PID Turning.ppt

SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Turning of PID controllersPID控制器的控制器的参数整定参数整定 SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 2 2SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSTypical Control LoopTypical Control Loop PID Processset pointPVControlled targeterrorMVsDVsSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 3 3SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS常见的现场执行机构常见的现场执行机构ControlControlvalvevalveUpstreamCut ValveDownstreamCut ValveBy passBy passSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 4 4SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS常用的工业常用的工业PID控制器控制器P：PID：PI：SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 5 5SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS比例比例(Proportional)(Proportional)控制器控制器 O PtOP=OP=Kc Kc*E(%)=100%/PB*E(%)*E(%)=100%/PB*E(%)nKc Kc is is dimentionlessdimentionlessnThe unit of PB is%The unit of PB is%E(%)=(PV-SP)/SP*100%E(%)=(PV-SP)/SP*100%Note:PV will change with OP S P P VSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 6 6SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS积分积分(Integral)(Integral)控制器控制器 O P P VtTiError is repeated inone time constant TiOP=OP=Kc/TiKc/TiEdtEdt S PSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 7 7SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSPI PI O P P VtTiProportional error is repeatedin one time constant TiProportionalIntegral S PSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 8 8SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS微分微分(Derivative)(Derivative)控制器控制器 O P P VttdOP=OP=Kc Kc*Td*Td*(*(d dE/dtE/dt)S PSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 9 9SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSPIDPID控制器控制器 O P P V時間tdProportionalIntegralDerivative S PSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 10 10SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENST T a a r r g g e e t t o o f f c c o o n n t t r r o o ll ll ii n n g gnThe controlled error is mine or can be received The controlled error is mine or can be received 最小的控制誤差最小的控制誤差nSystem stability is better than manual operationSystem stability is better than manual operationnUnite can safely runningUnite can safely runningSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 11 11SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSTuning Tuning rulerruler注意事項注意事項工艺工艺特性特性 (self-regulated or integrator)(self-regulated or integrator)技巧技巧SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 12 12SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSNoticeNoticeMake sure it is appropriate timeMake sure it is appropriate timeDo not tune at first,check what is the problem.Do not tune at first,check what is the problem.nThe four elements of a control loopThe four elements of a control loopnLook for disturbancesLook for disturbancesnCheck“Filtering”always at the beginningCheck“Filtering”always at the beginningRecord every everything you observe and what you have doneRecord every everything you observe and what you have donenWrite down existing tuning constantWrite down existing tuning constantAsk operator join,but you dont have to listen too muchAsk operator join,but you dont have to listen too muchNot just focus at the tuning loop but whole processNot just focus at the tuning loop but whole processMake some protections for the new tuning loopMake some protections for the new tuning loopMake a SP changeMake a SP changeControl performance acceptably?Control performance acceptably?Check on performance for the next few weeksCheck on performance for the next few weeksSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 13 13SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS -self regulated-self regulated vs vs integrator integratorYou can obtain a level model w/o plant testYou can obtain a level model w/o plant testTight:Stay on set pointTight:Stay on set pointnMost pressures,some levelsMost pressures,some levelsLoose:Smooth out flowsLoose:Smooth out flowsnMost levels,some pressuresMost levels,some pressuresFor most of level loops use P onlyFor most of level loops use P onlySIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 14 14SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS調諧技巧Select proper PID algorithmSelect proper PID algorithmDo not use Do not use T Td d for most of case for most of case If possible,conduct a plant testIf possible,conduct a plant testnBe careful for an integrator loopBe careful for an integrator loopnDead time is the most important concernDead time is the most important concernnDT/DT/2,PID is bad 2,PID is bad.Try other control design.Try other control design.Response pattern tuning(trail&error)Response pattern tuning(trail&error)nFrom PV-SP error From PV-SP error nFrom OP:if MV moves excessively-increase From OP:if MV moves excessively-increase T TiiChange size-Half and doubleChange size-Half and doubleTry tuning software packageTry tuning software packageSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 15 15SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSResponse Pattern TuningResponse Pattern Tuning PV SP Time PV SP Time PV SP Time PV SP TimeSLOWOVERSHOOTCYCLINGKICKBACKIncrease KcDecrease TiReduce KcReduce KcIncrease TiIf Ti T/4Increase it.Otherwisedecrease gainSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 16 16SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSThe effect of PID for performance of control loopThe effect of PID for performance of control loopPIDPID参数对控制性能的影响参数对控制性能的影响AdvantageAdvantageShortageShortage比例度比例度Kc(bigger)使系统的调节作用增强Stability DecreaseStability Decrease积分时间积分时间Ti(shorter)E E使系统消除余差的速度增强Stability DecreaseStability Decrease微分微分Td微分作用的增强（即微分作用的增强（即Td 增大）增大），从理论上讲使系统的超前，从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，作用增强，稳定性得到加强，但高频噪声起放大作用。因但高频噪声起放大作用。因而，微分作用不适合于测量而，微分作用不适合于测量噪声较大的对象。噪声较大的对象。Stability DecreaseStability DecreaseSIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 17 17SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS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。问题：问题：选择原则分析。SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 18 18SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSPIDPID工程整定法工程整定法1 1经验法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。SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 19 19SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS工程整定法工程整定法2 2临界比例度法临界比例度法步骤：（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）设等幅振荡时所对应的振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr，再根据控制器类型选择PID参数。局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生等幅振荡。“衰减振荡法”SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 20 20SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS工程整定法工程整定法3-3-响应曲线法响应曲线法步骤：（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃或方块脉冲变化），记录被控变量的响应曲线；（2）由开环响应曲线获得阶跃响应曲线，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KC作恰当调整。SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 21 21SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS工程整定法工程整定法3-3-响应曲线法响应曲线法(续续)常用参数整定规则：（1）Z-N（Ziegler-Nichols）规则（p.50,p.50,表表1-101-10）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用“一阶一阶+纯滞后纯滞后”来近似来近似。（2）修正的Z-N规则特点：适合于自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为适合于自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为“S”S”型曲线，即无振型曲线，即无振荡单调上升或下降曲线荡单调上升或下降曲线。SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 22 22SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS基本调节回路的诊断基本调节回路的诊断将控制器置于“手动”方式，人为改变控制器的输出信号（遥控），检测现场调节阀阀杆是否上下移动；如果阀杆上下移动自如，检查相关流量/压力等测量信号是否随之变化。若变化很小，则检查测量信号是否正常，或者调节阀上游阀和下游阀是否全开，或者旁路阀是否关闭；如果调节阀灵活，而且相关被控信号可随之变化。则可进入单回路PID控制器的参数整定.SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 23 23SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSStep 1:Step 1:开环阶跃响应测试开环阶跃响应测试（1）手动改变控制器的输出信号u(k)，观察被控变量y(k)的变化过程。（2）由阶跃响应曲线得到对象基本特征参数。SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 24 24SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSStep 2:Step 2:对象特征参数的获得对象特征参数的获得 Kp(稳态增益)：Td(纯滞后时间)与Tp(一阶滞后时间常数)：SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 25 25SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSStep 3:Step 3:PID参数的选取参数的选取 PID参数初始值的选择：参数初始值的选择：将上述将上述PID控制器投入控制器投入“Auto”（自动）方式，并适当改变控制回路的自动）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，而且无超调存在，则适设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢，而且无超调存在，则适当加大当加大KC值，例如增大到原来的两倍；反之，则减小值，例如增大到原来的两倍；反之，则减小KC值。值。SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 26 26SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS非自衡对象的阶跃响应非自衡对象的阶跃响应SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 27 27SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS“非自衡对象非自衡对象”控制系统分析控制系统分析问题：问题：对于上述“非自衡液位对象”，通常采用纯比例调节器对其进行控制。试分析上述控制系统的临界稳定条件。SIEMENSSIEMENSSiemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Siemens Industrial Automation Ltd.,Shanghai Page Page 28 28SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS非自衡对象非自衡对象PID参数整定原则参数整定原则 PID参数初始值的选择：参数初始值的选择：将上述将上述PID控制器投入控制器投入“Auto”（自动）方式，并适当改变控制回路的自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统的稳定性能。若稳定性较差，则可适当减小设定值，观察控制系统的稳定性能。若稳定性较差，则可适当减小KC值。值。