过程动态特性的数学描述及其经典测试法-浙江大学-控制科学与工程课件

PID参数整定于玲浙江大学控制系2014/03/09PID参数整定于玲outlinePID控制器选择单回路PID控制器参数整定防积分饱和和无扰动切换outlinePID控制器选择对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何选择PID控制器形式，并整定PID控制器参数?单回路PID控制系统应用问题对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何选择PID控制器形式工业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。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PID参数整定的概念PID参数整定的概念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.58表3-2）PID工程整定法1-经验法 针对被控变量类型的不同，选择不同工程整定法2-闭环整定法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），设置比例增益KC为一个较小值，并投入闭环运行；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Kcu

。工程整定法2-闭环整定法1、先切除PID控制器中的积分与微分闭环整定法闭环整定法由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益

Kcu与临界振荡周期Tu，并按下表得到正常工作下的控制器参数。控制规律KcTiTdP0.5KcuPI0.45Kcu0.83TuPID0.6Kcu0.5Tu0.12Tu闭环整定法由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益Kcu与临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。闭环整定法临界比例度法的局限性：闭环整定法在手动状态下，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；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；根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投入闭环运行。根据系统闭环响应情况，增大或减少控制器增益Kc直至满意为止。工程整定法3-开环整定法在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃变化），记录被控变开环整定法开环整定法获得广义对象模型对象的近似模型：获得广义对象模型对象的近似模型：开环整定法(Ziegler-Nichols

法)控制器类型KcTiTdP∞0PI0PID注意：上述整定规则仅限于开环整定法(Ziegler-Nichols法)控制器类型K取值开环整定法(Lambda法)控制器KcTiTdPPITPIDTτ/2注意：上述整定规则不受τ/T取值的限制取值开环整定法(Lambda法)控制器KcTiTdPPIT广义对象特性参数：K=1.75T=6.5,τ=3.3min若采用PI控制器，Z-N法：Kc=1.0,Ti=11minLambda法：Kc=0.56,Ti=6.5min开环整定法广义对象特性参数：开环整定法广义对象特性参数：K=1.75T=6.5,τ=6.3min若采用PI控制器，Z-N法：Kc=0.53,Ti=20.8minLambda法：Kc=0.30,Ti=6.5min开环整定法广义对象特性参数：开环整定法继电器型PID自整定器继电器型PID自整定器具有继电器型非线性控制系统问题：分析上述非线性系统产生等幅振荡的情况？具有继电器型非线性控制系统问题：分析上述非线性系统产生等幅振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Fourier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周期信号的Fourier级数展开一个以T为周期的方波函数f继电器型控制回路的等幅振荡假设：一次谐波分量占优对象具有低通特性则继电器输入信号的振幅a为系统产生振荡时满足：再由临界比例度法自动确定PID参数.继电器型控制回路的等幅振荡假设：系统产生振荡时满足：再由临界继电器型PID自整定举例继电器型PID自整定举例Ti

整定原则：

Ti=0.10min或Ti=0.05minKc

整定原则：

控制增益可人工调整，但对于设定值的阶跃变化，实际流量不应出现超调。流量回路整定特点：动态响应快，纯滞后时间接近零，测量噪声大Ti整定原则：流量回路整定特点：动态响应快，纯滞后时间接比较控制器的比例增益与积分增益流量回路整定比较控制器的比例增益与积分增益流量回路整定液位回路试分析两个液位回路的不同之处液位回路试分析两个液位回路的不同之处液位回路的动态特性不少液位对象为非自衡的积分过程，无法进行阶跃响应测试。当进料流量变化为主要扰动时，对于液位控制回路，可能存在两种不同的控制目标

(1)常规液位控制，也称“紧液位控制” (2)液位均匀控制，也称“平均液位控制”液位回路的动态特性不少液位对象为非自衡的积分过程，无法进行阶常规液位控制控制目标是使液位与其设定值的偏差尽可能小，对MV（如输出流量）的波动则无限制。假设该液位过程为自衡过程，则可采用阶跃响应获取K、T、τ，并可采用常规的参数整定法假设该液位过程为非自衡过程，常采用PI控制器，而且控制增益大、积分作用弱（即接近纯比例控制器）常规液位控制控制目标是使液位与其设定值的偏差尽可能小，对MV液位控制仿真举例液位控制仿真举例液位均匀控制控制目标是使操作变量（如储罐输出流量）尽可能平缓，以减少对下游装置的干扰，而贮罐液位允许在上下限之间波动。液位均匀控制常采用比例控制器（在实际应用中，可采用PI控制器，并选择积分时间足够大，以减少积分作用）。比例增益的整定原则：比例增益应尽可能小，只要液位的波动幅度不超过允许的上下限（对于可能的大幅度输入流量干扰）。液位均匀控制控制目标是使操作变量（如储罐输出流量）尽可能平缓液位均匀控制系统的分析假设被控过程的动态方程为其中

A

为储罐的截面积。假设液位变送器与控制阀满足液位均匀控制系统的分析假设被控过程的动态方程为其中A为储液位均匀控制系统的分析（续）对于某一纯比例控制器,Gc=－Kc,液位均匀控制系统的分析（续）对于某一纯比例控制器,Gc=PID控制的“积分饱和”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。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。PID控制的“积分饱和”问题问题：当存在大的外部扰动时，很有单回路系统积分饱和仿真结果单回路系统积分饱和仿真结果单回路系统的防积分饱和讨论：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。可以吗？单回路系统的防积分饱和讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而单回路系统的抗积分饱和举例单回路系统的抗积分饱和举例工业单回路PID控制器PID1PID2工业单回路PID控制器PID1PID2手自动无扰动切换实现方式：Auto(自动)状态，使手操器输出等于调节器的输出；Man(手动)状态，使调节器输出等于手操器的输出。手自动无扰动切换实现方式：PID参数整定于玲浙江大学控制系2014/03/09PID参数整定于玲outlinePID控制器选择单回路PID控制器参数整定防积分饱和和无扰动切换outlinePID控制器选择对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何选择PID控制器形式，并整定PID控制器参数?单回路PID控制系统应用问题对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何选择PID控制器形式工业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。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PID参数整定的概念PID参数整定的概念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.58表3-2）PID工程整定法1-经验法 针对被控变量类型的不同，选择不同工程整定法2-闭环整定法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），设置比例增益KC为一个较小值，并投入闭环运行；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Kcu

。工程整定法2-闭环整定法1、先切除PID控制器中的积分与微分闭环整定法闭环整定法由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益

Kcu与临界振荡周期Tu，并按下表得到正常工作下的控制器参数。控制规律KcTiTdP0.5KcuPI0.45Kcu0.83TuPID0.6Kcu0.5Tu0.12Tu闭环整定法由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益Kcu与临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。闭环整定法临界比例度法的局限性：闭环整定法在手动状态下，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；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；根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投入闭环运行。根据系统闭环响应情况，增大或减少控制器增益Kc直至满意为止。工程整定法3-开环整定法在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃变化），记录被控变开环整定法开环整定法获得广义对象模型对象的近似模型：获得广义对象模型对象的近似模型：开环整定法(Ziegler-Nichols

法)控制器类型KcTiTdP∞0PI0PID注意：上述整定规则仅限于开环整定法(Ziegler-Nichols法)控制器类型K取值开环整定法(Lambda法)控制器KcTiTdPPITPIDTτ/2注意：上述整定规则不受τ/T取值的限制取值开环整定法(Lambda法)控制器KcTiTdPPIT广义对象特性参数：K=1.75T=6.5,τ=3.3min若采用PI控制器，Z-N法：Kc=1.0,Ti=11minLambda法：Kc=0.56,Ti=6.5min开环整定法广义对象特性参数：开环整定法广义对象特性参数：K=1.75T=6.5,τ=6.3min若采用PI控制器，Z-N法：Kc=0.53,Ti=20.8minLambda法：Kc=0.30,Ti=6.5min开环整定法广义对象特性参数：开环整定法继电器型PID自整定器继电器型PID自整定器具有继电器型非线性控制系统问题：分析上述非线性系统产生等幅振荡的情况？具有继电器型非线性控制系统问题：分析上述非线性系统产生等幅振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Fourier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周期信号的Fourier级数展开一个以T为周期的方波函数f继电器型控制回路的等幅振荡假设：一次谐波分量占优对象具有低通特性则继电器输入信号的振幅a为系统产生振荡时满足：再由临界比例度法自动确定PID参数.继电器型控制回路的等幅振荡假设：系统产生振荡时满足：再由临界继电器型PID自整定举例继电器型PID自整定举例Ti

整定原则：

Ti=0.10min或Ti=0.05minKc

整定原则：

控制增益可人工调整，但对于设定值的阶跃变化，实际流量不应出现超调。流量回路整定特点：动态响应快，纯滞后时间接近零，测量噪声大Ti整定原则：流量回路整定特点：动态响应快，纯滞后时间接比较控制器的比例增益与积分增益流量回路整定比较控制器的比例增益与积分增益流量回路整定液位回路试分析两个液位回路的不同之处液位回路试分析两个液位回路的不同之处液位回路的动态特性不少液位对象为非自衡的积分过程，无法进行阶跃响应测试。当进料流量变化为主要扰动时，对于液位控制回路，可能存在两种不同的控制目标

(1)常规液位控制，也称“紧液位控制” (2)液位均匀控制，也称“平均液位控制”液位回路的动态特性不少液位对象为非自衡的积分过程，无法进行阶常规液位控制控制目标是使液位与其设定值的偏差尽可能小，对MV（如输出流量）的波动则无限制。假设该液位过程为自衡过程，则可采用阶跃响应获取K、T、τ，并可采用常规的参数整定法假设该液位过程为非自衡过程，常采用PI控制器，而且控制增益大、积分作用弱（即接近纯比例控制器）常规液位控制控制目标是使液位与其设定值的偏差尽可能小，对MV液位控制仿真举例液位控制仿真举例液位均匀控制控制目标是使操作变量（如储罐输出流量）尽可能平缓，以减少对下游装置的干扰，而贮罐液位允许在上下限之间波动。液位均匀控制常采用比例控制器（在实际应用中，可采用PI控制器，并选择积分时间足够大，以减少积分作用）。比例增益的整定原则：比例增益应尽可能小，只要液位的波动幅度不超过允许的上下限（对于可能的大幅