2.控制系統(tǒng)性能指標(biāo)與PID控制律-過程控制自動化課件

上一講內(nèi)容的回顧了解典型工業(yè)過程的動態(tài)特性類型；掌握簡單被控過程的機理建模方法；掌握調(diào)節(jié)閥“氣開、氣關(guān)”形式與流量特性的選擇原則；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

討論對于如圖所示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、操縱變量、擾動變量與控制目標(biāo);(2)畫出該系統(tǒng)的方塊圖；(3)選擇控制閥的“氣開-氣關(guān)”形式;(4)指出該控制系統(tǒng)的“廣義對象”及物理意義。溫度控制系統(tǒng)方塊圖1特點：各環(huán)節(jié)均用實際儀表、設(shè)備或裝置來表示，被控對象用受控設(shè)備來表示，不反映操縱變量、干擾對被控變量的影響關(guān)系。溫度控制系統(tǒng)方塊圖2特點：采用傳遞函數(shù)與環(huán)節(jié)名稱混合表示，對象用被控過程的動態(tài)特性來表示。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，其中除控制通道外，所有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)可以只用傳遞函數(shù)來表示。廣義對象的階躍響應(yīng)測試“廣義對象”的輸入：u，輸出為Tm。若機理建模有難度，就可采用常用的響應(yīng)測試法.對象特性的階躍響應(yīng)測試假設(shè)溫度測量變送器的量程為200~400℃,對象特性可用以下一階+純滯后來表示,試確定其Kp,Tp,τ。對象特性參數(shù)的確定假設(shè)溫度測量變送器的量程為200~400℃?？刂菩阅苤笜?biāo)與PID反饋控制

(PIDFeedbackControllers)本講基本要求掌握仿真系統(tǒng)SimuLink的使用方法;掌握單回路控制器“正反作用”的選擇原則；掌握單回路控制系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)；掌握PID控制律的意義及與控制性能的關(guān)系。仿真系統(tǒng)SimuLink的使用入門假設(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)及其測量z(t)的動態(tài)響應(yīng)。仿真系統(tǒng)SimuLink的使用技巧熟悉與掌握系統(tǒng)所提供的SimuLink常用模塊，如輸入信號、輸出顯示、傳遞函數(shù)模塊、常用數(shù)學(xué)函數(shù)等；掌握SimuLink運行數(shù)據(jù)與Matlab數(shù)據(jù)平臺的聯(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、參數(shù)設(shè)置、注釋等）；掌握自定義模塊的運行機制、設(shè)計方法與封裝技術(shù)?？刂破鞯摹罢醋饔谩边x擇問題問題：如何構(gòu)成一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)？控制器的“正反作用”選擇定義：當(dāng)被控變量的測量值增大時，控制器的輸出也增大，則該控制器為“正作用”；否則，當(dāng)測量值增大時，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。選擇要點：使控制回路成為“負(fù)反饋”系統(tǒng)。選擇方法為：（1）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(fù)反饋”系統(tǒng)；（2）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。回路為負(fù)反饋的條件：?？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↑.(Why?)假設(shè)溫度控制器為正作用，即：Tm↑→u↑；則結(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：

回路判別法回路判別法的要點：（1）反饋回路中負(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)常用的性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)余差：衰減比：振蕩周期T調(diào)節(jié)時間ts上升時間tr,峰值時間tp.控制系統(tǒng)常用的性能指標(biāo)（續(xù)）偏差平方值積分偏差絕對值積分偏差絕對值與時間乘積的積分PID

控制器純比例控制器控制器增益Kc或比例度δ對系統(tǒng)性能的影響：增益Kc

的增大（或比例度δ下降），使系統(tǒng)的調(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、最大偏差下降）；仿真結(jié)果參見../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl比例增益對控制性能的影響比例積分控制器積分時間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?。?，可能使控制系統(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微分時間Td對系統(tǒng)性能的影響 微分作用的增強（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特性一階滯后較大的廣義對象，如溫度、成份等。微分作用對控制性能的影響問題：控制作用的變化過大，對噪聲敏感，如何克服？實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)仿真舉例仿真結(jié)果參見../Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl結(jié)論討論仿真系統(tǒng)SimuLink的使用方法;介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；描述了單回路系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)；通過仿真討論了PID控制律的意義及與控制性能的關(guān)系。思考題對于一般的自衡過程，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作用會降低閉環(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，但為什么實際工業(yè)過程中應(yīng)用并不多？如何確定PID參數(shù)？仿真練習(xí)構(gòu)造具有初始輸出的PID控制模塊；對下圖所示的系統(tǒng)，假設(shè)穩(wěn)態(tài)時對象的輸入為50，輸出y為20。在10時刻設(shè)定值從20變?yōu)?5，試對不同控制器進行仿真比較。仿真練習(xí)（續(xù)）采用純比例控制器，分別在有噪聲和沒有噪聲的情況下，作出Kc值為5，15和25時y相對于設(shè)定值變化的曲線；采用Kc=