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

本节主要内容总结PID控制的特点及对控制品质的影响总结PID控制器的参数整定方法及实例数字PID控制器的发展过程数字PID控制器的组成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、适应面广温度控制器Gc(s)设定值Tsp偏差e(t)+_测量值Tm(t)++温度测量变送Gm(s)燃料控制阀Gv(s)炉出口温度T(t)控制u(t)燃料量Rf(t)控制通道Gp(s)加热炉D(t)纯比例P控制器控制器增益Kc或比例度δ对系统性能的影响：增益Kc的增大（或比例度δ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）；0)()(uteKtuc%100*1cK比例增益Kc对控制性能的影响比例积分PI控制器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。00)1(uedtTeKutic)11()(sTKsGicc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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。001)(udtdeTedteKudtTci)11()(sTsTKsGdicc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1111)(sATsTsTKsGdddicc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1sTKmm1sTKdd)exp(1ssTKpp1sTKvvd(t)u(t)y(t)z(t)++假设控制输入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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；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；掌握子系统的封装技术（包括外观设计、参数设置、注释等）；掌握自定义模块的运行机制、设计方法与封装技术。思考题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；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？引入微分作用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？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控制器增益Kc或比例度δ增益Kc的增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降；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；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。0000)1(1)1(udtdeTedtiTeudtdeTedtiTeKudtdtc工业PID控制器的选择被控参数控制器备注温度/成分PID*1流量/压力PI液位/料位P*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。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个参数值的设置。PID控制器参数整定，就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度δ、积分时间TI、微分时间TD的具体数值。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。4：1递减比为最佳参数整定的常用依据。4:1参数整定的方法:0、概述PID控制器的参数整定对数频率特性法、根轨迹法等。(2)、工程整定法：经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法等。(1)、理论整定法：%100)xxee(maxmax.x;x;e;emaxmax输出变化量围控制器输出的变化全范输入变化量控制器输入的测量范围式中对于单元组合仪表，%.100K1c比例度的概念：对于比例作用大小，工业控制器常用δ表示，其义为：一、现场经验凑试法1、常用的参数经验范围：如表3-1所示2、整定步骤(1)、在纯比例作用下(TI=、TD=0)在比例度按表3-1的取值下，将系统投入运行；若曲线振荡频繁，则加大比例度；若超调量大，且趋于非周期，则减少，求得满意的4：1过渡过程曲线。(2)、引入积分作用(此时应将上述加大1.2倍)将积分时间TI由大到小进行整定；若曲线波动较大，则应增大TI；若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少TI，以求得较好的过渡过程曲线。(3)、若需引入微分作用1、特点:是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整定方法。2、整定步骤(1)、在纯比例作用下投入(TI=,TD=0),比例度适当；平稳操作一段时间，把系统投入自动运行。将TD按经验值或按TD=(1/3～1/4)TI设置，并由小到大加入；若曲线超调量大而衰减慢，则需增大TD；若曲线振荡厉害，则应减小TD；观察曲线，再适当调节和TI，反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。二、稳定边界法（临界比例度法）图3-12，得到图3-12所示等幅振荡过程记下临界比例度K和临界振荡周期TK值。kT(2)、将逐渐减小(3)、根据K和TK值，采用表3-2中的经验公式，计算、TI、TD的值。用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度K=20%,临界振荡周期TK=1min，当控制器分别采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值。例3-1(4)、按“先P后I最后D”的操作程序，将控制器整定参数调整到计算值上。观察其运行曲线，若不够满意，再做进一步调整。解：应用表3-2经验公式，可得(1).比例控制器=2K=2×20%=40%(2).比例积分控制器=2.2K=2.2×20%=44%TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min(3).比例积分微分控制器=1.6K=1.620%=32%TI=0.5TK=0.51=0.5minTD=0.25TI=0.250.5=0.125min三、阻尼振荡法（衰减曲线法）(1)、实现4：1衰减比先把参数置成纯比例作用(TI=,TD=0)，使系统投入运行；再把从大逐渐调小，直到出现右图所示的4：1衰减过程曲线；此时的4：1衰减比例度为S，4：1衰减振荡周期为TS。运行效果如下图。1、特点：是在总结稳定边界法的基础上，经过反复实验提出来的。2、整定步骤：对于要求系统过渡过程达到4：1衰减的步骤如下。返回(3)、进一步调整按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的参数设置在控制器上；(2)、计算参数再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。根据S和TS，使用表3-8计算出控制器的各个整定参数值。某温度控制系统，采用4：1衰减曲线法整定控制器参数，得S=20%，TS=10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，试求其整定参数值。例3-2解应用表3-8中的经验公式，可得(1)、比例控制器=S=20%(2)、比例积分控制器=1.2S=1.220%=24%TI=0.5TS=0.510=5min(3)、比例积分微分控制器=0.8S=0.820%=16%TI=0.3TS=0.310=3minTD=0.1TS=0.110=1min四、响应曲线法（动态特性参数法）2、整定步骤(1)、用”实验法建模“中所介绍的方法获取对象的响应曲线，如下图所示。1、特点：依据对象的响应曲线---飞升特性整定参数，精度更高。(2)、求取广义对象的放大系数KominmaxminmaxoXXXyyyK式中Δy---被控参数测量值的变化量；ΔX---控制器输出的变化量；ymax-ymin---测量仪表的刻度范围；Xmax-Xmin---控制器输出变化范围。(3)、根据对象的K0、T0、0，按下表3-4所给公式求出4：1衰减过程控制器的参数、TI和TD。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6mA改变到7mA时，温度记录仪的指针从85℃升到87.8℃，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为50100℃，并测出O=1.2min,TO=2.5min。如采用PI和PID控制规律，试确定出整定参数。例3-3本例中，X=7-6=1mAXmax-Xmin=10-0=10mAy=87.8-85.0=2.8℃ymax-ymin=100-50=50℃所以解：27.05.22.156.0TK56.0101508.2Koooo因此，在PI控制器时：=1.127%=30%TI=3.31.2=4min在PID控制器时：=0.8527%=23%TI=21.2=2.4minTD=0.51.2=0.6min解毕。数字PID控制概要控制设备发展史数字控制系统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手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算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手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算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手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算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手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算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手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算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手动操作机械装置气动设备电动设备数字计算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？实用数字PID的主要组成下面来看看各个组成部分过程传感变送采样、保持、A/D转换信号处理与滤波PID算法：正反作用设置；防积分饱和；微分处理；不灵敏区设置输出处理：