PID自动控制控制的基础学习知识原理和特点.doc
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1、!-目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制 _Xt/UN 系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构加到被控系统上控制系统的被控量经过传感器变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统其传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际
2、中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制,而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连,如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID 控制功能的控制器,如Rockwell 的Logix产品系列,它可以
3、直接与ControlNet相连,利用网络来实现其远程控制功能。 Tb$)O /F f 1、开环控制系统 M bWby 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 &KjMw:l UA*We 1 2、闭环控制系统 C&0-Iq L ci? 微分(D)控制 ?Z/0X)| 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(
4、环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 R|RGoGE6g xl 5wh 5、PID控制器的参数整定 U=TAWZ PID控制器的参
5、数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID Q,.dIPla 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论
6、采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 - k0a(? YHN6/k7H PID参数的设定:是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从而调整PID的大小。 c_+C-F 24T PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照: NkUY_rKPb 温
7、度T: P=2060%,T=180600s,D=3-180s IYeIHny1 压力P: P=3070%,T=24180s, #IppjaPl8 液位L: P=2080%,T=60300s, MZ)lNU l 流量L: P=40100%,T=660s。 Y3|_& v6 c CjN8 书上的常用口诀: #1yBxB 曲线振荡频率快,先把微分降下来 z3l 动差大来波动慢。微分时间应加长 I418T K 理想曲线两个波,前高后低4比1 eZ-& 一看二调多分析,调节质量不会低 N+HJK 这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法,它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法,并在现场中得到了广
8、泛的应用。 Oe4wEYN) .53D97X& 这种方法的基本程序是先根据运行经验,确定一组调节器参数,并将系统投入闭环运行,然后人为地加入阶跃扰动(如改变调节器的给定值),观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意,则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验,直到满意为止。 A)#Fyde ;iN du 经验法简单可靠,但需要有一定现场运行经验,整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时,有多个整定参数,反复试凑的次数增多,不易得到最佳整定参数。 /*6Itm_h 下面以PID调节器为例,具体说明经验法的整定步骤: nGDY:nUE 【1】让调节器参数积分
9、系数S0=0,实际微分系数k=0,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数S1,让扰动信号作阶跃变化,观察控制过程,直到获得满意的控制过程为止。 kR=+ 【2】取比例系数S1为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系数S0,同样让扰动信号作阶跃变化,直至求得满意的控制过程。 YvUV9qps 【3】积分系数S0保持不变,改变比例系数S1,观察控制过程有无改善,如有改善则继续调整,直到满意为止。否则,将原比例系数S1增大一些,再调整积分系数S0,力求改善控制过程。如此反复试凑,直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。 nbvQ-C 【4】引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD,此时
10、可适当增大比例系数S1和积分系数S0。和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意为止。 t#!AfTY$w IR8qFWDZ 注意:仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业 PID调节器有所不同,各个参数之间相互隔离,互不影响,因而用其观察调节规律十分方便。 %mSv| I#(?xHx PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如:大烘房的温度控制,一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。小惯量如:一个小电机带 XS( Bu KEw5-=i 一水泵进行压力闭环控制,一般只用PI控制。P=1-10,I=0.1-1,D=0,这些要在现场调试时进行修正的。 %y+v0.a
11、WH+ .sZ|j9m 我提供一种增量式PID供大家参考 5_rx$av m U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) Lo Od A=Kp(1+T/Ti+Td/T) T9Y rB B=Kp(1+2Td/T) iehD.dH C=KpTd/T I 9sQPa T采样周期 Td微分时间 Ti积分时间 cE*d(g 用上面的算法可以构造自己的PID算法。 On%p|s)H U(K)=U(K-1)+U(K) u;kJ lCyH(c% 使用FB41进行PID调整的说明 n 8:3 FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量,与FB42的差别在于后者是离散型的,用于控制开关量,其他
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