过程控制-单回路PID控制、PID的参数整定、实用数字PID及相关技术.ppt

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1、本节主要内容n总结PID控制的特点及对控制品质的影响n总结PID控制器的参数整定方法及实例n数字PID控制器的发展过程n数字PID控制器的组成n数字PID控制器实现中的主要问题采样、滤波、保持等单回路控制实例温度控制系统方块图对于单回路控制常采用PID控制，PID控制的特点：简单易理解、鲁棒性好、适应面广纯比例P控制器n控制器增益 Kc或比例度对系统性能的影响：增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、最大偏差下降）；比例增益Kc对控制性能的影响比例积分PI控制器n积分时间Ti 对系统性能的影响引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，

2、但使控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti 过小），可能使控制系统不稳定。积分作用Ti对控制性能的影响理想的比例积分微分PID控制器n微分时间Td 对系统性能的影响微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波。而微分作用主要适合于特性一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。微分作用Td对控制性能的影响问题：控制作用的变化过大，对噪声敏感，如何克服？实际的比例积分微分控制器其中Ad 为微分增益SimuLink 结构:PID控制系统仿真举例仿真系统SimuLink的使用假设控制输入

3、u(t)与干扰输入d(t)均为阶跃信号，要求显示输入对被控变量y(t)及其测量z(t)的动态响应。仿真系统SimuLink的使用n熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等；n掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法；n掌握子系统的封装技术（包括外观设计、参数设置、注释等）；n掌握自定义模块的运行机制、设计方法与封装技术。思考题n对于一般的自衡过程，分析采用纯比例控制器存在稳态余差的原因；n引入积分作用可消除稳态余差的原因分析，以及为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？n引入微分作用

4、可提高控制系统的稳定性，但为什么实际工业过程中应用并不多？n如何确定PID参数？PID控制器的参数整定与应用PID参数对控制性能的影响n控制器增益 Kc或比例度增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降；n积分时间Ti积分作用的增强（即Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；n微分时间Td微分作用增强（即Td 增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。工业PID控制器的选择*当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平

5、均滤波。如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。个参数值的设置。个参数值的设置。个参数值的设置。PIDPIDPIDPID控制器参数整定，就是确定最佳过渡过程中控控制器参数整定，就是确定最佳过渡过程中控控制器参数整定，就是确定最佳过渡过程中控控制器参数整定，就是确定

6、最佳过渡过程中控制器的比例度制器的比例度制器的比例度制器的比例度、积分时间、积分时间、积分时间、积分时间T T T TI I I I、微分时间、微分时间、微分时间、微分时间T T T TD D D D的具体数的具体数的具体数的具体数值。值。值。值。所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统达到最佳调整状态。达到最佳调整状态。达到最佳调整状态。达到最佳调整状态。4 4 4 4：1 1 1 1递减比为最佳参数整定的常用依据。递减比为最佳参数整定的常用依据。递减比为最

7、佳参数整定的常用依据。递减比为最佳参数整定的常用依据。4:14:14:14:1 参数整定的方法参数整定的方法参数整定的方法参数整定的方法:0 0、概述、概述 对数频率特性法、根轨迹法等。对数频率特性法、根轨迹法等。对数频率特性法、根轨迹法等。对数频率特性法、根轨迹法等。(2)(2)、工程整定法：工程整定法：工程整定法：工程整定法：经验凑试法、衰减曲线法、临经验凑试法、衰减曲线法、临经验凑试法、衰减曲线法、临经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法等。界比例度法、响应曲线法等。界比例度法、响应曲线法等。界比例度法、响应曲线法等。(1)(1)、理论整定法：理论整定法：对于单元组合仪表，对于

8、单元组合仪表，对于单元组合仪表，对于单元组合仪表，比例度比例度比例度比例度的概念：对于比例作用大小，工业控制的概念：对于比例作用大小，工业控制的概念：对于比例作用大小，工业控制的概念：对于比例作用大小，工业控制器常用器常用器常用器常用表示，其义为：表示，其义为：表示，其义为：表示，其义为：一、现场经验凑试法一、现场经验凑试法1 1、常用的参数经验范围：、常用的参数经验范围：如表如表 3-1 3-1所示所示2 2、整定步骤、整定步骤 (1)(1)、在纯比例作用下在纯比例作用下(T T T TI I I I=、T T T TD D D D=0)=0)=0)=0)在比例度在比例度在比例度在比例度 按

9、表按表按表按表3-13-13-13-1的取值下，将系统投入运行；的取值下，将系统投入运行；的取值下，将系统投入运行；的取值下，将系统投入运行；若曲线振荡频繁，则加大比例度若曲线振荡频繁，则加大比例度若曲线振荡频繁，则加大比例度若曲线振荡频繁，则加大比例度 ；若超调量大，且趋于非周期，则减少若超调量大，且趋于非周期，则减少若超调量大，且趋于非周期，则减少若超调量大，且趋于非周期，则减少 ，求得满意，求得满意，求得满意，求得满意 的的的的4 4 4 4：1 1 1 1过渡过程曲线。过渡过程曲线。过渡过程曲线。过渡过程曲线。(2)(2)、引入积分作用、引入积分作用 (此时应将上述此时应将上述此时应将

10、上述此时应将上述 加大加大加大加大1.21.21.21.2倍倍倍倍)将积分时间将积分时间将积分时间将积分时间T T T TI I I I由大到小进行整定；由大到小进行整定；由大到小进行整定；由大到小进行整定；若曲线波动较大，则应增大若曲线波动较大，则应增大若曲线波动较大，则应增大若曲线波动较大，则应增大T T T TI I I I；若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少T T T TI I I I，以求得较好的过渡过程曲线。以求得较好的过渡过程曲线。以求得较好的过渡过程曲线

11、。以求得较好的过渡过程曲线。(3)(3)、若需引入微分作用、若需引入微分作用1 1、特点、特点:是目前工程上应用较广泛的一种控制器是目前工程上应用较广泛的一种控制器 参数的整定方法。参数的整定方法。2 2、整定步骤、整定步骤 (1)(1)、在纯比例作用下投入、在纯比例作用下投入(T TI I=,T,TD D=0),=0),比例度比例度 适适 当；平稳操作一段时间，把系统投入自动运行。当；平稳操作一段时间，把系统投入自动运行。将将将将T T T TD D D D按经验值或按按经验值或按按经验值或按按经验值或按T T T TD D D D=(1/3=(1/3=(1/3=(1/31/4)T1/4)T

12、1/4)T1/4)TI I I I设置，并由小设置，并由小设置，并由小设置，并由小到大加入；到大加入；到大加入；到大加入；若曲线超调量大而衰减慢，则需增大若曲线超调量大而衰减慢，则需增大若曲线超调量大而衰减慢，则需增大若曲线超调量大而衰减慢，则需增大T T T TD D D D；若曲线振荡厉害，则应减小若曲线振荡厉害，则应减小若曲线振荡厉害，则应减小若曲线振荡厉害，则应减小T T T TD D D D；观察曲线，再适当调节观察曲线，再适当调节观察曲线，再适当调节观察曲线，再适当调节 和和和和T T T TI I I I，反复调试直到获得，反复调试直到获得，反复调试直到获得，反复调试直到获得满意

13、的过渡过程曲线。满意的过渡过程曲线。满意的过渡过程曲线。满意的过渡过程曲线。二、稳定边界法二、稳定边界法（临界比例度法）图图3-123-12 ，得到图，得到图，得到图，得到图3-123-123-123-12所示等幅振荡过所示等幅振荡过所示等幅振荡过所示等幅振荡过程记下临界比例度程记下临界比例度程记下临界比例度程记下临界比例度 K K K K和临界振荡周期和临界振荡周期和临界振荡周期和临界振荡周期T T T TK K K K值。值。值。值。(2)(2)、将、将 逐渐减小逐渐减小 (3)(3)(3)(3)、根据、根据、根据、根据 K K K K和和和和T T T TK K K K值，采用表值，采用

14、表值，采用表值，采用表3-3-3-3-2 2 2 2中的经验公式，计中的经验公式，计中的经验公式，计中的经验公式，计算算算算 、T T T TI I I I、T T T TD D D D的值。的值。的值。的值。用临界比例度法整定某过程控制系统所得的用临界比例度法整定某过程控制系统所得的用临界比例度法整定某过程控制系统所得的用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度比例度比例度比例度 K K=20%,=20%,临界振荡周期临界振荡周期临界振荡周期临界振荡周期T T T TK K K K=1min=1min=1min=1min，当控制器分别采，当控制器分别采，当控制器分别采，当控制器分别采用比例

15、作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值其最佳整定参数值其最佳整定参数值其最佳整定参数值。例例3-13-1 (4)(4)、按、按“先先P P后后I I最后最后D D”的操作程序，将控制的操作程序，将控制器整定参数调整到计算值上。器整定参数调整到计算值上。观察其运行曲线，若不够满意，观察其运行曲线，若不够满意，观察其运行曲线，若不够满意，观察其运行曲线，若不够满意，再再再再做进一步调整。做进一步调整。做进一步调整。做进一步调整。解：应用

16、表解：应用表3-23-2经验公式，经验公式，可得可得 (1).(1).比例比例控制器控制器 =2=2 K K=220%=40%=220%=40%(2).(2).比例积分比例积分控制器控制器 =2.2=2.2 K K=2.220%=44%=2.220%=44%T TI I=T=TK K/1.2=1/1.2=0.83min/1.2=1/1.2=0.83min (3).(3).比例积分微分比例积分微分控制器控制器 =1.6=1.6 K K=1.6=1.6 20%=32%20%=32%T TI I=0.5T=0.5TK K=0.5=0.5 1=0.5min1=0.5min T TD D=0.25T=0

17、.25TI I=0.25=0.25 0.5=0.125min0.5=0.125min 三三 、阻尼振荡法、阻尼振荡法（衰减曲线法）（衰减曲线法）(1)(1)(1)(1)、实现、实现、实现、实现4 4 4 4：1 1 1 1衰减比衰减比衰减比衰减比 先把参数置成纯比例作用先把参数置成纯比例作用先把参数置成纯比例作用先把参数置成纯比例作用(T T T TI I I I=,T,T,T,TD D D D=0)=0)=0)=0)，使系统投入运行；使系统投入运行；使系统投入运行；使系统投入运行；再把再把再把再把 从大逐渐调小，直到从大逐渐调小，直到从大逐渐调小，直到从大逐渐调小，直到出现右图所示的出现右图

18、所示的出现右图所示的出现右图所示的4 4 4 4：1 1 1 1衰减过程曲衰减过程曲衰减过程曲衰减过程曲线线线线 ；此时的此时的此时的此时的4 4 4 4：1 1 1 1衰减比例度为衰减比例度为衰减比例度为衰减比例度为 S S S S，4 4 4 4：1 1 1 1衰减振荡周期为衰减振荡周期为衰减振荡周期为衰减振荡周期为T T T TS S S S。运行效运行效运行效运行效果如下图。果如下图。果如下图。果如下图。1 1 1 1、特点：、特点：、特点：、特点：是在总结是在总结是在总结是在总结稳定边界法稳定边界法稳定边界法稳定边界法的基础上，经过的基础上，经过的基础上，经过的基础上，经过反复实验提

19、出来的。反复实验提出来的。反复实验提出来的。反复实验提出来的。2 2 2 2、整定步骤：、整定步骤：、整定步骤：、整定步骤：对于要求系统过渡过程达到对于要求系统过渡过程达到对于要求系统过渡过程达到对于要求系统过渡过程达到4 4 4 4：1 1 1 1衰减的步骤如下。衰减的步骤如下。衰减的步骤如下。衰减的步骤如下。返回 (3)(3)、进一步调整、进一步调整 按按“先先P P后后I I最后最后D D”的操作程序，将求得的参数的操作程序，将求得的参数设置在控制器上；设置在控制器上；(2)(2)、计算参数、计算参数 再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。再

20、观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。根据根据根据根据 S S S S和和和和T T T TS S S S，使用表，使用表，使用表，使用表3-3-3-3-8 8 8 8计算出控制器的各个整定计算出控制器的各个整定计算出控制器的各个整定计算出控制器的各个整定参数值。参数值。参数值。参数值。某温度控制系统，采用某温度控制系统，采用4 4：1 1衰减曲线法整衰减曲线法整定控制器参数，得定控制器参数，得 S S=20%=20%，T TS S=10=10分，当控制器分别为比分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其例作用、比例积分作用

21、、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。整定参数值。例例3-23-2 解解 应用表应用表3-3-8 8中的经验公式，可得中的经验公式，可得 (1)(1)、比例比例控制器控制器 =S S=20%=20%(2)(2)、比例积分比例积分控制器控制器 =1.2=1.2 S=1.2S=1.2 20%=24%20%=24%T TI I=0.5T=0.5TS S=0.5=0.5 10=5min10=5min (3)(3)、比例积分微分比例积分微分控制器控制器 =0.8=0.8 S S=0.8=0.8 20%=16%20%=16%T TI I=0.3T=0.3TS S=0.3=0.3 10=3min10=3m

22、in T TD D=0.1T=0.1TS S=0.1=0.1 10=1min10=1min 四、响应曲线法四、响应曲线法（动态特性参数法）（动态特性参数法）2 2 2 2、整定步骤、整定步骤、整定步骤、整定步骤 (1)(1)(1)(1)、用、用、用、用”实验法建模实验法建模实验法建模实验法建模“中所介绍的方法获取对象中所介绍的方法获取对象中所介绍的方法获取对象中所介绍的方法获取对象的响应曲线，如下图所示。的响应曲线，如下图所示。的响应曲线，如下图所示。的响应曲线，如下图所示。1 1 1 1、特点：、特点：、特点：、特点：依据对象的响应曲线依据对象的响应曲线依据对象的响应曲线依据对象的响应曲线-

23、飞升特性整定飞升特性整定飞升特性整定飞升特性整定参数，精度更高。参数，精度更高。参数，精度更高。参数，精度更高。(2)(2)、求取广义对象的放大系数、求取广义对象的放大系数KoKo式中式中 y-y-被控参数测量值的变化量；被控参数测量值的变化量；X-X-控制器输出的变化量；控制器输出的变化量；y ymaxmax-y-yminmin-测量仪表的刻度范围；测量仪表的刻度范围；X Xmaxmaxmaxmax-X-Xminminminmin-控制器输出变化范围。控制器输出变化范围。(3)(3)、根据根据对象的对象的K K0 0 、T T0 0 、0 0 ，按下表，按下表3-3-4 4所给公式求出所给公

24、式求出4 4：1 1衰减过程控制器的参数衰减过程控制器的参数、TITI和和 TD TD。在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动单元组合控制器的输出从单元组合控制器的输出从6 6mAmA改变到改变到7mA7mA时，温度记录时，温度记录仪的指针从仪的指针从8585升到升到87.887.8，从原来的稳定状态达到，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为新的稳定状态。仪表的刻度为5050 100100，并测出，并测出 O O=1.2min,T=1.2min,TO O=2.5min=2.5min。如采用。如采用PIPI和和PIDPID控制规律，试确控制规律，试确定

25、出整定参数。定出整定参数。例例3-3 3-3 本例中，本例中，X=7-6=1mA X=7-6=1mA Xmax-XminXmax-Xmin=10-0=10mA =10-0=10mA y=87.8-85.0=2.8y=87.8-85.0=2.8 y ymaxmax-y-yminmin=100-50=50=100-50=50 所以所以解：解：因此，在因此，在PIPI控制器时：控制器时：=1.1=1.1=1.1=1.1 27%=30%27%=30%27%=30%27%=30%T T T TI I I I=3.3=3.3=3.3=3.3 1.2=4min1.2=4min1.2=4min1.2=4min

26、 在在在在PIDPIDPIDPID控制器时：控制器时：控制器时：控制器时：=0.85=0.85=0.85=0.85 27%=23%27%=23%27%=23%27%=23%T T T TI I I I=2=2=2=2 1.2=2.4min1.2=2.4min1.2=2.4min1.2=2.4min T T T TD D D D=0.5=0.5=0.5=0.5 1.2=0.6min1.2=0.6min1.2=0.6min1.2=0.6min 解毕。解毕。解毕。解毕。数字PID控制概要n控制设备发展史n数字控制系统n数字PID控制算法控制设备发展史 手动操作开大阀门还是逃命？温度指示l手动操作l机

27、械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯冷却阀由人直接根据指示来调节阀门控制设备发展史 机械装置l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯浮子用来测量液位闸门的位置决定流量支点的位置决定：闸门的变化/液位变化怎样改变设定值？变量的值由装置的位置来表达控制设备发展史 气动设备l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯管道中的信号为3-15psi的气压气压改变阀门开度怎样执行PID计算？变量大小与气压成比例(50 150=3 15psi)。控制设备发展史 电动设备l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯电

28、线中的信号为4-20mA的电流电流转变为气压来操纵阀门怎样执行PID计算？变量大小与电流或电压成比例(50 150=4 20mA)。PID的模拟计算气动电动控制设备发展史 数字计算l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯电线中的信号为4-20mA的电流电流转变为气压来操纵阀门采用电动信号传输进行数字计算数字计算和通讯l手动操作l机械装置l气动设备l电动设备l数字计算l数字计算 和通讯电流转变为气压来操纵阀门数字PID信号采用数字传输信号在局域网中传输，传感器和阀门也可带有微处理器！数字控制A/DA/DD/AD/A现场控制器A/DA/DD/AD/A现场控制器特殊目的处

29、理器*信号采集*安全控制操作站操作站多功能计算机数字通讯过程*监视*历史记录*优化数字控制采用分布式网络结构为什么？分布式网络结构分布式结构的特点分布式结构的特点对过程控制的好处对过程控制的好处数个处理器并行运算控制计算比只用一个处理器快每个处理器只执行有限个控制器计算控制系统更安全，因为一个处理器故障只影响有限个控制回路最小系统只需要少量的设备系统可以很容易地进行扩展每种处理器可以配不同的硬件和软件可以根据具体的应用，比如控制、监视、操作等来选择硬件和软件数字控制中央控制室现场显示现场调节电缆，可能有几百米长中央控制室中进行变量显示、计算以及操纵阀门数字PID控制如何实现数字PID控制？实用

30、数字PID的主要组成下面来看看各个组成部分信号采集 采样速率几乎没有信号丢失连续信号发生了什么？快速采样慢速采样信号采集 采样速率连续信号发生了什么？失真慢速采样失真：当采样速率与信号的变化相比太慢会造成失真。Shannon定理：采样频率必须大于等于信号最高频率的两倍。信号采集 信号保持保持会改变动态吗？连续信号零阶保持后的信号在执行控制期间信号保持为上次采样的值信号采集 信号保持连续信号保持后的近似连续信号红色曲线是信号经采样保持后的近似连续信号，与原始信号有约半个采样周期的纯滞后。A/D转换硬件实现02N1测量值软件实现温度变送器的量程为50150，输出为420mA。假设采用12位的A/D

31、，当采样值为100000000000b时，实际的测量值是多少？滤波n什么是噪声？n如何去除噪声？滤波信号？噪声？信号噪声很难得到如此明确地区分！滤波模拟滤波电路(RC)n程序判断限幅滤波n中值滤波n递推平均滤波n加权递推平均滤波n一阶滞后滤波如何实现？数字滤波n程序判断滤波n中值滤波n递推平均滤波n加权递推平均滤波n一阶滞后滤波连续三次采样的中间值作为有效信号数字PID微分比例积分数字PID中对应的各项应为怎样呢？数字PID 比例作用微分比例积分控制器每执行一次就计算一次数字PID 积分作用微分比例积分控制器每执行一次就计算一次Ts是控制周期，一个常量数字PID 微分作用微分比例积分控制器每执

32、行一次就计算一次Ts是控制周期，一个常量数字PID 位置式数字PID，位置式计算到终端执行器的输出将三种作用汇集起来数字PID 增量式数字PID，增量式计算到达终端执行器的变化量位置式和增量式的比较n位置式需由外部引入初始阀位值，增量式不需要n位置式需防积分饱和，增量式不会产生积分饱和n只有存在偏差时，增量式才会有输出n增量式容易实现从手动到自动的切换PID改进方法 不完全微分PID改进方法 其它n微分先行n积分分离n不灵敏区数字控制的效果改变控制周期会如何？连续控制时控制参数为：数字控制的效果为何采用数字控制n可实现高级控制算法n可对过程进行监视n可实现过程优化n可实现诊断n说明：本课件部分图片参照了其他高校网上公开的资料信息，对此表示感谢！