03-PID控制-过程控制工程教案课件.ppt

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1、PID控制上一讲内容回顾上一讲内容回顾n讨论了调节阀的流量特性；n引入了广义对象的概念；n介绍了单回路控制器的“正反作用”；n描述了单回路系统的常用性能指标。课堂提问课堂提问问题:1、指出广义对象的输入和输出；2、选择调节阀的气开气关特性；(气开)3、选择温度控制器的正反作用使闭环系统为负反馈系统;(反作用)4、方框图。本讲基本要求本讲基本要求n掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系n了解PID控制律的选取原则n掌握单回路PID控制器的参数整定方法n了解“防积分饱和”与“无扰动切换”n了解PID参数的自整定方法比例控制器比例增益对控制性能的影响比例增益 Kc 增大，调节作用增强，但稳定性下降

2、(当系统稳定时，调节频率提高且余差下降)。比例积分控制器理想的比例积分微分控制器n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一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响PID工程整定法工程整定法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。（具体整定参数原则

3、见 p.65 表5.3-1）工程整定法工程整定法2-临界比例度法临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比例增益KC为一个较小值，并投入闭环闭环运行；2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况；3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡；4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax。临界比例度法举例临界比例度法举例(续续1)1)临界比例度法临界比例度法(续续)控制规律KcmaxTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5P

4、u0.12Pu根据等幅振荡曲线得到的振荡周期Pu和产生等幅振荡的控制器增益Kcmax，对所选择的控制规律查表得到控制器参数。临界比例度法举例（续临界比例度法举例（续2）工程整定法工程整定法3-响应曲线法响应曲线法n临界比例度法的局限性：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。n响应曲线法响应曲线法PID参数整定步骤：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）根据单位阶跃响应曲线求取“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

5、过程中，可对增益作调整。响应曲线法举例响应曲线法举例Ziegler-Nichols参数整定法参数整定法n特点：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。n整定公式：整定公式：响应曲线法举例（续响应曲线法举例（续2）继电器型继电器型PID自整定器自整定器继电器输入输出信号分析继电器输入输出信号分析周期信号的周期信号的Fourier级数展开级数展开一个以T为周期的方波函数f(t)可以展开为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继电器型PID自整定举例自整定举例继电器型继电器型PID自整定举例（续）自整定举例（续）单回路系统的单回路系

6、统的“积分饱和积分饱和”问问题题问题问题：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，这种情况称为积分饱和。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单回路系统积分饱和仿真结果仿真结果单回路系统的防积分饱和单回路系统的防积分饱和讨论讨论：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单回路系统的抗积

7、分饱和举例单回路工业单回路工业PID控制器连接法控制器连接法手自动无扰动切换问题与实现手自动无扰动切换问题与实现实现方式实现方式：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；练习题练习题 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：（1）燃料控制阀选用“气开”阀还是“气关阀”，why？（2）温度控制器该选“正作用”还是“反作用”，why？（3）若在手动控制状态，温度控制器的输出减少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

8、温度控制器采用PID调节器，试确定PID参数。仿真练习1n构造具有初始输出的构造具有初始输出的PID控制模块；控制模块；n对下图所示的系统，假设稳态时对象的输入为50，输出y为20。在10时刻设定值从20变为25，试对不同控制器进行仿真比较。仿真练习1(续)n采用纯比例控制器，分别在有噪声和没有噪声的情况下，作出Kc值为5，15和25时y相对于设定值变化的曲线；n采用Kc=2的PI控制器，Ti分别取2，1，0.5时在有噪声和没有噪声的情况下作出y相对于设定值变化的曲线；n采用Kc=2，Ti=0.5的PID控制器，试改变Td和Ad的值并比较在不同取值情况下以及在不同大小的噪声干扰下y相对于设定值

9、变化的曲线。仿真练习2构建如图所示的对象，其中一阶环节的参数如图所示，纯滞后时间为5，稳态时的输入为45，输出为25。白噪声的强度为0.2，采样时间为0.5。假设采用单回路控制，试为上述对象设置合适的PID参数。仿真练习3n构建自己的具有防积分饱和功能的PID模块；n搭建如下图所示的控制系统，其中各个环节的参数如图所示。假设稳态时控制器的输出为50%，限幅环节的上下幅值分别为0%和100%，对象Gp的稳态输出为360摄氏度，测量环节Gm的稳态输出为60%，干扰通道Gd1的稳态输入输出值都为0；n试为上述系统设置合适的控制器参数；n假设D1在时刻10产生-15的阶跃干扰而D2在时刻70产生20的阶跃干扰，分别采用没有防积分饱和功能的PID控制器和具有防积分饱和的PID控制器进行控制。试比较两种控制下的测量值、控制器的输出以及阀门（限幅环节）的输出。仿真练习3（续）