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1、 过程控制系统PID控制器的参数整定 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
2、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 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
3、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 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 y
4、max 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 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
5、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 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
6、10 20 比例度 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 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 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
7、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 4 微分作用能消除高阶对象过渡滞后的影响 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 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 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 www S 要求 1 将收集的信息分类整理为word文档 2 自己的学号作为文件名 3 发电子邮件至wu jg 本章小结 PID控制规律的选取原则 单回路PID控制器的参数整定方法经验法 临届比例度法 响应曲线法 Z N法 PID控制器的 防积分饱和 技术
