PID控制器参数整定及其应用[1]

1、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n讨论仿真系统SimuLink的使用方法;n介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则；n描述了单回路系统的常用性能指标；n通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择TC进料出料燃料TTmTspRfu问题:如何选择控制阀的 “气开气关”？(1) 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n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？n引入积分作用的目的是什么，为

2、什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？n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n了解PID控制规律的选取原则,n掌握单回路PID控制器的参数整定方法,n了解PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,n了解PID参数的自整定方法。n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；n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；n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

3、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：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：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

4、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。控制规律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr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*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

5、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*tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2Tp典型自衡工业对象的阶跃响应seTsKsusy1)()( 对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：minmax01minmax01uuuuyyyyKymin, 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。Ziegle

6、r-Nichols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：控制规律KCTITDPppTK1PIppTK19.03 . 3PIDppTK12.10 . 25 . 0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）*n特点：特点

7、：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。n初始整定参数：初始整定参数：IDsIpTTTTK*41,*41%,100*41Ts 为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。n参数调整：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ud(t)广义对象y(t)ysp(t)sTKIC11v问题问题：当存在大的

8、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d(t)广义对象y(t)ysp(t)vKCe(s)11sTI讨论讨论：正常情况为标准的PI控

9、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ysp(t)uKCe(t)y(t)11sTAsTDDD11sTIAutoMan增量型手操器+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；继电器型PID自整定器原理继电器调节器对象ATSyspyD具有继电器型非线性控制系统G(s)yspyd-dh-h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

10、的Fourier级数展开一个以T为周期的函数f (t)可以展开为10sincos2)(nnntnbtnaatf2222sin)(2,cos)(2TTnTTndttntfTbdttntfTa对齐次函数, 有1sin)(nntnbtfT220sin)(4TndttntfTb假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为ddttdTbT4sin4201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04adN闭环继电系统临界稳定条件：1)(jNG对于继电器控制器而言，其临界增益为：,4adKcr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n讨论了PID控制规律的选取原则,n详细分析了单回路PID参数整定方法,n介绍了PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,n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