰減比例度為S，4：1衰減振蕩周期為T(mén)S。運(yùn)行效果如下圖。 1、特點(diǎn)：是在總結(jié)穩(wěn)定邊界法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)提出來(lái)的。 2、整定步驟：對(duì)于要求系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程達(dá)到4：1衰減的步驟如下。返回 (3)、進(jìn)一步調(diào)整按“先P后I最后D”的操作程序，將求得的參數(shù)設(shè)置在控制器上； (2)、計(jì)算參數(shù) 再觀察運(yùn)行曲線(xiàn)，若不太理想，可做適當(dāng)調(diào)整。 根據(jù)S和TS，使用表3-8計(jì)算出控制器的各個(gè)整定參數(shù)值。 某溫度控制系統(tǒng)，采用4：1衰減曲線(xiàn)法整定控制器參數(shù)，得S=20%，TS=10分，當(dāng)控制器分別為比例作用

10、、比例積分作用、比例積分微分作用時(shí)，試求其整定參數(shù)值。例3-2 解 應(yīng)用表3-8中的經(jīng)驗(yàn)公式，可得 (1)、比例控制器 =S=20% (2)、比例積分控制器 =1.2S=1.220%=24% TI=0.5TS=0.510=5min (3)、比例積分微分控制器 =0.8S=0.820%=16% TI=0.3TS=0.310=3min TD=0.1TS=0.110=1min 四、響應(yīng)曲線(xiàn)法（動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法） 2、整定步驟 (1)、用”實(shí)驗(yàn)法建?！爸兴榻B的方法獲取對(duì)象的響應(yīng)曲線(xiàn)，如下圖所示。 1、特點(diǎn)：依據(jù)對(duì)象的響應(yīng)曲線(xiàn)-飛升特性整定參數(shù)，精度更高。(2)、求取廣義對(duì)象的放大系數(shù)Ko式中 y -被

11、控參數(shù)測(cè)量值的變化量； X -控制器輸出的變化量； ymax-ymin-測(cè)量?jī)x表的刻度范圍； Xmax-Xmin-控制器輸出變化范圍。 (3)、根據(jù)對(duì)象的K0 、T0 、0 ，按下表3-4所給公式求出4：1衰減過(guò)程控制器的參數(shù)、TI和 TD 。 在某一蒸汽加熱器的控制系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)單元組合控制器的輸出從6mA改變到7mA時(shí)，溫度記錄儀的指針從85升到87.8，從原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。儀表的刻度為50100，并測(cè)出O=1.2min,TO=2.5min。如采用PI和PID控制規(guī)律，試確定出整定參數(shù)。例3-3 本例中，X=7-6=1mA Xmax-Xmin=10-0=10mA y=87.8

12、-85.0=2.8 ymax-ymin=100-50=50 所以解：因此，在PI控制器時(shí)： =1.127%=30% TI=3.31.2=4min 在PID控制器時(shí)： =0.8527%=23% TI=21.2=2.4min TD=0.51.2=0.6min 解畢。 數(shù)字PID控制概要控制設(shè)備發(fā)展史數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字PID控制算法控制設(shè)備發(fā)展史 手動(dòng)操作開(kāi)大閥門(mén)還是逃命？溫度指示手動(dòng)操作機(jī)械裝置氣動(dòng)設(shè)備電動(dòng)設(shè)備數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算 和通訊冷卻閥由人直接根據(jù)指示來(lái)調(diào)節(jié)閥門(mén)控制設(shè)備發(fā)展史 機(jī)械裝置手動(dòng)操作機(jī)械裝置氣動(dòng)設(shè)備電動(dòng)設(shè)備數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算 和通訊浮子用來(lái)測(cè)量液位閘門(mén)的位置決定流量支點(diǎn)的位置決定：閘門(mén)的

13、變化/液位變化怎樣改變?cè)O(shè)定值？變量的值由裝置的位置來(lái)表達(dá)控制設(shè)備發(fā)展史 氣動(dòng)設(shè)備手動(dòng)操作機(jī)械裝置氣動(dòng)設(shè)備電動(dòng)設(shè)備數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算 和通訊管道中的信號(hào)為3-15psi的氣壓氣壓改變閥門(mén)開(kāi)度怎樣執(zhí)行PID計(jì)算？變量大小與氣壓成比例(50 150 = 3 15psi)。控制設(shè)備發(fā)展史 電動(dòng)設(shè)備手動(dòng)操作機(jī)械裝置氣動(dòng)設(shè)備電動(dòng)設(shè)備數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算 和通訊電線(xiàn)中的信號(hào)為4-20mA的電流電流轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮簛?lái)操縱閥門(mén)怎樣執(zhí)行PID計(jì)算？變量大小與電流或電壓成比例(50 150 = 4 20mA)。PID的模擬計(jì)算氣動(dòng)電動(dòng)控制設(shè)備發(fā)展史 數(shù)字計(jì)算手動(dòng)操作機(jī)械裝置氣動(dòng)設(shè)備電動(dòng)設(shè)備數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算 和通訊電線(xiàn)中的信號(hào)為

14、4 - 20mA的電流電流轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮簛?lái)操縱閥門(mén)采用電動(dòng)信號(hào)傳輸進(jìn)行數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算和通訊手動(dòng)操作機(jī)械裝置氣動(dòng)設(shè)備電動(dòng)設(shè)備數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算 和通訊電流轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮簛?lái)操縱閥門(mén)數(shù)字PID信號(hào)采用數(shù)字傳輸信號(hào)在局域網(wǎng)中傳輸，傳感器和閥門(mén)也可帶有微處理器！數(shù)字控制A/DA/DD/AD/A現(xiàn)場(chǎng)控制器A/DA/DD/AD/A現(xiàn)場(chǎng)控制器特殊目的處理器*信號(hào)采集*安全控制操作站操作站多功能計(jì)算機(jī)數(shù)字通訊過(guò)程*監(jiān)視*歷史記錄*優(yōu)化數(shù)字控制采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為什么？分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)過(guò)程控制的好處數(shù)個(gè)處理器并行運(yùn)算控制計(jì)算比只用一個(gè)處理器快每個(gè)處理器只執(zhí)行有限個(gè)控制器計(jì)算控制系統(tǒng)更安全，因?yàn)橐粋€(gè)處理器故

15、障只影響有限個(gè)控制回路最小系統(tǒng)只需要少量的設(shè)備系統(tǒng)可以很容易地進(jìn)行擴(kuò)展每種處理器可以配不同的硬件和軟件可以根據(jù)具體的應(yīng)用，比如控制、監(jiān)視、操作等來(lái)選擇硬件和軟件數(shù)字控制中央控制室現(xiàn)場(chǎng)顯示現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)電纜，可能有幾百米長(zhǎng)中央控制室中進(jìn)行變量顯示、計(jì)算以及操縱閥門(mén)數(shù)字PID控制如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制？實(shí)用數(shù)字PID的主要組成下面來(lái)看看各個(gè)組成部分信號(hào)采集 采樣速率幾乎沒(méi)有信號(hào)丟失連續(xù)信號(hào)發(fā)生了什么？快速采樣慢速采樣信號(hào)采集 采樣速率連續(xù)信號(hào)發(fā)生了什么？失真慢速采樣失真：當(dāng)采樣速率與信號(hào)的變化相比太慢會(huì)造成失真。Shannon定理：采樣頻率必須大于等于信號(hào)最高頻率的兩倍。信號(hào)采集 信號(hào)保持保持會(huì)改變動(dòng)態(tài)

16、嗎？連續(xù)信號(hào)零階保持后的信號(hào)在執(zhí)行控制期間信號(hào)保持為上次采樣的值信號(hào)采集 信號(hào)保持連續(xù)信號(hào)保持后的近似連續(xù)信號(hào)紅色曲線(xiàn)是信號(hào)經(jīng)采樣保持后的近似連續(xù)信號(hào)，與原始信號(hào)有約半個(gè)采樣周期的純滯后。A/D轉(zhuǎn)換硬件實(shí)現(xiàn)02N1測(cè)量值軟件實(shí)現(xiàn)溫度變送器的量程為50150，輸出為420mA。假設(shè)采用12位的A/D，當(dāng)采樣值為100000000000b時(shí)，實(shí)際的測(cè)量值是多少？濾波什么是噪聲？如何去除噪聲？濾波信號(hào)？噪聲？信號(hào)噪聲很難得到如此明確地區(qū)分！濾波模擬濾波電路(RC)程序判斷限幅濾波中值濾波遞推平均濾波加權(quán)遞推平均濾波一階滯后濾波如何實(shí)現(xiàn)？數(shù)字濾波程序判斷濾波中值濾波遞推平均濾波加權(quán)遞推平均濾波一階滯后濾波連續(xù)三次采樣的中間值作為有效信號(hào)數(shù)字PID微分比例積分?jǐn)?shù)字PID中對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)應(yīng)為怎樣呢？數(shù)字PID 比例作用微分比例積分控制器每執(zhí)行一次就計(jì)算一次數(shù)字PID 積分作用微分比例積分控制器每執(zhí)行一次就計(jì)算一次Ts是控制周期，一個(gè)常量數(shù)字PID 微分作用微分比例積分控制器每執(zhí)行一次就計(jì)算一次Ts是控制周期，一個(gè)常量數(shù)字PID 位置式數(shù)字PID，位置式計(jì)算到終端執(zhí)行器的輸出將三種作