毕业设计PID控制性能评价研究

I摘要长期以来，控制理论的研究主要集中在各种控制策略的研究上，而有关运行中的控制系统性能评价的研究却很少。工业过程中控制性能的监测和评估己越来越受到关注，而绝大部分控制回路采用 PID 控制器，很有必要研究它的控制品质。而且人们也普遍认识到，控制系统若没有定期的维护，它的性能会随着时间推移而逐渐退化。性能不好的控制器会降低控制系统的有效性，从而导致产品质量的降低或者操作成本的增大。因此，只有那些得到良好设计、整定和维护的过程控制系统才能真正为生产带来长期、稳定和可靠的效益。PID 控制是工业过程控制中应用最广泛的方法，因为这种控制策略不仅具有简单的控制结构，而且在许多过程控制应用中都能够获得满意的控制效果。本文的主要研究工作和成果包括以下几个方面:1.在回顾 PID 控制器的历史和发展现状的基础上，着重介绍 PID 控制性能评价的方法，包括确定性方法和随机性方法。2.着重研究了最小方差准则原理以及单回路反馈控制系统性能评价、前馈-反馈控制系统性能评价、串级控制系统性能评价。 3.最后进行了各系统的仿真分析，仿真结果表明综合寻优得到的 PID 控制器在抑制随机干扰和设定值跟踪方面有良好的控制性能，也有很好的鲁棒性。4.论文最后是全篇的总结，并展望了 PID 控制器设计和性能评价等领域所面临的挑战。关键词：PID 控制；性能评价；确定性；随机性；最小方差。IIAbstractLong-term since, control theory research mainly focus on various control strategy, and relevant research on the operation of the control system performance evaluation is little research. Industrial process control performance monitoring and assessment has more attention, but most of the control circuit adopts PID controller, it is necessary to study its control quality. And there is also widespread realized, the control system without regular maintenance, its performance will be gradually over time, and degradation. The controller can reduce performance is validity of the control system, leading to a drop in the quality of products or the operation cost increases. Therefore, only those who get good design, setting and maintenance of performance. PID control is in industrial process control is the most widely used method, because this control strategy not only has a simple control structure, and in many process control application can get satisfactory control effect. This paper main research work and work included the following respects :1. The PID controller in the review the history and present situation of development, introduces emphatically based on PID control performance evaluation methods, including deterministic method and randomicity method. 2. This paper studies the minimum variance criteria principle and single loop feedback control system performance evaluation, feedforward - feedback control system performance evaluation, cascade control system performance evaluation. 3. The various systems of the simulation analysis, the simulation results show that the integrated optimization get PID controller in inhibiting random disturbance and set-point tracking is good control performance, also has good robustness. 4. The paper finally is summarized, and the future throughout the PID controller design and performance evaluation of the challenges facing the field. Keywords: PID control; Performance evaluation; certainty; randomness; Minimum varianceI目录摘要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 引言 .11.2 论文研究的目的和意义 .21.3 论文研究的内容及工作简述 .31.4 国内外文献综述 .41.4.1 控制器性能评价的发展及现状 .41.4.2 性能评价技术在工业控制领域的应用 .61.5 PID 控制原理及应用 .61.5.1 PID 控制原理 .61.5.2 PID 控制应用 .82 控制器性能评价方法研究 .92.1 闭环系统性能评价方法 .92.2 确定性方法 .92.2.1 单回路控制系统 .102.2.2 串级回路控制系统 .152.2.3 前馈控制系统 .182.3 随机性方法 .232.4 控制器性能评价的其他方法 .262.5 传统性能指标的优点和不足 .273 过程控制回路的控制器性能评价 .283.1 控制器性能评价算法与系统 .283.1.1 最小方差准则原理 .293.1.2 时间延迟的定义 .33II3.1.3 最小方差性能评价算法及步骤 .343.2 单回路反馈控制系统性能评价 .413.2.1 单回路系统性能评价算法 .413.2.2 仿真分析 .433.3 串级控制系统性能评价 .453.3.1 串级控制系统简述 .453.3.2 串级系统性能评价算法 .473.3.3 仿真分析 .483.4 前馈-反馈控制系统性能评价 .503.4.1 前馈-反馈控制系统简述 .503.4.2 前馈反馈控制系统性能评价算法 .51结论 .54参 考 文 献 .56谢辞 .5911 绪论1.1 引言在控制系统中，反馈是一种很重要的思想。迄今为止，工业过程控制中最常用的反馈控制就是 PID 控制。这是因为 PID 控制器中的积分、比例和微分作用分别反映了设定值与测量值之间误差的历史积累、当前状态和未来变化趋势，包含了控制系统过去、现在和将来的信息，具有结构简单、易于整定的优点，能够满足一般工业过程对于控制品质的要求。在先进控制技术日益广泛应用的今天，PID 控制器在工业过程控制中占据着主导地位。那些建立在基础控制回路之上的先进控制系统应用好坏直接取决于常规 PID 控制器的使用效果。PID 控制的广泛应用同时促进了这一领域的理论研究，使得 PID 控制成为一种不断发展中的控制技术。虽然控制策略的本质没有改变，但是现在的 PID 控制器在许多方面已与早期的 PID 控制有了很大的不同。例如：在广泛使用的 DCS、PLC 和 FCS 等计算机控制系统中，PID 控制器采用的是数字算式；在 PID 控制算法中，通过增加抗积分饱和、自整定和自适应等功能来提高控制系统的性能:通过引入 Smith 预估补偿器解决了PID 控制应用于大时滞过程的问题。随着先进控制技术的发展，人们又把 PID 控制策略和先进控制策略结合起来，形成了很多改进的 PID 控制器，比如把 PID 控制与模糊控制结合起来，形成模糊 PID 控制器；又如将神经网络和 PID 控制结合起来，利用神经网络来在线整定 PID 控制器的参数，形成基于神经网络的 PID 控制器等。正是由于人们不断地对 PID 控制进行改进，才赋予了它更强的生命力，影响力最广的常规控制算法。由此可见，PID 控制还将得到了进一步的发展，具有广阔的应用前景。PID 控制器已广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等领域，特别话用于具有典型动态特性的温度、压力、液位、流量等工艺参数的控制，可达到良好的控制效果。PID 控制中的积分作用可以消除稳态误差，微分作用可以解决大惯性过程的控制问题。PID 控制常常与运算环节、逻辑环节、顺序环节和选择器等一些简单的功能块相结合组成复杂控制系统，如串级控制、前馈控制、比值控制和选择性控制等。先进控制系统一般也将 PID 控制作为其组成部分集成在一起，作为先进控制的基础回路，由先进控制器为基础级的 PID 控制器提供设定值。2在实现技术上，PID 控制器己经经历了从气动仪表到由电子管、晶体管和集成电路组成的电动 I 型、型和型仪表阶段，再到以微处理器为核心的智能仪表和计算机控制系统的阶段。微处理器对 PID 控制器的发展具有非常深刻的影响。基于微处理器的 PID 控制器为实现自整定、自适应和增益调度等附加功能创造了条件。自整定是指PID 控制器参数可以根据操作员的需要或一个外部信号的要求自动进行整定。实际上，许多 DCS、PLC 和 FCS 供应商都在各自的系统中提供了 PID 控制器自整定功能。经过几十年来的应用，在 PID 控制器的设计、整定和工程实施方面已经积累了大量的经验，一些研究者也在致力于 PID 控制器设计方法方面的理论研究，取得了一系列的研究成果。另外，在许多控制算法的仿真研究中，PID 控制已成为控制性能比较的标准。尽管如此，PID 控制器的设计和应用仍然面临着很大的挑战，一方面，工业现场有许多 PID 控制器由于性能不佳而被置于“手动”状态；另一方面，对于 PID 控制器各种设计方法的适用性缺乏系统的分析研究，因而很难在特定对象的 PID 控制器设计时选择合适的设计方法，也缺少基于综合的控制性能要求设计 PID 控制器的方法。近年来，在控制系统性能评价和监控方面出现了一些研究成果，并在工业界得到了应用。如何在各类工业过程 PID 控制器设计中，从综合性能指标的角度选择合适的设计方法和控制器参数，提高控制回路的性能，不仅需要 PID 控制的知识，而且需要过程方面的知识。只有综合应用各种知识，才有可能使 PID 控制器达到令人满意的工作效果。1.2 论文研究的目的和意义当前，控制领域的研究主要集中在模型的辨识、控制器的设计、控制系统的鲁棒性等方面，而很少对运行中的控制系统性能进行评价与诊断的研究。事实上，很多控制器在实际运行时难以达到设计的性能要求。近年来，工业界对控制系统性能要求的提高极大地推动了控制系统性能评价和诊断的研究。以 PID 控制(比例积分微分控制)为例，在生产过程自动控制的发展历程中， PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在 20 世纪 40 年代以前，除了在最简单的情况下可采用开环控制外，它是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出了许多新的控制方式，如模型预测控制(MPC)等先进控制策略在不断成熟，但在过程控制中，PID 控制器仍是应用最为广泛的一种控制器。这是由于 PID 控制算法有其自身的优点：原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强等。然而，据统计，目前在工业3过据统计，目前在工业过程控制中普遍采用的 PID 控制回路有 60%左右存在着性能缺陷，其中有些问题可通过参数的调整来解决，而另一些问题只能通过采用新的控制策略或改造硬件设备来改善控制系统的性能。控制系统性能的降低除了要降低产品的质量、增加运行成本、减少设备使用时间外，还可能导致安全问题等，因此对控制系统的性能评价很有必要。如今，尽管有各种各样的控制设计方法，然而关于控制系统的控制性能的评价方面的技术却探讨的很少，至今还没有引起广大控制系统科研人员和工程技术人员的充分关注。然而，对控制系统的控制性能进行具体分析并进而给出具体的量化指标，不仅具有极大的现实效益，同时也具备了实现的技术可能性。首先，随着工业过程控制系统的规模越来越庞大，一个大型的工业控制系统可能有成百上千套控制回路，于是对这些控制回路的日常维护已成为现场控制工程师和技术人员的重要工作内容。如何能够采用一定的技术通过对控制系统的日常运行情况进行监测、分析，明确地告诉自动系统维护人员每个控制回路的具体工作情况，以使得工作人员能够有针对性地对性能较差的回路进行重新整定或维修，必将极大程度减轻工作人员的维护工作量，同时保证整个系统能处于良好的工作状态。其次，随着 DCS 控制系统广泛应用于工业控制领域，“海量”的工业过程运行数据能够很方便的获得和存储。如何有效利用这些历史数据资源，通过某种技术手段分析、计算获得有价值的信息，已经成为人们关注的话题。具体到我们的目的，能否通过对系统运行历史数据的适当分析计算获得反映控制系统的控制性能的指标，反映控制系统的实际控制情况，无疑具有极大的吸引力。控制系统性能评价的主要目的就是对控制系统存在的问题提出早期的识别，它可以实时地指导过程控制工程师和工艺操作人员针对控制性能的潜在问题采取各种应对措施；缺少有效的控制系统性能评价与诊断工具，很可能要在问题暴露之后才能采取补救措施，因此虽然控制系统性能评价与诊断这一领域的理论研究才刚刚起步，但却倍受工业界的关注。1.3 论文研究的内容及工作简述本文首先对控制器性能评价方法进行研究，研究方法包括确定性方法和随机性方法等，其中确定性方法着重研究单回路控制系统、串级回路控制系统、前馈控制系统的性能评价。4其次对过程控制回路的控制器性能评价进行研究，着重研究最小方差准则原理以及最小方差性能评价算法及步骤。最后研究单回路反馈控制系统性能评价、前馈-反馈控制系统性能评价、串级控制系统性能评价，以及单回路反馈控制系统性能评价、前馈-反馈控制系统性能评价的仿真分析。1.4 国内外文献综述1.4.1 控制器性能评价的发展及现状目前国内在控制系统性能评价领域尚处于起步阶段，研究成果主要来自国外。工业界对控制系统性能要求的提高极大地推动了控制系统性能评价和诊断的研究。strom(1970)，Harris(1989)，stanfelj(1993)等人先后提出用最小方差控制作为基准指标来评价控制系统的性能指标。其中，具有里程碑意义的贡献是，Harris 在 1989年的一份学术报告中提出：利用时间序列分析技术从单输入单输出过程控制系统的日常输出序列中分析、挖掘出“反馈不变项”的适当表达形式，随后把它作为进行性能评价的基准来对实际系统进行评估。Harris 的这项贡献之所以具有里程碑意义是因为它为控制性能评价领域标出了研究的方向和框架。后来，Desborough 和 Harris 又提出另一种相关的性能评价统计指标，被称为正规化性能指标。Kozub 和Garcia(1993，1997)也提出一种性能评价指标，称为闭环潜能指标(cLP，closed Loop Potential)。Lynch 和 Dumont(1996)，Desborough 和 Harris(1994)，Jofriet 和Bialkowski(1996)等人先后将性能评价技术应用到纸浆和造纸工业。Erriksso 和Isaksson(1994)，Rhinehart(1995)，Hgglund(1995)，Seborg(1995)，Tyler 和Morari(1995)等人先 Huang 和 Harris(1995，1996)又将 Harris 的性能评价方案从单输入单输出(SISO)推广到多输入多输出(MIMO)系统。Kesavan 和 Lees (1997)又针对多变量模型预测控制系统提出了一个控制性能诊断工具。如今，性能评价技术的理论研究前沿正面向非线性、时变过程控制系统和模型预测控制系统。而今控制系统性能评价与诊断的理论研究仍处于不断发展的阶段，研究方向主要集中在：(1)基于最小方差控制性能评价方法的推广和完善5自 Harris 用最小方差控制作为单回路控制系统性能评价与监控的思想，并用时间序列分析的方法找到反馈控制器的非时变形式，然后用这个非时变形式作为评价控制系统性能的一个准则以来，最近几年，Desborough 和 Harris，Kozub 和 Garcia，等都类似地在基于最小方差准则的基础上，利用统计方法提出了无量纲的性能指标。Lynch和 Dumont 将类似的思想应用到监控一个纸浆生产过程上。Tyler 和 Morari 把类似的思想扩充到单输入单输出的非最小相位和有不稳定极点的情况。Erriksso 和Isaksson，Rhinehart，Miao 和 Seborg，Tyler 和 Morari 建议出于实际考虑使用一种可替代的性能指标方案。Huang 把当前的工作推广到多输入多输出控制系统的性能评价，并包括非最小相位的情况。Ko 和 Edgar 提出了一种在随机负荷扰动情况下 PI 控制系统性能的评价方法。Ko 和 Edgar 把最小方差准则应用到串级控制回路中。Thornhill 等将这一思想应用到对控制系统设定点跟踪的性能评价中，针对的是单输入单输出控制回路。Kozub 从实践的角度论述了基于 MVC 性能评价方法的工程应用经验。Qin 在总结前人研究成果的基础上探讨了随机最优性能最小方差性能、确定性性能和系统鲁棒性性能相结合的可能性。杨马英对模型预测控制器的性能监视与评价的必要性、核心内容及工程应用问题等进行了综述。(2)基于一些新的性能评价基准最小方差准则主要是评价控制系统的随机性性能，这种方法需要的过程知识少，计算简单。而对于控制系统的确定性性能，主要指如衰减比及衰减率、最大动态偏差及超调量、残余偏差。调节时间及振荡频率等动态响应指标。最近，Swanda 和 Seborg提出用设定点响应数据来估计标量的性能指标，标量选用的是调节时间和误差的绝对积分时间。为了获得无量纲性能指标，选用每个标量性能指标的边界来定义性能等级。Huang 和 Shah 和借助于用户定义的特定闭环动态特性，如调节时间、超调量等提出了一种相对于基准的实际控制回路性能评价技术。Ju 和 Chiu 提出了一种基于最大闭环对数指标 Lc.max 的监控方法。Wang 和 Chiu 在此基础上进一步提出用设定点变化代替延时反馈的测试方法，并针对误差信号利用快速傅立叶变换为基础的频率响应辨识技术从频率信息中计算出 Lc.max。Karmmer 等针对需完成闭环测试的线性二次型性能评价提出了无模型方法。(3)基于诊断方法的性能评价基准一些学者不是直接从性能评价的角度去获得控制系统的性能，而是从控制器性变化可能导致的结果中判断控制系统的性能是否满足需要。