(6.4.1)--第六章PID反馈控制器设计.ppt

《(6.4.1)--第六章PID反馈控制器设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(6.4.1)--第六章PID反馈控制器设计.ppt（59页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第6章章 PID反馈控制器的设计反馈控制器的设计和系统投运和系统投运本讲基本要求本讲基本要求n掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系n了解PID控制律的选取原则n掌握单回路PID控制器的参数整定方法n了解“防积分饱和”与“无扰动切换”n了解PID参数的自整定方法概述概述n工程师应当工程师应当对控制算法有充分理解对控制算法有充分理解的的三方面三方面的原因的原因n n导致导致PID控制算法控制算法至今仍得到成功应用至今仍得到成功应用的原的原因是因是其具有许多优良特征其具有许多优良特征 n nPID控制算法主要应用于单回路控制系统控制算法主要应用于单回路控制系统，这些简单控制系统是最基本的，约占

2、目前，这些简单控制系统是最基本的，约占目前工业过程控制系统的工业过程控制系统的80%左右左右n n在理想情况下，希望设计的在理想情况下，希望设计的PID单回路控制单回路控制系统能够满足的系统能够满足的期望特性期望特性 6.1 PID反馈控制模式与控制规律反馈控制模式与控制规律nPID反馈控制器的作用反馈控制器的作用 nPID控制规律由控制规律由三种基本的控制模式三种基本的控制模式构成构成 n三种基本的控制模式分别为三种基本的控制模式分别为比例模式比例模式P积分模式积分模式I微分模式微分模式D PID 控制器比例控制比例控制在工业应用或很多工业控制器中，常用在工业应用或很多工业控制器中，常用在工

3、业应用或很多工业控制器中，常用在工业应用或很多工业控制器中，常用比比比比例度例度例度例度 来表示控制器比例增益的强弱来表示控制器比例增益的强弱来表示控制器比例增益的强弱来表示控制器比例增益的强弱，在在在在多数情况下，多数情况下，多数情况下，多数情况下，C C=1=1，KKc c无量纲，无量纲，无量纲，无量纲，正好正好正好正好是是是是u u u u0 0与与与与e e成比例的偏差范围，成比例的偏差范围，成比例的偏差范围，成比例的偏差范围，因此比例度，因此比例度，因此比例度，因此比例度 又常称为又常称为又常称为又常称为比例带比例带比例带比例带PBPB比例控制器比例控制比例控制n n图图6-1a所示

4、为所示为理想比例控制器理想比例控制器的输出特性的输出特性,它对于控制器的输出没有物理限制它对于控制器的输出没有物理限制n n实际的控制器实际的控制器是具有物理限制的是具有物理限制的,当输出达当输出达到上限到上限umax或下限或下限umin,控制阀就饱和了控制阀就饱和了,如如图图6-1b所示所示比例增益对控制性能的影响比例增益 Kc 增大，调节作用增强，但稳定性下降(当系统稳定时，调节频率提高且余差下降)。比例积分控制器积分作用对控制性能的影响积分时间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，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。

5、理想的比例积分微分控制器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容量容量容量容量滞后滞后滞后滞后较大的广义对象，如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响实际的比例积分微分控制器其中Ad 为微分增益SimuLink 结构:工业工业PID控制器的选择控制器的选择*1：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均滤波。PID工程整定法工程整定法1-经验法经验法针对被控变量类型的不同，选

6、择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。（具体整定参数原则见 p.111 表6-2）工程整定法工程整定法2-临界比例度法临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比例增益KC为一个较小值，并投入闭环闭环运行；2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况；3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡；4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax。控制器参

7、数的工程整定方法控制器参数的工程整定方法在在控控制制系系统统设设计计或或安安装装完完毕毕后后，被被控控对对象象、测测量量变变送送器器和和执执行行器器这这三三部部分分的的特特性性就就完完全全确确定定了了，不不能能任任意意改改变变。只只能能通通过过控控制制器器参参数数的的工工程程整整定定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。，来调整控制系统的稳定性和控制质量。控控制制器器参参数数的的整整定定，就就是是按按照照已已定定的的控控制制方方案案，求求取取使使控控制制质质量量最最好好的的控控制制器器参参数数值值。具具体体来来说说，就就是是确确定定最最合合适适的的控控制制器器比比例例度度P、积积分分时时间间TI

8、，和微分时间和微分时间TD。控控制制器器参参数数整整定定的的方方法法很很多多，主主要要有有两两大大类类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。q理理论论计计算算的的方方法法是是根根据据已已知知的的各各环环节节特特性性及及控控制制质质量量的的要要求求，通通过过理理论论计计算算出出控控制制器器的的最最佳佳参参数数。这这种种方方法法由由于于比比较较繁繁琐琐、工工作作量量大大，计计算算结结果果有有时时与与实实际际情情况况不不甚甚符符合合，故故在在工工程程实实践践中中长长期期没没有有得得到推广和应用。到推广和应用。q工工程程整整定定法法是是在在已已经经投投运

9、运的的实实际际控控制制系系统统中中，通通过过试试验验或或探探索索，来来确确定定控控制制器器的的最最佳佳参参数数。这这种种方法是工艺技术人员在现场经常使用的。方法是工艺技术人员在现场经常使用的。稳定边界法（临界比例度法）稳定边界法（临界比例度法）属属于于闭闭环环整整定定方方法法，根根据据纯纯比比例例控控制制系系统统临临界界振振荡荡试试验验所所得得数数据据（临临界界比比例例度度u和和振振荡荡周周期期Pu），按经验公式求出调节器的整定参数。按经验公式求出调节器的整定参数。（1 1）置置调调节节器器Ti ，Td=0，比比例例度度P 较较大值，将系统投入运行。大值，将系统投入运行。（2 2）逐逐渐渐减减

10、小小P，加加干干扰扰观观察察，直直到到出出现现等等幅幅减减振振荡荡为为止止。记记录录此此时时的的临临界界值值u和和Pu。y(t)Pu 系统临界振荡曲线系统临界振荡曲线tv经经验验公公式式虽虽然然是是在在实实验验基基础础上上归归纳纳出出来来的的，但但它它有有一一定定的的理理论论依依据据。就就以以表表中中PI调调节节器器整整定定数数值值为为例例，可可以以看看出出PI调调节节器器的的比比例例度度较较纯纯比比例例调调节节时时增增大大，这这是是因因为为积积分分作作用用产产生生一一滞滞后后相相位位，降降低低了了系统的稳定度的缘故。系统的稳定度的缘故。根据根据u和和Pu，按经验公式计算按经验公式计算出控制器

11、的参数出控制器的参数整定值。整定值。整定参数整定参数控制规律控制规律 （%）Ti Td P 2u PI 2.2u 0.85 Pu PID 1.7u 0.50 Pu 0.125 Pu 表表6-3 稳定边界法整定参数计算表稳定边界法整定参数计算表q 稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：临临界界比比例例度度过过小小时时，调调节节阀阀容容易易游游移移于于全全开开或或全全关关位位置置，对对生生产产工工艺艺不不利利或或不不容容许许。例例如如，一一个个用用燃燃料料油油加加热热的的炉炉子子，如如果果阀阀门门发发生生全全关关状状态态就就要要熄火。熄火。工工艺艺上上的的约约

12、束束条条件件严严格格时时，等等幅幅振振荡荡将将影影响响生生产的安全。产的安全。衰减振荡法衰减振荡法 也也属属于于闭闭环环整整定定方方法法，但但不不需需要要寻寻找找等等幅幅振振荡荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。方法：方法：（1 1）把把调调节节器器设设成成比比例例作作用用（T Ti i=，T Td d=0=0），置于较大比例度，投入自动运行。置于较大比例度，投入自动运行。（2 2）在在稳稳定定状状态态下下，阶阶跃跃改改变变给给定定值值（通通常常以以5%5%左右为宜），观察调节过程曲线。左右为宜），观察调节过程曲线。（3 3）适适当当改改变变比比例例度度，

13、重重复复上上述述实实验验，到到出出现现满意的衰减曲线为止。满意的衰减曲线为止。记下此时的比例度记下此时的比例度s及周期及周期Ts。n=10:1时，记下此时时，记下此时的比例度的比例度s及上升时间及上升时间trTstr（4 4）按按表表6-4（n=4:1）或或按按表表6-4（n=10:1）求求得各种调节规律时的整定参数。得各种调节规律时的整定参数。表表6-4 衰减比为衰减比为4:1时，时，整定参数计算表整定参数计算表表表6-4 衰减比为衰减比为10:1时，时，整定参数计算表整定参数计算表0.1Ts0.3 Ts0.8sPID 0.5 Ts1.2sPIsPTdTi（%）整定参数整定参数调节规律调节规

14、律0.4tr1.2tr0.8sPID 2tr1.2sPIsPTdTi（%）整定参数整定参数调节规律调节规律响应曲线法响应曲线法属属于于开开环环整整定定方方法法。以以被被控控对对象象控控制制通通道道的的阶阶跃跃响响应应为为依依据据，通通过过经经验验公公式式求求取取调调节节器器的的最最佳佳参参数数整定值。整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象被控变量被控变量根根据据实实验验所所得得响响应应曲曲线线，找找出出广广义义对对象象的的特特性性参参数数K0或或P0、T0、0，用表，用表6-5的经

15、验公式求整定参数。的经验公式求整定参数。T00此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。表许工艺失控的生产过程，不能使用。表6-5仅适用于仅适用于0T0的情况。适用范围更大的见表的情况。适用范围更大的见表6-6.表表6-5 响应曲线法整定参数的公式响应曲线法整定参数的公式0.5020PID3.30PIPTdTi（%）整定参数整定参数控制规律控制规律临界比例度法举例临界比例度法举例临界比例度法举例临界比例度法举例(续续1)1)临界比例度法临界比例度法(续续)控制规律KcmaxTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax

16、0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu根据等幅振荡曲线得到的振荡周期Pu和产生等幅振荡的控制器增益Kcmax，对所选择的控制规律查表得到控制器参数。临界比例度法举例（续临界比例度法举例（续2）工程整定法工程整定法3-响应曲线法响应曲线法n临界比例度法的局限性：临界比例度法的局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。n响应曲线法响应曲线法PID参数整定步骤：参数整定步骤：（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线；（2）根据单位阶跃响应曲线求取“广义对象”的近似模型与模型参数；（3）根据控制器类型与对象模

17、型，选择PID参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。响应曲线法举例响应曲线法举例阶跃响应测试法举例（续阶跃响应测试法举例（续1）对象的近似模型：Ziegler-Nichols参数整定法参数整定法n特点：特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。n整定公式：整定公式：响应曲线法举例（续响应曲线法举例（续2）6.3继电反馈继电反馈PID参数自整定参数自整定具有继电器型非线性控制系统具有继电器型非线性控制系统问题：用描述函数法描述函数法分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件？继电器输入输出信号分析继电器输入输出信号分析周期信号的周期信号的

18、Fourier级数展开级数展开一个以T为周期的方波函数f(t)可以展开为假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为继电器型控制系统等幅振荡条件继电器型控制系统等幅振荡条件继电器型控制系统等幅振荡条件继电器型控制系统等幅振荡条件继电器型控制系统等幅振荡条件继电器型控制系统等幅振荡条件由继电器输出幅度由继电器输出幅度d以及过程输出信号以及过程输出信号y的幅度的幅度 就可计算出临界增益就可计算出临界增益Ku=Kcr，由极限环振，由极限环振荡周期就可获得临界振荡周期荡周期就可获得临界振荡周期Tu。于是可用。于是可用Z-N法自动整定法自动整定PID控制器参数。控制器参数。继电器型控制系统等幅振荡条件

19、继电器型控制系统等幅振荡条件对于没有滞环的继电器环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为a，则a为系统产生振荡的条件是：再由临界比例度法自动确定PID参数.继电器型继电器型PID自整定举例自整定举例继电器型继电器型PID自整定举例（续）自整定举例（续）6.3.3仿真举例仿真举例 n1.自衡对象自衡对象 n2.无自衡对象无自衡对象 基于继电反馈的参数自整定方法原理简单、安基于继电反馈的参数自整定方法原理简单、安全可靠全可靠,可广泛应用于各种工业过程可广泛应用于各种工业过程,特别是无自衡特别是无自衡系统或对象特性变化显著的过程系统或对象特性变化显著的过程。n单回路单回路PID反馈控制系统的投运反馈控制

20、系统的投运 n n本章作业本章作业:n n教材教材p.118 思考题与习题思考题与习题 6.4,6.5.n某一温度控制系统，采用某一温度控制系统，采用4:1衰减曲线法进行衰减曲线法进行整定，测得系统的整定，测得系统的s=25%，衰减振荡周期，衰减振荡周期Ts=10min，当控制器分别采用，当控制器分别采用PI和和PID控制控制作用时，试求其整定参数值。作用时，试求其整定参数值。单回路系统的单回路系统的“积分饱和积分饱和”问问题题问题问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用

21、的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。单回路系统积分饱和单回路系统积分饱和仿真结果仿真结果单回路系统的防积分饱和单回路系统的防积分饱和讨论讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。单回路系统的抗积分饱和举例单回路系统的抗积分饱和举例单回路工业单回路工业PID控制器连接法控制器连接法手自动无扰动切换问题与实现手自动无扰动切换问题与实现实现方式实现方式：在Auto（自动）状态，使手操器输出等于调节器的输出；而在Man（手动）时，使调节器输出等于

22、手操器的输出；仿真练习1n构造具有初始输出的构造具有初始输出的PID控制模块；控制模块；n对下图所示的系统，假设稳态时对象的输入为50，输出y为20。在10时刻设定值从20变为25，试对不同控制器进行仿真比较。仿真练习1(续)n采用纯比例控制器，分别在有噪声和没有噪声的情况下，作出Kc值为5，15和25时y相对于设定值变化的曲线；n采用Kc=2的PI控制器，Ti分别取2，1，0.5时在有噪声和没有噪声的情况下作出y相对于设定值变化的曲线；n采用Kc=2，Ti=0.5的PID控制器，试改变Td和Ad的值并比较在不同取值情况下以及在不同大小的噪声干扰下y相对于设定值变化的曲线。仿真练习2构建如图所

23、示的对象，其中一阶环节的参数如图所示，纯滞后时间为5，稳态时的输入为45，输出为25。白噪声的强度为0.2，采样时间为0.5。假设采用单回路控制，试为上述对象设置合适的PID参数。仿真练习3n构建自己的具有防积分饱和功能的PID模块；n搭建如下图所示的控制系统，其中各个环节的参数如图所示。假设稳态时控制器的输出为50%，限幅环节的上下幅值分别为0%和100%，对象Gp的稳态输出为360摄氏度，测量环节Gm的稳态输出为60%，干扰通道Gd1的稳态输入输出值都为0；n试为上述系统设置合适的控制器参数；n假设D1在时刻10产生-15的阶跃干扰而D2在时刻70产生20的阶跃干扰，分别采用没有防积分饱和功能的PID控制器和具有防积分饱和的PID控制器进行控制。试比较两种控制下的测量值、控制器的输出以及阀门（限幅环节）的输出。仿真练习3（续）