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1、PID控制器的参数整定及其应用31 Four short words sum up what has lifted most successful Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. individuals above the crowd: a little bit more. -author -author -date-date上一讲内容回顾n讨论仿真系统SimuLink的使用方法;n介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原
2、则；n描述了单回路系统的常用性能指标；n通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择TC进料出料燃料TTmTspRfu问题:如何选择控制阀的 “气开气关”？(1) 如何选择温度控制器的正反作用，以使闭环系统为负反馈系统？PID控制器的物理意义讨论n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？n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？n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？本讲基本要求n了解PID控制规律的选取原则,n掌握单回路PID控制器的参数整定
3、方法,n了解PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,n了解PID参数的自整定方法。n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；n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；n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。讨论
4、：讨论：选择原则分析。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）工程整定法2-临界比例度法步骤：步骤：（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KcTiT
5、dP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr单回路PID参数整定仿真举例SimuLink仿真程序参见.PIDControlPIDLoop.mdl）工程整定法3-响应曲线法*n临界比例度法的局限性：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。n响应曲线法响应曲线法PID参数整定步骤：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
6、参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法*tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2Tp典型自衡工业对象的阶跃响应seTsKsusy1)()( 对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：minmax01minmax01uuuuyyyyKymin, 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0100%表示。Ziegler-Nichols参数整定法*n特点：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。n整定公式：整定公式：控制规律KCTITDPppTK
7、1PIppTK19.03 . 3PIDppTK12.10 . 25 . 0响应曲线法举例SimuLink仿真程序参见.PIDControl PIDLoop.mdl）假设测量范围为200 400 ,K = 1.75, T = 10 min, = 7 min.Kc = 0.8, Ti = 14 min, Td = 3.5 min.响应曲线法举例（续）对于无显著纯滞后的自衡对象PID参数整定法（1/4准则）*n特点：特点：适合于纯滞后不显著的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为 “S” 型曲线。n初始整定参数：初始整定参数：IDsIpTTTTK*41,*41%,100*41Ts 为对象开环阶跃响应的过
8、渡过程时间。n参数调整：参数调整：将上述PID控制器投入“Auto” （自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢且无超调，则适当加大KC，例如增大到原来的两倍；反之，则减小KC值。响应曲线1/4准则法举例SimuLink 仿真程序参见 . PIDControl PIDLoop.mdl单回路系统的“积分饱和”问题ud(t)广义对象y(t)ysp(t)sTKIC11v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
9、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现象举例单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施）(参见模型/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl)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d(t)广义对象y(t)ysp(t)vKCe(s)11sTI讨论讨论：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(仿真模型参见/PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl)手自动无扰动切换问
10、题与实现ysp(t)uKCe(t)y(t)11sTAsTDDD11sTIAutoMan增量型手操器+实现方式实现方式：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；继电器型PID自整定器原理继电器调节器对象ATSyspyD具有继电器型非线性控制系统G(s)yspyd-dh-h问题：如何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为周期的函数f (t)可以展开为10sincos2)(nnntnbtnaatf2222sin)(2,cos)(2TTnTTndttntfTbdttnt
11、fTa对齐次函数, 有1sin)(nntnbtfT220sin)(4TndttntfTb假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为ddttdTbT4sin4201继电器型控制系统等幅振荡条件 对于没有滞环的继电器非线性环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为a，则对继电器输入输出的一次谐波，其增益为04adN闭环继电系统临界稳定条件：1)(jNG对于继电器控制器而言，其临界增益为：,4adKcr临界振荡周期为 Tcr。再由临界比例度法自动确定PID参数.继电器型PID自整定举例具体参见 /PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl结 论n讨论了PID控制规律的选取原则,n
12、详细分析了单回路PID参数整定方法,n介绍了PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,n分析了继电器型PID参数自整定原理。练习题 对于题图5-1（ p. 68 ）所示的加热炉出口温度控制系统，假设变送器量程为200 300。试回答以下问题并说明理由：（1）燃料控制阀选用“气开”阀还是“气关阀”？（2）温度控制器该选“正作用”还是“反作用”？（3）若在手动控制状态，燃料控制阀风压（或者说温度控制器输出电流）减少3%，炉出口温度的变化过程如题5-8下表格所示。请确定“广义对象”的特性参数K、T、。（4）若温度控制器采用PID调节器，试确定PID参数，并给出SimuLink仿真曲线（假设设定值从270上升至280 ）。