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    PID控制控制器的参数整定及其应用[31].ppt

    • 资源ID:3694990       资源大小:423.02KB        全文页数:31页
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    PID控制控制器的参数整定及其应用[31].ppt

    PID控制器的参数整定与应用问题,戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所 2004/03/08,上一讲内容回顾,讨论仿真系统SimuLink的使用方法; 介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则; 描述了单回路系统的常用性能指标; 通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。,控制器的“正反作用”选择,问题: 如何选择控制阀的 “气开气关”? 如何选择温度控制器的正反作用,以使闭环系统为负反馈系统?,PID控制器的物理意义讨论,对于一般的自衡过程,当设定值或扰动发生阶路变化时,为什么采用纯比例控制器会存在稳态余差? 引入积分作用的目的是什么,为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性? 引入微分作用的目的是什么,为什么实际工业过程中应用并不多?,本讲基本要求,了解PID控制规律的选取原则, 掌握单回路PID控制器的参数整定方法, 了解PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术, 了解PID参数的自整定方法。,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; 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。,PID参数对控制性能的影响,工业PID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。,讨论: 选择原则分析。,PID工程整定法1-经验法,针对被控变量类型的不同,选择不同的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.65 表5.3-1),工程整定法2-临界比例度法,步骤:(1)先将切除PID控制器中的积分与微分作用,取比例增益KC较小值,并投入闭环运行; (2)将KC由小到大变化,对应于某一KC值作小幅度的设定值阶跃响应,直至产生等幅振荡; (3)设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr ,再根据控制器类型选择以下PID参数。,单回路PID参数整定仿真举例,SimuLink仿真程序参见.PIDControlPIDLoop.mdl),工程整定法3-响应曲线法*,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。,响应曲线法PID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)由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线,并求取 “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。,“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法*,典型自衡工业对象 的阶跃响应,对象的近似模型:,对应参数见左图,而增益为:,ymin, ymax为CV的测量范围; umin, umax为MV的变化范围,对于阀位开度通常用0100%表示。,Ziegler-Nichols参数整定法*,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。 整定公式:,响应曲线法举例,SimuLink仿真程序参见.PIDControl PIDLoop.mdl) 假设测量范围为200 400 , K = 1.75, T = 10 min, = 7 min. Kc = 0.8, Ti = 14 min, Td = 3.5 min.,响应曲线法举例(续),对于无显著纯滞后的自衡对象PID参数整定法(1/4准则)*,特点:适合于纯滞后不显著的自衡对象,而且广义对象的阶跃响应为 “S” 型曲线。 初始整定参数:,Ts 为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。,参数调整:将上述PID控制器投入“Auto” (自动)方式,并适当改变控制回路的设定值,观察控制系统跟踪性能。若响应过慢且无超调,则适当加大KC,例如增大到原来的两倍;反之,则减小KC值。,响应曲线1/4准则法举例,SimuLink 仿真程序参见 . PIDControl PIDLoop.mdl,单回路系统的“积分饱和”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现象举例,单回路PID控制系统(无抗积分饱和措施) (参见模型/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl),单回路系统积分饱和仿真结果,单回路系统的防积分饱和原理,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,(仿真模型参见/PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl),手自动无扰动切换问题与实现,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,使调节器输出等于手操器的输出;,继电器型PID自整定器原理,具有继电器型非线性控制系统,问题:如何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,周期信号的Fourier级数展开,一个以T为周期的函数f (t)可以展开为,对齐次函数, 有,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,对于没有滞环的继电器非线性环节,假设该环节输入的一次谐波振幅为a,则对继电器输入输出的一次谐波,其增益为,闭环继电系统临界稳定条件:,对于继电器控制器而言,其临界增益为:,临界振荡周期为 Tcr。再由临界比例度法自动确定PID参数.,继电器型PID自整定举例,具体参见 /PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl,结 论,讨论了PID控制规律的选取原则, 详细分析了单回路PID参数整定方法, 介绍了PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术, 分析了继电器型PID参数自整定原理。,练习题,对于题图5-1( p. 68 )所示的加热炉出口温度控制系统,假设变送器量程为200 300。试回答以下问题并说明理由: (1)燃料控制阀选用“气开”阀还是“气关阀”? (2)温度控制器该选“正作用”还是“反作用”? (3)若在手动控制状态,燃料控制阀风压(或者说温度控制器输出电流)减少3%,炉出口温度的变化过程如题5-8下表格所示。请确定“广义对象”的特性参数K、T、。 (4)若温度控制器采用PID调节器,试确定PID参数,并给出SimuLink仿真曲线(假设设定值从270上升至280 )。,

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