过程控制工程第4章PID控制器.ppt

第4章 PID控制器及参数整定 比例增益对开环稳定系统稳定裕量的影响 比例增益对开环不稳定系统稳定裕量的影响 比例增益对控制性能的影响 积分作用对控制性能的影响 PI时域响应特性 Ti对系统动态性能的影响 PI频域特性 防积分饱和原理分析 微分作用对控制性能的影响 实际PD时域响应特性 理想PD频率特性 实际PD频率特性 实际串联式PID时域响应 实际并联式PID时域响应 实际PID频域特性 PID控制系统仿真举例 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？ 本节内容结束 回顾 PID控制的特点： 当阶跃输入时，P是始终起作用基本分量；I分量刚开始不显著，随时间逐渐加强；D分量前期作用显著，随时间递减。 与PI控制相比，PID控制既能减小系统稳态误差，又能加快系统响应速度。 PID控制通过I分量作用于低频段，以提高系统的稳态误差；通过D分量作用于中高频段，以加快响应速度，改善动态性能。 PID参数对控制性能的影响 控制器增益 Kc或比例度δ 增益 Kc 的增大（或比例度δ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，主要适合于容量滞后较大的广义对象，如温度对象等。 工业PID控制器的选择 例1 已知开环系统的传递函数为 ，采用临界比例度法整定系统的P，PI,PID控制器参数，并绘出整定后系统的单位阶跃响应曲线。 使等幅震荡，求临界参数 Kk=30；Tk=2.81 P控制 ,查表 Kp=15 PI控制,查表 Kp=13.5,Ti=2.3417 PID控制,Kp=17.64,Ti=1.405,Td=0.35 注意事项： 对反应较快的控制系统，认定4:1衰减曲线和读出Ts比较困难，可认为记录仪指针来回摆动两次 达到稳定是4:1; 生产中，负荷扰动影响过程特性，负荷变化较大时，必要时需重新整定; 若认定4:1 衰减较慢，可用10:1衰减率，方式相同，只是经验公式不同。 例 2 已知控制系统开环传递函数为 采用衰减曲线法整定控制器参数，并绘出阶跃 响应曲线。 衰减震荡，4:1参数Kp=3.823,Ts=2.69 P 控制,Kp=3.82 PI 控制，Kp=3.18, Ti=1.345 PID 控制，Kp=4.78, Ti=0.807,Td=0.269 手自动无扰动切换问题与实现 继电器型PID自整定举例 本节课结束 5. 广义过程的传递函数表示为如下形式时 还可根据τ0/T0 的比值来选择调节规律： τ0/T00.2，选用P或PI调节规律。 0.2τ0/T01.0，选用PD或PID调节规律。 τ0/T01.0，PID不能满足控制要求，选择其他控制方式。 4.1 PID控制原理---算法选择原则 *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： 选择原则分析。 确定控制器的比例度δ、积分时间TI和微分时间TD。 整定的实质是通过改变调节器的参数，使控制器的特性和广义过程特性相匹配，以改善反馈系统的动态和稳态指标，争取最佳控制效果。控制指标：衰减率ψ=0.75-0.9，（衰减比n=4:1-10:1） 4.2 PID控制参数的整定方法---概念 对数频率特性法 根轨迹法 理论计算整定方法 试凑法 临界比例度法 衰减曲线法 响应曲线法 工程整定法 需要知道数学模型 不需要数学模型，直接进行现场整定，方法简单、易于掌握 4.2 PID控制参数的整定方法---分类 广义对象的特点及其控制器参数范围 4.2 PID控制参数的整定方法---原则 可用 重要 100～1000% 存在 min～h 1～100 恒定 成分 重要 可用 10～100% 无 min～h 3～6 变动 温度 蒸汽压力 不用 少用 5～50% 有 1～10s 单容量 无 液位 不必要 不必要 0～5% 无 0 单容量 无