31-4简单控制系统的整定

信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.1第三章简单控制系统的整定DeterminationofOptimalControllerSettings§3-1控制系统整定的基本要求§3-2衰减频率特性法定性分析§3-3工程整定方法§3-4参数自整定信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.2§3-1控制系统整定的基本要求一、参数整定二、参数整定的依据——性能指标三、调节器参数整定的方法四、控制器参数整定的若干原则信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall2010F,TinF,THeaterExampleGoal:Heattheoutputstreamtoadesiredsetpointtemperature,TsetAssumptions:•Allliquidinlinesandtank,thusFin=Fout=F•Flowisconstant•Fluiddoesnotboil•Noreactions•Tankiswellstirred•Heaterhasnolag•HeaterhasfiniterangeQuestion:HowdowechoosePIDcontrolparameters?信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall2010idealizedbehavior10010511011512012513013500.511.522.533.5timetemperatureidealizedresponseTfeedlimitedactionCase:HeatedCSTRStartingat120,andTset=130.Tfeed=100.(seePID.example.xls)信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall2010idealizedbehavior10010511011512012513013514001234567timetemperatureidealizedresponseTfeedlimitedactionCase:HeatedCSTRStartingat120,andTset=130.Tfeed=100.Hereweuseasmallertoshowintegratorwindup信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall2010PossibleTuningStrategies1.Perturbsystem,seewhathappensandusethisresponsetochoosePIDparameters2.AdjustPIDparametersuntilsomethingbadhappensandthenbackoff3.Numericaloptimizationbasedondata信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.7一、参数整定控制任务是在系统的结构确定、设备与对象等都处在正常状态的情况下,通过调整调节器的参数（δ、TI、TD)，与被控对象特性相匹配，以达到最佳的控制效果调整调节器参数的过程称为参数整定当调节器的参数被整定到使控制系统达到最佳控制效果时，称为最佳整定参数§3-1控制系统整定的基本要求PID广义被控对象ryeuPID-系统方案设计要求：安全、稳定和经济信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.8二、参数整定的依据——性能指标1）单项性能指标：ψ、σ、e(∞)、ts☆ψ=0.75适应于大部分允许有一些超调的工业过程☆ψ=1适用于被控对象的惯性较大，且不允许有过调的控制系统2）误差积分指标：IE、IAE、ISE、ITAE等信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.9•在实际系统整定过程中,常将两种指标综合起来使用•一般先改变某些调节器参数（如比例带）使系统获得规定的衰减率•然后再改变另外的参数使系统满足积分指标•经过多次反复调整，使系统在规定的衰减率下使选定的某一误差指标最小，从而获得调节器的最佳整定参数信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.10三、调节器参数整定的方法1)理论计算整定法:已获得控制系统各环节的数学模型时，根据控制要求确定系统的闭环传递函数或过渡过程指标，计算调节器的相应参数。•基于模型直接求得调节器的整定参数，过程复杂，•因近似对象故求得的整定参数不可靠常用方法：•频率特性法•根轨迹法•也可以通过仿真整定信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.11三、调节器参数整定的方法2）工程整定法：通过实验或利用经验确定控制器参数。•这类方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似最佳整定参数，因而在工程种得到广泛的应用。常用的工程整定方法有:•响应曲线法、临界比例度法、衰减曲线法、图表整定法、经验法等。信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.12四、控制器参数整定的若干原则1.系统稳定的静态条件是系统总开环放大倍数K恒定，即静态时KvKCKpKm=K恒定•量程变化、阀口径变化可调整KC使K恒定•对象的非线性可调整调节阀特性来补偿或用非线性控制规律2.系统动态特性由τ和T之比确定信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.133.最基本的控制作用是比例作用(P作用),其整定方法有:♠先调整KC，再调整TI、TD♠先调整TI、TD，再调整KC4.积分作用能消除静差，但使系统稳定性下降。一般取TI=2τ0或TI=(0.5-1)TP,且KC比纯比例时减小10%信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.145.微分作用能消除高阶对象过渡滞后(容量滞后)的影响。一般取TD=(0.25-0.5)TI,且KC比纯比例时增加10%6.微分作用应合适，对高频噪声，应采用反微分；随动系统采用微分先行，定值系统采用偏差微分信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.15过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定控制器参数整定的若干原则返回如PI调节器常取满足衰减率(比)的KC/TI中最大的一组KC和TI，图中红色曲线是等衰减比曲线，曲线内稳定裕度高于设定指标,红色星号的位置指出最佳KC和TI的值(后述……)7.控制品质中，稳定性是最基本的性能，一个可调的调节器参数，只能满足一个品质指标信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.168.不同的控制系统有不同的稳定裕度要求，即衰减比不同，对随动系统，常调整调节器参数得到10：1衰减比（红）；对定值系统，常调整调节器参数得到4：1衰减比（蓝）信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.179.闭环系统常近似为典型的二阶振荡环节，其超调量、衰减比和阻尼系数间有下列关系21e10.对象的模型有多种类型具体分析2222)s(nnnss信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.18§3-2衰减频率特性法定性分析一、衰减频率特性和稳定度判据二、衰减频率特性法整定调节器参数（一）单参数调节器的参数整定（二）双参数调节器的参数整定（三）三参数调节器的参数整定信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.19§3-2衰减频率特性法定性分析特征方程若有一对共轭复根(主导极点)一、衰减频率特性和稳定度判据若系统闭环传函为)()(1)()()(00sGsGsGsGsCCGC(s)G0(s)reuy-W0(s)0)()(10sGsGCjs2,1βωα-信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.20对应的系统阶跃响应衰减率为其中称为系统相对稳定度，且可求得:在根平面上有βωα-me21m221.0,75.0m366.0,9.0mmarctanarctan信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.21当频率从-∞～+∞，折线AOB上的任一点表示为将s的值带入系统开环传递函数得到系统的开环衰减频率特性)()()(00sGsGsWCβω-αAB0[s]jms2,1),(0jmW信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.22对应的推广乃氏稳定性判据——稳定度判据W0(s)在复平面上AOB折线的右侧有p个极点，那么当频率从-∞～+∞时，若W0(m，jω)逆时针包围(-1，j0)的圈数为p，则闭环系统衰减率满足要求ψψsβω-αAB0[s]★奈氏判据:闭环稳定的充要条件是当频率从-∞～+∞时,开环频率特性W0(jω)按逆时针方向包围(－1,j0)点p圈(p为[s]的开环极点数目).信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.23•若开环稳定,闭环稳定的充要条件是:系统的开环频率特性W0(jω)不包围(－1,j0)点若W0(s)在[s]上AOB折线的右侧无极点，则当频率从-∞～+∞时，2.若W0(m，jω)通过(-1，j0)，则衰减率ψ=ψs1.若W0(m，jω)不包围(-1，j0)，则衰减率ψψs3.若W0(m，jω)包围(-1，j0)，则衰减率ψψsβω-αAB0[s]信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.24二、衰减频率特性法整定调节器参数已知系统开环传递函数为的特征方程为:)()()(00sGsGsWC则满足闭环系统衰减率0)()(1)(0sGsGsFC则闭环系统特征方程为)(ssm0),(),(1),(0jmGjmGjmFssCs信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.25即：求解以上满足幅值条件和相位条件的所组成的方程组，便可得到调节器的整定参数及振荡频率1),(),(0jmMjmMssC),(),(0jmjmssC信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.26(一)单参数调节器的参数整定(1)比例调节器的参数整定1),(SKjmGCsC),(0jmGs对象的衰减频率特性为调节器的衰减频率特性为信息科学与工程学院过程控制：简单控制系统.简单控制系统的整定Fall20102020年1月12日星期日05:26No.27其中ωs由相频特性求得求解方程组1),(0sCmMK),(0sm),(1101s