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1、PID控制,控制器,上一讲内容回顾,讨论了调节阀的流量特性； 引入了广义对象的概念； 描述了单回路系统的常用性能指标。,本讲基本要求,掌握单回路控制器的“正反作用”选择； 掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系 了解PID控制律的选取原则 掌握单回路PID控制器的参数整定方法 了解“防积分饱和”与“无扰动切换” 了解PID参数的自整定方法,控制器的“正反作用”选择问题,问题：如何构成一个负反馈控制系统？,控制器的“正反作用”选择,定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。 选择要点：使控制回路
2、成为“负反馈”系统。 选择方法： （1）假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统。 （2）回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。,控制器的作用方向选择：假设检验法,根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即： u Rf。 假设温度控制器为正作用， 即：Tm u；则,结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.,控制器的作用方向选择：符号分析法,Km一般为正 保证负反馈：即KcKvKoKm为正,课堂提问,问题: 1、指出广义对象的输入和输出； 2、选择调节阀的气开气关特性； 3、选
3、择温度控制器的正反作用使闭环系统为负反馈系统; 4、方框图。,课堂练习,假设不能满罐 假设不能抽空,课堂练习,假设不能满罐 假设不能抽空,PID控制器,PID 控制器,比例控制器,比例增益对控制性能的影响,比例增益 Kc 增大，调节作用增强，但稳定性下降(当系统稳定时，调节频率提高且余差下降)。,比例积分控制器,积分作用对控制性能的影响,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。,理想的比例积分微分控制器,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
4、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一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。,微分作用对控制性能的影响,实际的比例积分微分控制器,其中Ad 为微分增益,SimuLink 结构:,PID参数对控制性能的影响,控制器增益 Kc或比例度PB 增益增大(即Kc 增大或比例度PB下降)，调节作用增强，但稳定性下降； 积分时间Ti 积分作用增强（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
5、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,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.65 表5.3-1）,控制器参数经验数据,流 量：对象时间常数小，参数有波动，要大40100%；Ti要短0.11min ；不用微分 。 温 度：对象容量滞后较大，即参
6、数受干扰后变化迟缓，应小2060%； Ti要长310min；一般需加微分 Td=0.53min 压 力：对象的容量滞后不算大，一般不加微分 =3070% Ti=0.43min 液 位：对象时间常数范围较大，要求不高时， 可在一定范围内选取，一般不用微分， = 2080 %,工程整定法2-临界比例度法,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），并令比例增益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P
7、u、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax 。,临界比例度法举例,临界比例度法举例(续1),临界比例度法(续),根据等幅振荡曲线得到的振荡周期Pu 和产生等幅振荡的控制器增益Kcmax ， 对所选择的控制规律查表得到控制器参数。,临界比例度法举例（续2）,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）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； （3）根据控制器类型与对象模型，选择PID
8、参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。,响应曲线法举例,阶跃响应测试法举例（续1）,对象的近似模型：,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（续2）,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条件 ？,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为,继电器型控制系统等幅振荡条件,对于没有滞环的继电器环节，假设
9、该环节输入的一次谐波振幅为a，则a为,系统产生振荡的条件是：,再由临界比例度法自动确定PID参数.,继电器型控制系统等幅振荡条件,再由临界比例度法自动确定PID参数.,继电器型PID自整定举例,继电器型PID自整定举例（续）,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。,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。,单回路系统的抗积分饱和举例,单回路工业PID控制器连接法,手自动无扰动切换问题与实现,实现方式： 在Auto （自动）状态，使手操器输出等于调节器的输出；而在Man（手动）时，使调节器输出等于手操器的输出；,
