PID制器参数整定设计方案.docVIP

1 前言 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统﹐其传感器﹑ 变送器﹑执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连。还有可以实现PID 控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，可以直接与ControlNet相连，利用网络实现其远程控制功能。 控制系统的性能指标通常包括稳态和动态两个方面。稳态性能指标是指系统的稳态误差，它表征系统的控制精度。动态性能指标表片系统瞬态响应的品质。为使系统能同时满足动态和稳态性能指标的要求，就需要在系统中引入一个专门用于改善性能的附加装置，这个附加装置就是校正装置。当控制系的开环增益增大到满足其稳定性态性能所要求的数值时，系统有可能为不稳定，或者即使能稳定性定，其动态性能一般也不会满足设计要求，为此需要在系统的前向通首中加一个超前校正装置，以实现在开环增益不变的前提下，使系统的动态性能也能满足设计的要求。当系统的动态性能满足要求，而其稳定性态性能不好时，就要求所加的校正装置要使系统的开环增益有较大的增大，使系统的动态性能不发生明显的变化，因此要加入滞后校正装置。若要将两种校正结合起来应用，必然会同时改善系统的动态和稳态性能，这就是滞后——超前校正。而PID控制器能够满足这两方面的要求，但根据系统性能指标的要求，正确地调整PID的三个参数是非常重要的。本次设计就主要围绕调节PID的参数进行。 2 总体方案设计 对系统进行PID控制的设定，当系统的被控对象很复杂时，难以用解析法建立数学模型，可用Z——N法去调整PID控制器的参数，非常实用，有效和方便。Z——N法有两种实施的办法，共同的目标是使被控系统的阶跃响应具有25%的超调量。于是就有了下面两种方案。 2.1 方案设计 方案一： 这种方案是先假设Ti为无穷大，Td=0，即只有比例控制Kp。具体的做法是：将比例系数Kp值由零逐渐增大到系统的输出首次呈现持续的等幅振荡，此时对应的Kp值为临界增益，用Kc表示，并记下振荡的周期Tc，对于这种情况，齐格勒和尼可尔斯提出公式，以确定相应PID控制器的参数Kp、Ti、和Td的值。 其传递函数也是一个极点在坐标原点，两个零点均位于处。 图 2.1 方案一方框图 PID调节器：Kp=0.6Kc,Ti=0.5Tc,Td=0.125Tc 表2.1 Z-N第二法的参数表 控制器的类型 Kp Ti Td P 0．5kc ∞ 0 PI 0.45kc 1/1.2Tc 0 PID 0.6Kc 0.5Tc 0.125Tc 方案二： 在对象的输入端加一单位阶跃信号，测量其输出响应曲线。如果被测的对象中既无积分环节，又无复数主导极点，则相应的阶跃响应曲线可视为是S形曲线。这种曲线的特征可用滞后时间τ和时间常数T来表征。通过S形曲线的转折点作切线，使之分别与时间坐标轴和c(t)=K的直线相交，由所得的两个交点确定延滞时间τ和时间常数T。具有S形阶跃响应曲线的对象，其PID控制器的传递函数为：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 这种PID控制器有一个极点在坐标原点，二个零点都在S=－处。 表2.2 Z-N第一法的参数表 控制器的类型 Kp Ti Td P ∞ 0 PI 0.9 0 PID 1.2 2τ 0.5τ 2.2方案论证 方法一临界比例法简单并且是闭环，使用起来比第二种方案范围要大点。第二种