《过程控制-单回路PID控制、PID的参数整定、实用数字PID及相关技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制-单回路PID控制、PID的参数整定、实用数字PID及相关技术（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本节主要内容,总结PID控制的特点及对控制品质的影响 总结PID控制器的参数整定方法及实例 数字PID控制器的发展过程 数字PID控制器的组成 数字PID控制器实现中的主要问题采样、滤波、保持等,单回路控制实例温度控制系统方块图,对于单回路控制常采用PID控制，PID控制的特点： 简单易理解、鲁棒性好、适应面广,纯比例P控制器,控制器增益 Kc或比例度对系统性能的影响：增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、最大偏差下降）；,比例增益Kc对控制性能的影响,比例积分PI控制器,积分时间Ti 对系统性能的影响 引入积分作用的根本目的是为了
2、消除稳态余差，但使控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti 过小），可能使控制系统不稳定。,积分作用Ti对控制性能的影响,理想的比例积分微分PID控制器,微分时间Td 对系统性能的影响 微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲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。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波。而微分作用主要适合于特性一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。,微分作用Td对控制性能的影响,问题：控制作用的变化过大，对噪声敏感，如何克服？,实际的比例积分微分控制器,其中Ad 为微分增益,SimuLink 结构:,PID控制系统仿真举例,仿真系统
3、SimuLink的使用,假设控制输入u (t)与干扰输入d (t)均为阶跃信号，要求显示输入对被控变量y (t)及其测量z (t)的动态响应。,仿真系统SimuLink的使用,熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等； 掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法； 掌握子系统的封装技术（包括外观设计、参数设置、注释等）； 掌握自定义模块的运行机制、设计方法与封装技术。,思考题,对于一般的自衡过程，分析采用纯比例控制器存在稳态余差的原因； 引入积分作用可消除稳态余差的原因分析，以及为什么引入积
4、分作用会降低闭环控制系统的稳定性？ 引入微分作用可提高控制系统的稳定性，但为什么实际工业过程中应用并不多？ 如何确定PID参数？,PID控制器的 参数整定与应用,PID参数对控制性能的影响,控制器增益 Kc或比例度 增益 Kc 的增大（或比例度下降），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,*当工业对象具有较大的滞后时，
5、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。,如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。 PID控制器参数整定，就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度、积分时间TI、微分时间TD的具体数值。 所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统达到最佳调整状态。 4：1递减比为最佳参数整定的常用依据。4:1 参数整定的方法:,0、概述,PID控制器的参数整定,对数频率特性法、根轨迹法等。 (2)、工程整定法：经验凑试法、衰减曲线法、临 界比例度法、响应曲线法等。,(1)、理论整定法：,对于单元组合仪表，,比例度的
6、概念：对于比例作用大小，工业控制器常用表示，其义为：,一、现场经验凑试法,1、常用的参数经验范围：如表 3-1所示,2、整定步骤,(1)、在纯比例作用下(TI=、TD=0) 在比例度按表3-1的取值下，将系统投入运行； 若曲线振荡频繁，则加大比例度； 若超调量大，且趋于非周期，则减少，求得满意 的4：1过渡过程曲线。,(2)、引入积分作用 (此时应将上述加大1.2倍),将积分时间TI由大到小进行整定； 若曲线波动较大，则应增大TI； 若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少TI， 以求得较好的过渡过程曲线。,(3)、若需引入微分作用,1、特点: 是目前工程上应用较广泛的一种控制器 参数的整定方
7、法。 2、整定步骤 (1)、在纯比例作用下投入(TI=,TD=0),比例度适 当；平稳操作一段时间，把系统投入自动运行。,将TD按经验值或按TD=(1/31/4)TI设置，并由小到大加入； 若曲线超调量大而衰减慢，则需增大TD； 若曲线振荡厉害，则应减小TD； 观察曲线，再适当调节和TI，反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。,二、稳定边界法（临界比例度法）,图3-12,，得到图3-12所示等幅振荡过程记下临界比例度K和临界振荡周期TK值。,(2)、将逐渐减小,(3)、根据K和TK值，采用表3-2中的经验公式，计算、TI、TD的值。,用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度K=20%,临界振
8、荡周期TK=1min，当控制器分别采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值。,例3-1,(4)、按“先P后I最后D”的操作程序，将控制器整定参数调整到计算值上。,观察其运行曲线，若不够满意，再做进一步调整。,解：应用表3-2经验公式， 可得,(1).比例控制器 =2K=220%=40% (2).比例积分控制器 =2.2K=2.220%=44% TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min (3).比例积分微分控制器 =1.6K=1.620%=32% TI=0.5TK=0.51=0.5min TD=0.25TI=0.250.5=0.125min,三 、阻尼振荡法（衰减
9、曲线法）,(1)、实现4：1衰减比 先把参数置成纯比例作用(TI=,TD=0)，使系统投入运行； 再把从大逐渐调小，直到出现右图所示的4：1衰减过程曲线 ； 此时的4：1衰减比例度为S，4：1衰减振荡周期为TS。运行效果如下图。,1、特点：是在总结稳定边界法的基础上，经过反复实验提出来的。 2、整定步骤：对于要求系统过渡过程达到4：1衰减的步骤如下。,返回,(3)、进一步调整 按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的参数设置在控制器上；,(2)、计算参数,再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。,根据S和TS，使用表3-8计算出控制器的各个整定参数值。,某温度控制系统，采用4：1衰减曲线法整
10、定控制器参数，得S=20%，TS=10分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。,例3-2,解 应用表3-8中的经验公式，可得 (1)、比例控制器 =S=20% (2)、比例积分控制器 =1.2S=1.220%=24% TI=0.5TS=0.510=5min (3)、比例积分微分控制器 =0.8S=0.820%=16% TI=0.3TS=0.310=3min TD=0.1TS=0.110=1min,四、响应曲线法（动态特性参数法）,2、整定步骤 (1)、用”实验法建模“中所介绍的方法获取对象的响应曲线，如下图所示。,1、特点：依据对象的响应曲线-飞升特性整
11、定参数，精度更高。,(2)、求取广义对象的放大系数Ko,式中 y -被控参数测量值的变化量； X -控制器输出的变化量； ymax-ymin-测量仪表的刻度范围； Xmax-Xmin-控制器输出变化范围。,(3)、根据对象的K0 、T0 、0 ，按下表3-4所给公式求出4：1衰减过程控制器的参数、TI和 TD 。,在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动单元组合控制器的输出从6mA改变到7mA时，温度记录仪的指针从85升到87.8，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为50100，并测出O=1.2min,TO=2.5min。如采用PI和PID控制规律，试确定出整定参数。,例3-3,本例中，
12、X=7-6=1mA Xmax-Xmin=10-0=10mA y=87.8-85.0=2.8 ymax-ymin=100-50=50 所以,解：,因此，在PI控制器时：,=1.127%=30% TI=3.31.2=4min,在PID控制器时： =0.8527%=23% TI=21.2=2.4min TD=0.51.2=0.6min 解毕。,数字PID控制,概要,控制设备发展史 数字控制系统 数字PID控制算法,控制设备发展史 手动操作,开大阀门还是逃命？,温度指示,手动操作 机械装置 气动设备 电动设备 数字计算 数字计算 和通讯,冷却阀,由人直接根据指示来调节阀门,控制设备发展史 机械装置,手
13、动操作 机械装置 气动设备 电动设备 数字计算 数字计算 和通讯,浮子用来测量液位,闸门的位置决定流量,支点的位置决定： 闸门的变化/液位变化,怎样改变设定值？,变量的值由装置的位置来表达,控制设备发展史 气动设备,手动操作 机械装置 气动设备 电动设备 数字计算 数字计算 和通讯,管道中的信号为3-15psi的气压,气压改变阀门开度,怎样执行PID计算？,变量大小与气压成比例 (50 150 = 3 15psi)。,控制设备发展史 电动设备,手动操作 机械装置 气动设备 电动设备 数字计算 数字计算 和通讯,电线中的信号为4-20mA的电流,电流转变为气压来操纵阀门,怎样执行PID计算？,变
14、量大小与电流或电压成比例 (50 150 = 4 20mA)。,PID的模拟计算,气动,电动,控制设备发展史 数字计算,手动操作 机械装置 气动设备 电动设备 数字计算 数字计算 和通讯,电线中的信号为4 - 20mA的电流,电流转变为气压来操纵阀门,采用电动信号传输进行数字计算,数字计算和通讯,手动操作 机械装置 气动设备 电动设备 数字计算 数字计算 和通讯,电流转变为气压来操纵阀门,数字PID,信号采用数字传输,信号在局域网中传输， 传感器和阀门也可带有微处理器！,数字控制,A/D,A/D,D/A,D/A,现场控制器,A/D,A/D,D/A,D/A,现场控制器,特殊目的处理器,*信号采集
15、 *安全控制,操作站,操作站,多功能 计算机,数字通讯,过程,*监视 *历史记录 *优化,数字控制采用分布式网络结构,为什么？,分布式网络结构,数字控制,中央控制室,现场 显示,现场调节,电缆，可能有几百米长,中央控制室中进行变量显示、 计算以及操纵阀门,数字PID控制,如何实现数字PID控制？,实用数字PID的主要组成,下面来看看各个组成部分,信号采集 采样速率,几乎没有信号丢失,连续信号,发生了什么？,快速采样,慢速采样,信号采集 采样速率,连续信号,发生了什么？失真,慢速采样,失真：当采样速率与信号的 变化相比太慢会造成失真。 Shannon定理：采样频率必须 大于等于信号最高频率的两倍。,信号采集 信号保持,保持会改变动态吗？,连续信号,零阶保持后的信号,在执行控制期间信号保持为上次采样的值,信号采集 信号保持,连续信号,保持后的近似连续信号,红色曲线是信号经采样保持后的近似连续信号， 与原始信号有约半个采样周期的纯滞后。,A/D转换,硬件实现,02N1,测量值,软件实现,温度变送器的量程为50150，输出为420mA。 假设采用12位的A/D，当采样值为100000000000b时， 实际的测量值是多少？,滤波,什么是噪声？ 如何去除噪声？,滤波,信号？,噪声？,信号噪声,
