过程控制系统PID控制器的参数整定意义

过程控制系统PID控制器的参数整定意义内容回顾单回路控制系统的组成掌握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PID控制器的基本原理比例度Kc对控制系统性能的影响Kc对控制系统性能的影响Ti对控制系统性能的影响控制器的正反作用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？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。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。PID工程整定法1-经验法工程整定法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。控制规律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr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。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：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：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.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。积分饱和示例单回路系统积分饱和现象举例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。积分外反馈积分分离比例作用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)PID控制器参数整定的基本原则即：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。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。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