单回路PID控制PPT演示文稿

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1、1,3 单回路PID控制,Outline,掌握调节阀的流量特性及开关选择原则 掌握单回路控制器“正反作用”的选择原则； 掌握单回路控制系统的常用性能指标； 掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系。,3.1 控制阀的选择,控制阀概述,控制阀或执行器是过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。 执行器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的。执行器由执行机构与调节机构构成，在用电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛应用以下三种控制方式，如下图所示。,执行器的构成及控制形式,执行器的

2、分类：, 按动力能源分类 分为气动执行器、电动执行器、液动执行器。气动执行器利用压缩空气作为能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆，而且价格较低；它可以方便的与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为0.020.1MPa的标准气压信号，仍然可用气动执行器 按动作极性分类 分为正作用执行器和反作用执行器 按动作行程分类 分为角行程执行器和直行程执行器 按动作特性分类 分为比例式执行器和积分式执行器,控制阀的选择内容：,口径大小 开闭形式 流量特性 结构型式,口径大小的选择,控制阀口径大小直接决定着

3、控制介质流过的能力。 原则：控制阀口径不宜选的太大，也不宜选的太小，留有余地。 控制阀口径大小通过计算控制阀流通能力的大小来决定，控制阀流通能力必须满足生产控制的要求并留有一定的余地。以通过阀的最大流量时阀的开度90%来验证。,调节阀的工作流量特性分析,阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即,为了保证控制阀具有一定的可控范围，必须使阀两端的压降在整个管线总压降中有较大的比例。 S值小，可控范围就窄，将导致控制阀特性的畸变，使控制效果变差。,调节阀工作流量特性（续）,线性阀的特性变异,对数阀的特性变异,气动调节阀的结构,u(t)：控制器输出 ( 420 mA 或 010 m

4、A DC)； pc ：调节阀气动控制信号； l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积； q ：受调节阀影响的管路相对流量。,控制阀气开气关结构示意图,阀门的“气开”与“气关”,1. 气开阀与气关阀 * 气开阀： pc f (“有气则开”) * 气关阀： pc f (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。,2. 气开阀与气关阀的选择原则 首先要从安全生产出发 其次从保证产品质量出发 还要考虑减少经济损失 考虑介质的特性 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。,调节阀的气开气关选择,17

5、,从保护锅炉出发，应选用气闭阀；从保护后续设备出发，应选用气开阀。主要要分清主次矛盾。,生产工艺对控制阀的开闭形式没有严格的要求开闭形式可以任选。,假设右图为液体储槽，控制液位为恒定，要求内部液体严禁溢出，选择控制阀的开闭形式？ （1）选择流入量F1为控制变量 （2）选择流出量F2为控制变量,调节阀的理想流量特性,调节阀理想流量特性：通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系。,f 为相对流量；l 为相对开度：,线性阀（1）：,等百分比阀或称对数阀（2）：,调节阀4种理想流量特性,调节阀流量特性总结,线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达

6、50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。 对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少， Kv 渐近于常数。,控制阀结构形式的选择,控制阀的结构形式,调节阀流量特性的选择,选择原则： 仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0. 60 以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。,“广义对象”的概念,特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。,3.2 控制器的“正反作用”

7、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

8、 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：回路判别法,回路判别法的要点： （1）反馈回路中负增益环节数为奇数； （2）对控制器而言，“正作用”是指Tm u。,回路判别法的步骤：,（1）根据被控变量和操作变量判断被控对象增益特性； （2）根据控制阀开闭形式选择原则确定控制阀增益特性； （3）变送器增益特性一般为正； （4）确定控制器的增益特性，从而确定其正、反作用。,举例：压力控制系统的分析,“正作用”,“反作用”,结论,讨论了调节阀的流量特性及开关选择原则； 引入了广义对象的概念； 介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则。,上一讲内容回顾,讨论了调

9、节阀的流量特性及开关选择原则； 引入了广义对象的概念； 介绍了单回路控制器的“正反作用”；,本讲基本要求,描述了单回路系统的常用性能指标 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,3.3 控制系统的性能指标,以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标 偏差积分性能指标,控制性能指标,衰减比,超调量,回复时间,余差,偏差平方值积分,偏差绝对值积分,偏差绝对值与时间乘积的积分,例 某化学反应器，工艺规定操作温度为20010，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15。

10、现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、超调量、余差、衰减比和震荡周期），并问该调节系统是否满足工艺要求。,解： 最大偏差：A=230-200=30 余差： c=205-200=5 衰减比： 震荡周期：T=20-5=15min 过渡时间（调节时间）： 再：工艺规定操作温度为20010，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15，而该调节系统=30，不满足工艺要求。,3.4 三种常规的反馈控制模式,当构成一个控制系统的被控对象、测量变送环节和控制阀都确定之后，控制器参数是决定控制系统控制质量的唯一因素。,PID

11、 控制器,比例控制器,比例增益对控制性能的影响,控制器增益 Kc对系统性能的影响： 增益 Kc 增大，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、余差下降）。,P控制作用举例,比例积分控制器,积分时间,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 引入积分作用可以消除稳态余差，但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。,PI控制作用举例,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

12、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,PD控制作用举例,实际的比例积分微分控制器,其中Ad 为微分增益,SimuLink 结构:,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。,PID参数对控制性能的影响(整定规律),

13、结论,描述了单回路系统的常用性能指标； 通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。,3.5 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.53 表4.3-1）,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

14、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Pu、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(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-衰减曲线法,按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的整定参数设置在调节器上，再观察运行曲线，若不太理想，还可作适当调整。,临界比例度

15、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。,工程整定法3-衰减曲线法,衰减曲线法的注意事项： （1）对于反应较快的控制系统，要认定4:1衰减曲线和读出Ts比较困难，此时，可认为记录指针来回摆动两次就达到稳定是4:1衰减过程。 （2）在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数值。 （3）若认为4:1衰减太慢，可采用10:1衰减过程。对于10:1衰减曲线法整定调节器参数的步骤与上述完全相同，仅仅所用计算公式有些不同。,衰减曲线法举例,工程整定法4-响应曲线法,响应曲线法PID参数整定步骤： （1）在手动状态下，改变控制器

16、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,阶跃响应测试法（续1）,对象的近似模型：,响应曲线法,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1,响应曲线法举例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PID自整定举例,P.56 仿真举例如何实现？,单回路