3.PID控制器的参数整定及其应用-过程控制自动化案例.ppt

继电器型PID自整定举例（续） 结 论 讨论了PID控制规律的选取原则； 详细分析了单回路PID参数整定方法； 介绍了PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术； 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、τ。 （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℃ ）。 仿真练习1 构造具有初始输出的PID控制模块； 对下图所示的系统，假设稳态时对象的输入为50，输出y为20。在10时刻设定值从20变为25，试对不同控制器进行仿真比较。 仿真练习1(续) 采用纯比例控制器，分别在有噪声和没有噪声的情况下，作出Kc值为5，15和25时y相对于设定值变化的曲线； 采用Kc=2的PI控制器，Ti分别取2，1，0.5时在有噪声和没有噪声的情况下作出y相对于设定值变化的曲线； 采用Kc=2， Ti=0.5的PID控制器，试改变Td和Ad的值并比较在不同取值情况下以及在不同大小的噪声干扰下y相对于设定值变化的曲线。 仿真练习2 构建如图所示的对象，其中一阶环节的参数如图所示，纯滞后时间为5，稳态时的输入为45，输出为25。白噪声的强度为[0.2]，采样时间为0.5。假设采用单回路控制，试为上述对象设置合适的PID参数。 仿真练习3 构建自己的具有防积分饱和功能的PID模块； 搭建如下图所示的控制系统，其中各个环节的参数如图所示。假设稳态时控制器的输出为50%，限幅环节的上下幅值分别为0%和100%，对象Gp的稳态输出为360摄氏度，测量环节Gm的稳态输出为60%，干扰通道Gd1的稳态输入输出值都为0； 试为上述系统设置合适的控制器参数； 假设D1在时刻10产生-15的阶跃干扰而D2在时刻70产生20的阶跃干扰，分别采用没有防积分饱和功能的PID控制器和具有防积分饱和的PID控制器进行控制。试比较两种控制下的测量值、控制器的输出以及阀门（限幅环节）的输出。 仿真练习3（续） * Ziegler-Nichols方法是基于系统稳定性分析的PID整定方法。在设计过程中无需考虑任何特性要求，整定方法非常简单，但控制效果却比较理想。 John Ziegler和Nathaniel Nichols发明了著名的回路整定技术使得PID算法在所有应用在工业领域内的反馈控制策略中是最常用的。Ziegler-Nichols整定技术是1942年第一次发表出来，直到现在还被广泛地应用着。 经过多年的发展，Ziegler-Nichols方法已经发展成为一种在参数设定中，处于经验和计算法之间的中间方法。这种方法可以为控制器确定非常精确的参数，在此之后也可进行微调。 * 临界比例度法的例子 * 一般，控制器的饱和输出限值要比执行机构的信号范围大，比如气动控制阀的有效输入信号范围是0.02-0.1MPa，而气动控制器的饱和上限约等于气源压力0.14-0.16MPa，下限接近于大气压（即表压0MPa）。对于一个有积分功能的控制器，只要被控变量与设定值之间存在偏差，控制器的积分作用就会对偏差进行累积来改变控制器的输出。 * 从此页开始讲PID参数的自整定方法 在数学中动态系统的概念里，平面中的极限环是相平面内中的一段闭合的轨迹。极限环在非线性系统常见。在时间t趋于正无穷时附近所有的轨迹都逐渐靠近极限环时，这种极限环称为稳定极限环。而在时间趋于负无穷时附近所有的极限环都逐渐靠近极限环时，这种极限环称为不稳定极限环。稳定极限环含有自激震荡，任何微扰都会使系统回到极限环内。 * * 上一讲内容回顾 讨论仿真系统SimuLink的使用方法; 介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则； 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。 复习--控制器的“正反作用”选择 问题: 如何选择控制阀的 “气开气关”？ 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 对于一般的自衡过程，当设定值或扰动发生阶跃变化时，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控制器的参数整定与应用问题 本讲基本要求 了解PID控制规律的选取原则；