1、2020/9/12,工業(yè)過程控制,PID控制器的參數(shù)整定與應(yīng)用問題,戴連奎 浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所,2020/9/12,工業(yè)過程控制,上一講內(nèi)容回顧,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。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,控制器的“正反作用”選擇,問題: 如何選擇控制閥的 “氣開氣關(guān)”？ 如何選擇溫度控制器的正反作用，以使閉環(huán)系統(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)？,2020/9/12,工業(yè)過程控制,PID控制器的物理意義討論,對于一般的自衡過程，當(dāng)設(shè)定值或擾動(dòng)發(fā)生階路變化時(shí)

2、，為什么采用純比例控制器會(huì)存在穩(wěn)態(tài)余差？ 引入積分作用的目的是什么，為什么引入積分作用會(huì)降低閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？ 引入微分作用的目的是什么，為什么實(shí)際工業(yè)過程中應(yīng)用并不多？,2020/9/12,工業(yè)過程控制,本講基本要求,了解PID控制規(guī)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PID控制器的“防積分飽和”與“無擾動(dòng)切換”技術(shù), 了解PID參數(shù)的自整定方法。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,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

3、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。,PID參數(shù)對控制性能的影響,2020/9/12,工業(yè)過程控制,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(shí)，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(jìn)行一階或平均濾波。,討論： 選擇原則分析。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,PID工程整定法1-經(jīng)驗(yàn)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(yùn)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(dòng)態(tài)特性差別可能

4、很大，因而經(jīng)驗(yàn)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）,2020/9/12,工業(yè)過程控制,工程整定法2-臨界比例度法,步驟：（1）先將切除PID控制器中的積分與微分作用，取比例增益KC較小值，并投入閉環(huán)運(yùn)行； （2）將KC由小到大變化，對應(yīng)于某一KC值作小幅度的設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅振蕩； （3）設(shè)等幅振蕩時(shí)振蕩周期為Tcr、控制器增益Kcr ，再根據(jù)控制器類型選擇以下PID參數(shù)。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,單回路PID參數(shù)整定仿真舉例,SimuLink仿真程序參見.PIDControlPIDLoop.mdl）,2020/9/12,工業(yè)過程控制,

5、工程整定法3-響應(yīng)曲線法*,臨界比例度法的局限性： 生產(chǎn)過程有時(shí)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。,響應(yīng)曲線法PID參數(shù)整定步驟： （1）在手動(dòng)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）由開環(huán)響應(yīng)曲線獲得單位階躍響應(yīng)曲線，并求取 “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(yùn)行。在運(yùn)行過程中，可對增益作調(diào)整。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,“廣義對象”動(dòng)態(tài)特性的階躍響應(yīng)測試法*,典型自衡工業(yè)對象 的階躍響應(yīng),對象的近似模型：,對應(yīng)參數(shù)見左圖，而增益為：,ymin, ymax為CV的

6、測量范圍； umin, umax為MV的變化范圍，對于閥位開度通常用0100%表示。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,Ziegler-Nichols參數(shù)整定法*,特點(diǎn)：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：,2020/9/12,工業(yè)過程控制,響應(yīng)曲線法舉例,SimuLink仿真程序參見.PIDControl PIDLoop.mdl） 假設(shè)測量范圍為200 400 , K = 1.75, T = 10 min, = 7 min. Kc = 0.8, Ti = 14 min, Td = 3.5 min.,2020/9/12,工業(yè)過程控制

7、,響應(yīng)曲線法舉例（續(xù)）,2020/9/12,工業(yè)過程控制,對于無顯著純滯后的自衡對象PID參數(shù)整定法（1/4準(zhǔn)則）*,特點(diǎn)：適合于純滯后不顯著的自衡對象，而且廣義對象的階躍響應(yīng)為 “S” 型曲線。 初始整定參數(shù)：,Ts 為對象開環(huán)階躍響應(yīng)的過渡過程時(shí)間。,參數(shù)調(diào)整：將上述PID控制器投入“Auto” （自動(dòng)）方式，并適當(dāng)改變控制回路的設(shè)定值，觀察控制系統(tǒng)跟蹤性能。若響應(yīng)過慢且無超調(diào)，則適當(dāng)加大KC，例如增大到原來的兩倍；反之，則減小KC值。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,響應(yīng)曲線1/4準(zhǔn)則法舉例,SimuLink 仿真程序參見 . PIDControl PIDLoop.mdl,2020/9

8、/12,工業(yè)過程控制,單回路系統(tǒng)的“積分飽和”問題,問題：當(dāng)存在大的外部擾動(dòng)時(shí)，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(shí)，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(dá)到極限值。而當(dāng)擾動(dòng)恢復(fù)正常時(shí)，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(shí)間后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,單回路系統(tǒng)積分飽和現(xiàn)象舉例,單回路PID控制系統(tǒng)（無抗積分飽和措施） (參見模型/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl),2020/9/12,工業(yè)過程控制,

9、單回路系統(tǒng)積分飽和仿真結(jié)果,2020/9/12,工業(yè)過程控制,單回路系統(tǒng)的防積分飽和原理,討論：正常情況為標(biāo)準(zhǔn)的PI控制算法；而當(dāng)出現(xiàn)超限時(shí)，自動(dòng)切除積分作用。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,單回路系統(tǒng)的抗積分飽和舉例,(仿真模型參見/PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl),2020/9/12,工業(yè)過程控制,手自動(dòng)無擾動(dòng)切換問題與實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)方式： 在Auto （自動(dòng)）狀態(tài)，使手操器輸出等于調(diào)節(jié)器的輸出；而在Man（手動(dòng)）時(shí)，使調(diào)節(jié)器輸出等于手操器的輸出；,2020/9/12,工業(yè)過程控制,繼電器型PID自整定器原理,2020/9/12,工業(yè)過程控制

10、,具有繼電器型非線性控制系統(tǒng),問題：如何分析上述非線性系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的條件 ？,2020/9/12,工業(yè)過程控制,繼電器輸入輸出信號分析,2020/9/12,工業(yè)過程控制,周期信號的Fourier級數(shù)展開,一個(gè)以T為周期的函數(shù)f (t)可以展開為,對齊次函數(shù), 有,假設(shè)繼電器的幅值為d，則繼電器輸出的一次諧波為,2020/9/12,工業(yè)過程控制,繼電器型控制系統(tǒng)等幅振蕩條件,對于沒有滯環(huán)的繼電器非線性環(huán)節(jié)，假設(shè)該環(huán)節(jié)輸入的一次諧波振幅為a，則對繼電器輸入輸出的一次諧波，其增益為,閉環(huán)繼電系統(tǒng)臨界穩(wěn)定條件：,對于繼電器控制器而言，其臨界增益為：,臨界振蕩周期為 Tcr。再由臨界比例度法自動(dòng)確定PID參數(shù).,2020/9/12,工業(yè)過程控制,繼電器型PID自整定舉例,具體參見 /PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl,2020/9/12,工業(yè)過程控制,結(jié) 論,討論了PID控制規(guī)律的選取原則, 詳細(xì)分析了單回路PID參數(shù)整定方法, 介紹了PID控制器的“防積分飽和”與“無擾動(dòng)切換”技術(shù), 分析了繼電器型PID參數(shù)自整定原理。,2020/9/12,工業(yè)過程控制,練習(xí)題,對于題圖5-1（ p. 68 ）所示的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)，假設(shè)變送器量程為200 300。試回答以下問題并說明理由： （1）燃料控制閥選用“氣開”閥還是