过程控制系统PID控制器参数整定

内容回顾单回路控制系统的组成第一页，共32页。掌握PID控制规律的选取原则;掌握单回路PID控制器的参数整定方法;了解PID控制器的“防积分饱和”技术。

重点：本章基本要求第二页，共32页。PID控制器的基本原理第三页，共32页。比例度第四页，共32页。Kc对控制系统性能的影响第五页，共32页。Kc对控制系统性能的影响第六页，共32页。Ti对控制系统性能的影响第七页，共32页。控制器的正反作用第八页，共32页。PID控制器的物理意义讨论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？引入积分作用的目的是什么，为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？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？第九页，共32页。PID参数对控制性能的影响控制器增益Kc或比例度δ

增益Kc的增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降；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；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广义对象，如温度对象等。第十页，共32页。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。第十一页，共32页。PID工程整定法1-经验法第十二页，共32页。工程整定法2-临界比例度法（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。第十三页，共32页。工程整定法3-响应曲线法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。响应曲线法PID参数整定步骤：（1）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；（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。第十四页，共32页。响应曲线

对象的近似模型：[ymin,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0~100%表示。而增益为：第十五页，共32页。Ziegler-Nichols参数整定法特点：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。整定公式：第十六页，共32页。响应曲线法举例假设测量范围为200~400℃,Kp=1.75,Tp=10min,

τ=7min.Kc=0.98,Ti=14min,

Td=3.5min.第十七页，共32页。单回路系统的“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。第十八页，共32页。积分饱和示例第十九页，共32页。单回路系统积分饱和现象举例第二十页，共32页。单回路系统积分饱和仿真结果第二十一页，共32页。单回路系统的防积分饱和原理讨论：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。第二十二页，共32页。积分外反馈第二十三页，共32页。积分分离第二十四页，共32页。比例作用P是基本控制作用，输出与输入无相位差。Kc越大控制作用越强，随着Kc的增加(比例度δ减小)，余差下降，最大偏差减小，但稳定性变差。比例作用P引入积分作用I后，可以消除余差。但是幅值增加，相位滞后，使稳定性裕度下降，为保持同样稳定性裕度，Kc应减少10-20%(比例度δ应增加10-20%)。积分时间Ti越短，积分作用越强，Ti趋向无穷大时无积分作用。应防积分饱和。PID控制器的作用第二十五页，共32页。比例作用P引入适当微分作用D后，幅值增加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保持同样稳定性裕度，Kc应增加10-20%(比例度δ应减少10-20%)。微分作用D可以克服容滞后，但对时滞毫无作用。微分时间Td越大，微分作用越强，Td=0无微分作用。PID控制器的作用(续)第二十六页，共32页。PID控制器参数整定的基本原则1.控制系统稳定的静态条件是系统总开环放大系数K恒定即：K=KcKvKpKm为常数注意：当测量与变送器的量程变化，控制阀门口径改变，Km,Kv改变，可调整Kc使K恒定。对于过程非线性，可调整流量特性来补偿。第二十七页，共32页。PID控制器参数整定的基本原则（续）2.最基本的控制作用是比例作用，它的整定方法：先调整Kc，再调Ti、Td先设置Ti、Td，再调Kc3.积分作用能消除余差，但使系统稳定性变差。4.微分作用能消除高阶对象过渡滞后的影响第二十八页，共32页。5.控制品质中,稳定性是最基本的性能一个可调的控制器参数，只能满足一个品质指标.对于PI控制器,常取满足衰减比要求的Kc/Ti中最大的一组Kc和Ti。图中，红色曲线是等衰减比曲线，曲线内稳定裕度高于设定指标。红色位置为最佳Kc和Ti的值。PID控制器参数整定的基本原则（续）第二十九页，共32页。PID控制器参数整定的基本原则（续）随动系统：常调整控制器参数，得到10:1的衰减比（红）定值系统：常调整控制器参数，得到4:1的衰减比（蓝）6.不同的系统有不同的稳定裕度要求，即衰减比不同。第三十页，共32页。课外要求利用互联网查询有关产品信息1.温度测量变送器2.各类调节阀3.计算机控制装置4.浙大中控的网站（