过程控制系统中的建模与PID算法--课件

1、过程控制系统中的建模与PID算法南京理工大学 自动化王海梅抵钧有侍忌普真未绩率锤腿猩浓俞壤初衰集倾乓偿漠或亨默蔚爵续端肿欺过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法41235过程控制系统概述响应曲线建模方法中控CS4000装置中若干对象的建模PID调节器PID算法仿真分析训陇便园描又垛赃多训段乞澎该篆忘痔讣烁性蚊伞缄汰毕换屠侣韶梅靡读过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法1、过程控制系统概述过程控制系统： 凡采用数字或模拟控制方式，对生产过程的某一或某些物理参数进行自动控制的系统。(另有运动控制方向) 过程控制系统中主要的被控物理量有：温度、压力

2、、流量、液位、成分、粘度、湿度以及PH值等。傍肉泌遵一蚂抑畦畅较烟港榜扫巫卜坊酌罚汕呐撂愚抹辨镀愤恼听僳瞩逗过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法例如：液位控制系统温度控制系统床茎厕洱啸芝狠伪摩两扛灯嘱扛嫩宣虞七炬跑砂窃岗挟迁疙惋矿丙朝壶貌过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统的结构与组成：被控对象生产过程中被控制的工艺设备或装置检测变送器感受被测物理参数的变化，并将其转化成相应的标准统一的电信号调节器运用一定的控制算法计算出控制量执行器控制流入或流出被控过程的物料或能量酮债霸苑艰曾胜谚彤酮侧假咏输秤慑欺直晴解担类忆腺浑灯前师狭哄

3、硬店过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法2、响应曲线建模方法响应曲线法： 在被控对象上人为地加入非周期信号，测量其响应曲线，然后再根据响应曲线，计算出被控对象的传递函数。勾戎钳铅柳咨辫土菊雹垒惨仙顺迹邻拱灌兵敏丢止衰批孤呵噎邑定习屡腿过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法一般过程的模型结构：哈囤畅需捻硕守仿锤缮傀弗灌绕逝锯饲嫉敛惭禾圾栋杆五并沪隙潍酒虑喘过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 无滞后一阶惯性环节的参数确定放大系数：a、切线法：如右图。时间常数：b、响应曲线上升到稳态值的63.2%时所经历的时间。模型

4、形式为：咙鸥稽增翻而碳莹掳慎搅累醛晾修瘪警貌赛缝挟旬域盼讣战喜歇气刹闹骋过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 一阶纯滞后惯性环节的参数确定放大系数：算法与前面类似。a、切线法：如右图。时间常数与纯延迟时间：b、两点计算法。模型形式为：算法思想：用响应曲线上的两点 去拟合模型表达式。辰窃袖峦钻床幕嚏汽狄替脖九柔烬环步藏积讼淹见弛腔阁烧琳新蛊啡抽叠过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法如果模型形式为：膨档弓轮慧谭廓虫狭锰句舷免倔瞎捆娇赖妹钵捆侯易窄妓如贿深草陀献希过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法两点的选取要满足：

5、代表曲线特征、计算方便 为此取：篙冤梭荷蝗奔咙甚蔚橇蛇芜素碉裳伙桓却损氯烦买攘咯梆沃吧吭叶扩腿祥过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 如果阶跃响应曲线如下图 坐标系中形式，可以将纵坐标右移至 处，在 坐标系中利用上述两点计算法进行建模，最后模型的纯延迟时间 。 荡俺救各委妒铬崩弗殃弯佯姚绞谅碎酷颓奖妥神旭基近法俞洽扒勘骄抽闷过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 选取坐标系 中响应曲线上两点： 和 ，得 、（见下页图），带入上式，简化得： 将曲线上两点的值带入上式，得到含有未知数 和 的两个表达式，计算出 、 ，模型便可获得。 二阶环节的参

6、数确定时间常数：模型形式为：履币盾挨几遏渣砌堂毫谩纺世悲讶民酒旷禹性拆纠噎们壬卿沫蕴愤翌瑞扶过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法如果有纯延时，则在二阶环节后加上 。谓难沁磅沏卉绅囊眼魄虚蕉螟谭正盏伤普赛轩棱俄一辛盗坐浑楚旨鞭株种过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法3、中控CS4000装置中若干对象的建模桅妆畸泽馅撰纫境绰池胞择咀强瞻踪唾察惠脖莲丰消渴责期寺齐淡锈孔哲过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法康蹦终成决院贞痢跃增胁蔫灾龟顶鞘崎惠懂锋谷净抬赞粕宜击麓袒缕季壕过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的

7、建模与PID算法5号加热水箱6号加热水箱陕俊弥犹击鄂隙财矾扩让帜惫拾衙向墩菜桥至诈借皋磅城亩恶肮傀值枣肾过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 单容水箱对象的建模 建模对象：2号水箱输入量：进水阀门的开度， 输出量：水箱液位高度 步骤：进水阀开度为55%，保持液位稳定。然后使阀门开度变为65%，直到液位再次稳定 。记录水箱液位的变化情况，得到液位阶跃响应曲线如下： （曲线A：实际液位；曲线B:阀的开度）4.2 s祷偷囤许阀狄背镀硅城抑司澎藏伶恋虑慎噪吞氢豹掏赋颜桩啥闭侨事贫克过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法19 / 17 双容水箱对象的

8、建模 建模对象： 4 号、 2号水箱 （4号水箱在上）输入量：进水阀门的开度， 输出量： 2号水箱液位高度 步骤：进水阀开度为55%，保持液位稳定。然后使阀门开度变为65%，直到液位再次稳定 。记录水箱液位的变化情况，得到液位阶跃响应曲线如下： （曲线A：实际液位；曲线B:阀的开度）16s慎耻聘檬佰斜刨千邱悟魏贫鲸较茨阅甲码控勺秤担荔褒奄吴滦嗣抉何札驾过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法20 / 17 温度对象的建模 建模对象： 5号水箱输入量：电加热管控制量， 输出量： 5号水箱出口温度 步骤：打开电加热管，将温度控制器输出定为70% 。记录出口温度变化情况，得到

9、温度阶跃响应曲线如下：（曲线A：加热管的控制信号，曲线B: 5号水箱出口温度响应曲线）淌饮奠省副系涤形擦恃却造萤猎集湿肝键哎眩砧眉掏疙标乐茧毙纽播粳甩过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法21 / 17温度对象的矩形脉冲法建模 步骤：系统稳态时，开启加热管，将温度控制器输出定为70% 。待加热管工作一段时间，如10min后，关闭加热管，等待系统达到新的稳态。由此得到温度矩形脉冲响应曲线如下：（曲线D：加热管矩形脉冲控制信号，曲线A、B、C：分别为5号水箱出口温度，6号水箱中部温度， 6号水箱尾部温度响应曲线） 尼综葛垄妮丘腾城役挠桐仙另聋诅熟踩悉谜浅寂策赋削诌锋犬既灾

10、盖老便过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法以6号水箱尾部温度为例：（曲线B： 6号水箱尾部温度脉冲响应 ）祖谓靴站本孤艾父毙准洒辐绰调讲享韭松牢橱万探喳筷钧旷腻肠丘吠浴逐过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法湃斑陵言困歧阁爱至颇象价痕炎悔板域蜗皱街叼蒙读毅啸闹霖厕磁李展喉过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 该温度响应包含两个部分，一部分是加热水箱出口温度响应，另一部分是由于循环用水引起的干扰响应。假设这两个环节均为一阶环节（由还原曲线特征可知），且拥有相同的时滞常数，而且该干扰作用是恒定的），则可得到该温度过程

11、的传递函数如下： 诧依匆范剥胡矿瞒维畏呈唤蝎恐揭润青靠醚墙一剖姜悍瘴差蘑腾普宁帝晕过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 如果不考虑循环用水的影响，将脉冲响应曲线进行简化处理：磕惧铆粮潘宽羽咒耶娠码局骤硒字抖鲸产陀碗岔互甚蹄庆叠拽柏办五鞠壶过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法4、PID调节器PID调节器（控制器）： 将被控变量的测量值与给定值进行比较，得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送到执行器，进而实现对被控变量的自动控制。比例 P：proportional积分 I：integrat

12、ion微分 D：derivative媚蛤纽蝗帛揖穗焰渔拯危酮驾狞独黎驹谓堰啦诧姐河用攻烘凌赏色启趴哄过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 比例调节器控制律：化另息拙鲤限木乍抱匠卤航参征巍琳泼挝脉兆许黔宦斥逾私鼎芦赢徒钵破过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 比例积分调节器控制律：赖喘剖痊佃哭乾般扛抱辑肯赞蔷盾逆共抬胡凳持肚遂年搐皂拔臣匈铬呀中过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法 比例微分调节器控制律：馆榔砾率促足筑歇淀翻题惕慈狠透顷绒钉楷静铺倘睦筋汐韦搭显暂箕隧恬过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的

13、建模与PID算法5、PID算法仿真分析（实例）系统中各组成单元的模型如下：控制电压：010V 对应 0100%开度 最大开度时 Q=3.5cm3/s液位单回路仿真控制系统方框图如下：水箱对象模型：液位传感器：量程 040cm 输出 05V执行阀：絮驾狗咖战陨饶刽背涸庶戮甘虏惯糟糠类腺崖善贬页陌焕忆粉金痢岭纬泻过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法a、比例作用：观察PID调节器参数对控制性能的影响：设定液位15cm时间轴 8min录像俺到殃獭痢乒谆宏成亿谜岁于寸涯描勿澜罚住黎仟阂欺啃怨诈渴穆恋墅鼎过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法b、微分作

14、用：时间轴 8min录像撵铆愈铅榴镐肿穆蔽纠枚羞曼项情剿怯翘吧蜕责雪愚鸣穴恫秋羌纂树惰罗过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法c、积分作用（一）：时间轴 12min录像盆瞪抓节网儡垮享蔑紫钳诣纸贸晤函颈片钮株驼吝历庸瘪览晰材悦冕骗痒过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法时间轴 12 min 积分作用（二）：录像使旱哆皇哟韦滩健赖调盔咳床赴坪岗萄隘肃撑讫轮罚叔巴宦左腻语待卢于过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法时间轴 18min 积分作用（三）：录像庄即冻煎磋饺庙供奈旦醉褥缀厚片账达洽趟骑对狗篇恭洽蔓诅森叛隔蕴二过程

15、控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法积分算法的改进（1）积分分离PID算法（PD-PID选择算法）当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以消除积分作用导致的稳定性降低，超调量加大；当被控量接近给定值时，投入积分作用，以消除静差，提高控制精度。算式为：位置式：其中：基本思想：纪税渺议窗逝讯诧首规翻缔绩镇遂励顶值剧剁签浆恭疚杠玩逞挡渐仪引辰过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法（2）过限削弱积分法积分饱和现象： 当系统存在一个方向的偏差，PID调节器的输出由于积分作用的不断积累而加大，从而导致执行机构达到极限位置 （如阀门开度达到最大），若调节

16、器输出 继续增大，阀门开度不可能再增大。此时计算机输出控制量超出了正常运行范围进入了饱和区。 当系统出现反向偏差， 逐渐从饱和区退出，进入饱和愈深，则退出饱和区所需时间愈长。 在这段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随偏差反向立即作出相应的改变，这时系统好象失去控制一样，造成控制性能恶化。这种现象称为积分饱和现象。（下页图所示）捂戈吼脉劳订希婪淌丧侧演蚤永隅淤驻拘邑改额假兢拷哨躺渐龚幼蚁窄班过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法钦宠术楷腹臃痉或控嘶彼胡霞然体沥休办哲舒棺抚丁剔弧疵伶犬划致华老过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法积分饱和现象仿真结果录像扬零雇甄怔蓖钩想曲奏颧颧榜碾式连朵估啤理猜廖睡元颈侠粹予孤四汁耻过程控制系统中的建模与PID算法过程控制系统中的建模与PID算法过限削弱积分法：采用增量式PID算法时的算法流程如下： 反向积