自整定PID调节器过程控制系统图纸读图

1、教学目的要求教学目的要求：掌握基本控制规律及其对控制过程掌握基本控制规律及其对控制过程的影响；掌握的影响；掌握DDZ-IIIDDZ-III型控制器的结构、电路及工型控制器的结构、电路及工作原理分析；作原理分析；理解数字调节器和可编程序调节器的理解数字调节器和可编程序调节器的功能和原理，了解它们的使用方法；理解功能和原理，了解它们的使用方法；理解PID参数参数自整定调节器的功能与结构，了解其使用方法。自整定调节器的功能与结构，了解其使用方法。教学重点教学重点：PID控制规律，数字调节器和可编程序控制规律，数字调节器和可编程序调节器的原理调节器的原理DDZ-IIIDDZ-III型控制器的结构、电路

2、及工型控制器的结构、电路及工作原理分析作原理分析教学难点教学难点：基本控制规律及其对控制过程的影响。基本控制规律及其对控制过程的影响。教学目的与要求教学目的与要求：了解：了解PID自整定调节器基本概念自整定调节器基本概念， 了解自整定专家系统及整定过程了解自整定专家系统及整定过程,熟悉过程控制熟悉过程控制系统图纸表示方法系统图纸表示方法,会识图会识图教学重点教学重点：自整定专家系统及整定过程，过程控制系统图纸表示方法自整定专家系统及整定过程，过程控制系统图纸表示方法教学难点教学难点：自整定专家系统及整定过程自整定专家系统及整定过程3一、一、 PID参数自整定调节器参数自整定调节器 PID参数自

3、整定是对于一个正在运行的控制系统，特别是参数自整定是对于一个正在运行的控制系统，特别是定值改变的控制系统自动整定控制回路中的定值改变的控制系统自动整定控制回路中的PID参数。参数。 PID参数自整定的方法有多种，大致可分为两大类。参数自整定的方法有多种，大致可分为两大类。 1.波形识别法波形识别法 这类方法有两种类型：一种是在系统中加入具有继电特性这类方法有两种类型：一种是在系统中加入具有继电特性性的非线性环节，使系统产生自激等幅振荡，通过测取振荡波性的非线性环节，使系统产生自激等幅振荡，通过测取振荡波的振幅和周期，求取系统的临界振荡参数，再利用的振幅和周期，求取系统的临界振荡参数，再利用Zi

4、egler-Nichols规则对规则对PID参数进行整定。另一种是根据过程输出曲线参数进行整定。另一种是根据过程输出曲线形状判别来整定形状判别来整定PID参数。参数。4 在系统正常运行中，对由给定值变化或由扰动在系统正常运行中，对由给定值变化或由扰动产生的输出波形进行实时识别，再由参数自校正机产生的输出波形进行实时识别，再由参数自校正机构确定出新的构确定出新的PID参数值，系统按修正后的参数进参数值，系统按修正后的参数进行行PID控制，其构成图如下图所示。控制，其构成图如下图所示。 波形识别法的优点是不要求辨识对象的数学模型，波形识别法的优点是不要求辨识对象的数学模型，控制指标与常规控制指标与

5、常规PID控制系统完全一致，非常直观控制系统完全一致，非常直观，因此这是目前使用较多的一种参数自整定方法。，因此这是目前使用较多的一种参数自整定方法。5 2以对象数学模型辨识为基础的自整定方法以对象数学模型辨识为基础的自整定方法 对象数学模型的辨识方法有施加扰动和不施加扰动两类。对象数学模型的辨识方法有施加扰动和不施加扰动两类。在施加扰动的自整定控制系统中，调节器定时或按工况变化的在施加扰动的自整定控制系统中，调节器定时或按工况变化的信息断开反馈回路，给对象施加一扰动，根据对象响应信息进信息断开反馈回路，给对象施加一扰动，根据对象响应信息进行运算处理，识别出对象特性，如行运算处理，识别出对象特

6、性，如K、T、特性参数。特性参数。在不施加扰动的自整定控制系统中，是通过测试在线运行的在不施加扰动的自整定控制系统中，是通过测试在线运行的对象输入输出数据进行对象特性的闭环辨识。系统框图如下对象输入输出数据进行对象特性的闭环辨识。系统框图如下所示。辨识方法有递推最小二乘法、极大似然法等多种，可所示。辨识方法有递推最小二乘法、极大似然法等多种，可参阅有关系统辨识的专门文献。参阅有关系统辨识的专门文献。6 PID参数自整定的方法很多，我们这里仅介绍三种目前参数自整定的方法很多，我们这里仅介绍三种目前用得较多的方法。用得较多的方法。一、改进型临界比例度法（继电限幅自整定法）一、改进型临界比例度法（继

7、电限幅自整定法） 这是波形识别法中的一种参数自整定方法。用改进型临这是波形识别法中的一种参数自整定方法。用改进型临界比例度法的界比例度法的PID参数自整定控制系统结构示意图如下图所示。参数自整定控制系统结构示意图如下图所示。 图中图中 G（j）为控制对象，）为控制对象，N为具有继电特性的非线性环为具有继电特性的非线性环节。当系统处于自整定状态时，开关节。当系统处于自整定状态时，开关S置于位置置于位置2，S置于位置置于位置1时为系统正常工作状态，进行时为系统正常工作状态，进行PID控制。控制。7 改进型临界比例度法整定改进型临界比例度法整定PID参数的运行步骤：参数的运行步骤： 1）使系统工作在

8、有继电特性的非线性系统状态，产生自）使系统工作在有继电特性的非线性系统状态，产生自激振荡，求出临界比例系数激振荡，求出临界比例系数Ku及临界振荡周期及临界振荡周期Tu。 2）按）按ZieglerNichols规则计算出规则计算出PID参数参数KP、TI、TD的值。的值。ZieglerNichols规则规则 改进型临界比例度自整定方法的改进型临界比例度自整定方法的特点特点是是原理简单、整定速度快，但为求取原理简单、整定速度快，但为求取Ku及及Tu系统要产生系统要产生等幅振荡等幅振荡，因此不宜多次使用。，因此不宜多次使用。它它适用于适用于回路参数的初始整定，特别是系统开工回路参数的初始整定，特别是

9、系统开工时大量的回路整定。将用改进型临界比例度自整时大量的回路整定。将用改进型临界比例度自整定方法求出的定方法求出的PID参数作为初值，在实时运行中参数作为初值，在实时运行中再应用其它方法对参数进行修正。再应用其它方法对参数进行修正。实时修正参数可用迭代法或专家法。实时修正参数可用迭代法或专家法。10二迭代自整定控制算法二迭代自整定控制算法 在闭环控制系统中，假设调节器经初步整定的初始参在闭环控制系统中，假设调节器经初步整定的初始参数，通过推导出数，通过推导出PID参数参数KP、TI、TD的迭代整定算式求出修的迭代整定算式求出修正参数。正参数。 前述改进型临界比例度整定算式可用于确定初始整定前

10、述改进型临界比例度整定算式可用于确定初始整定参数，而参数，而迭代算式适用于迭代算式适用于在已有较好整定参数的基础上进在已有较好整定参数的基础上进行修正，逐渐趋近最佳参数。因此，可将两种方法结合起行修正，逐渐趋近最佳参数。因此，可将两种方法结合起来进行来进行PID参数自整定。参数自整定。三、专家法三、专家法PID参数自整定参数自整定 用专家法自整定用专家法自整定PID参数的调节器称为专家自整定调参数的调节器称为专家自整定调节器。这种节器。这种PID参数自整定的过程实际上是模拟操作人员参数自整定的过程实际上是模拟操作人员整定整定PID参数的判断和决策过程。专家参数的判断和决策过程。专家PID调节器

11、是在一般调节器是在一般调节器结构的基础上，增加了由知识库和推理机构组成的调节器结构的基础上，增加了由知识库和推理机构组成的参数自整定专家系统，其构成框图如下图所示。参数自整定专家系统，其构成框图如下图所示。 专家系统由知识库和推理机构组成专家系统由知识库和推理机构组成,核心是核心是知识库知识库，就是按照专家的整定与操作经验总结成的整定手就是按照专家的整定与操作经验总结成的整定手册，册，包括响应曲线，控制目标和整定规则。包括响应曲线，控制目标和整定规则。12l知识库知识库 知识库是将控制工程师整定系统的知识和经验进行整知识库是将控制工程师整定系统的知识和经验进行整理归纳后，以一定表示法存入计算机

12、中。参数自整定专家理归纳后，以一定表示法存入计算机中。参数自整定专家系统的知识库主要包括以下几方面的内容：系统的知识库主要包括以下几方面的内容：过程响应曲线过程响应曲线类型、控制目标类型及整定规则类型、控制目标类型及整定规则。下面分别加以说明。下面分别加以说明。（1）过程响应曲线类型）过程响应曲线类型 由于实际控制系统多种多样，因此由于实际控制系统多种多样，因此系统响应曲线也可能是各种各样的，在构成知识库时尽量考虑系统响应曲线也可能是各种各样的，在构成知识库时尽量考虑周全又不能过于繁杂。周全又不能过于繁杂。根据给定值变化和负荷变化两种情况，将系统输出响应根据给定值变化和负荷变化两种情况，将系统

13、输出响应曲线分为给定值变化时和负荷扰动下的输出响应曲线如曲线分为给定值变化时和负荷扰动下的输出响应曲线如下图所示。下图所示。设定值变化时的输出响应曲线14由于调节器整定参数时，是将实际观测的曲线由于调节器整定参数时，是将实际观测的曲线与知识库中的曲线进行对照，按照最佳条件进与知识库中的曲线进行对照，按照最佳条件进行整定。因此，知识库中存入的响应曲线类型行整定。因此，知识库中存入的响应曲线类型完善与否，对参数整定是否理想至关重要。一完善与否，对参数整定是否理想至关重要。一般需存几十种类型的曲线。般需存几十种类型的曲线。（2）控制目标）控制目标根据控制系统的要求选择。例如：温度控制系统不根据控制系

14、统的要求选择。例如：温度控制系统不允许超调，流量控制系统要求快速允许有小超调。允许超调，流量控制系统要求快速允许有小超调。16（3）整定规则）整定规则 PID参数的整定规则都是经验性的，它是参数的整定规则都是经验性的，它是建立于控制工程师经验的基础上的，下面仅举出几条整定规建立于控制工程师经验的基础上的，下面仅举出几条整定规则作为例子。则作为例子。 对给定值变化和干扰引起的输出响应采取不同的整定规对给定值变化和干扰引起的输出响应采取不同的整定规则。则。 在在P、I、D三个作用中，三个作用中，P是最基本的控制作用。当输出是最基本的控制作用。当输出响应的超调量过大及衰减比过小时，减小响应的超调量过

15、大及衰减比过小时，减小KP。若最大偏差大，。若最大偏差大，且趋于非周期过程时，增加且趋于非周期过程时，增加KP。 一般取一般取TI等于二分之一系统振荡周期，取等于二分之一系统振荡周期，取TD=(1/31/4)TI。 输出响应曲线偏离给定值后长期回不来，减小输出响应曲线偏离给定值后长期回不来，减小TI。若波。若波动较大则增大动较大则增大TI。 由于由于KP 过小和过小和TI过大都将引起系统输出响应迟缓，难以过大都将引起系统输出响应迟缓，难以稳定。但是两者情况有区别，前者表现为曲线飘动较大，变稳定。但是两者情况有区别，前者表现为曲线飘动较大，变化无规则，后者则会逐渐接近给定值，据此可以判断需增大化

16、无规则，后者则会逐渐接近给定值，据此可以判断需增大KP或减小或减小TI 。172推理机构推理机构 在参数自整定系统中。推理机构的作用是判断系统输出在参数自整定系统中。推理机构的作用是判断系统输出响应的波形响应的波形，（如超调量、递减比、响应时间等）（如超调量、递减比、响应时间等） ，归为知识库中存，归为知识库中存储波形中的一种，并对其进行品质评价，根据控制目标的要储波形中的一种，并对其进行品质评价，根据控制目标的要求采取相应措施。求采取相应措施。 专家自整定调节器随时观测控制系统输出值及给定值专家自整定调节器随时观测控制系统输出值及给定值。如有给定值变化、负荷干扰等因素影响控制偏差变。如有给定

17、值变化、负荷干扰等因素影响控制偏差变化，而且超过预先设定的噪声带时，调节器即进行参化，而且超过预先设定的噪声带时，调节器即进行参数自整定，否则保持原来的数自整定，否则保持原来的PID参数值。参数值。183）确定容许等待时间）确定容许等待时间TW：自整定调节器需根据控制系统估：自整定调节器需根据控制系统估计的响应时间作为容许等待时间。在专家法自整定中，是在计的响应时间作为容许等待时间。在专家法自整定中，是在容许等待时间内等待下一个峰值的到来。容许等待时间内等待下一个峰值的到来。 TW过大，会使曲过大，会使曲线识别时间过长，影响控制效果。线识别时间过长，影响控制效果。 TW过短可能会对波形判过短可

18、能会对波形判断失误。在予整定后取断失误。在予整定后取TW (T+)，T为过程时间常数，为过程时间常数， 为纯滞后时间。为纯滞后时间。4）确定）确定TD/TI比值：一般取比值：一般取TD/TI =(1/31/4)。5）确定控制周期）确定控制周期TS： TS与控制效果关系密切，与控制效果关系密切， TS过大导致过大导致控制效果变坏甚至失控，但对纯滞后控制效果变坏甚至失控，但对纯滞后较大的系统，则要求较大的系统，则要求TS取大些，一般取取大些，一般取TS (1/51/6) 。专家法自整定前，需进行以下工作：专家法自整定前，需进行以下工作： l）进行）进行PID 参数予整定，确定参数予整定，确定PID

19、参数的粗略值作为初参数的粗略值作为初值值. 2）确定噪声带）确定噪声带Nb：在自整定时，采用了偏差超过设定：在自整定时，采用了偏差超过设定的噪声带两倍时才启动自整定动作的方法来克服噪声和干的噪声带两倍时才启动自整定动作的方法来克服噪声和干扰。扰。Nb值还可用来判断观测到的峰值是否真实，以排除噪值还可用来判断观测到的峰值是否真实，以排除噪声、干扰引起的假象。声、干扰引起的假象。 在线自整定：在线自整定：观察输出是否有波动，有，则重观察输出是否有波动，有，则重新计算过程特性参数及新计算过程特性参数及PID参数。参数。3、整定过程、整定过程专家自整定控制器的工作模式：启动处理和在线自整定。专家自整定

20、控制器的工作模式：启动处理和在线自整定。 启动处理：启动处理：系统投运时，根据控制目标，把阶跃系统投运时，根据控制目标，把阶跃变量施加到操纵变量变量施加到操纵变量u上，并自动计算出上，并自动计算出Kp，Ti，Td，自动识别出过程类型，过程响应时间，为在线，自动识别出过程类型，过程响应时间，为在线自整定做好准备。自整定做好准备。内容包括：管道仪表流程图图例符号，仪表流程图；自控工程图例符号，控制室平面布置图，仪表盘布置图和接线图，仪表供电供气系统图，电缆管缆外部连接系统图，电缆管缆平面敷设图，仪表回路图，仪表接地系统图；仪表安装图常用图例符号，温度、压力、流量、物位、分析仪表安装图。一、管道仪表

21、流程图按照统一规定的图形符号和文字代号，用图示的方法把建立工业生产工艺装置所需的全部设备、仪表、管道、阀门以及主要管件，按照它们各自的功能以及工艺要求组合起来，以起到描述工艺装置的结构和功能的作用。它表达了部分或整个生产工艺流程，体现了对该工艺过程所实施的控制方案。可以通过它清晰了解生产过程的自动控制实施方案等各项管信息。1、仪表功能标志：用几个大写英文字母组合表示对某个变量的操作要求（TIC等）。第一位（或前两位）字母称为首字母，表示被测变量。其余一位或多位称为后继字母，表示对该变量的操作要求。过程检测和控制系统用文字代号和图形符号（HG/T20505-2000）中作了详细规定。2、仪表位号由仪表功能标志和仪表回路编号两部分组成。例如：FIC-116，TRC-