PID控制器的参数整定及其应用.ppt

PID控制器的参数整定与应用问题 戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所 2004/03/08 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。 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路变化时，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？ 本讲基本要求 了解PID控制规律的选取原则, 掌握单回路PID控制器的参数整定方法, 了解PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术, 了解PID参数的自整定方法。 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： 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：（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 Kc Ti Td P 0.5Kcr PI 0.45Kcr 0.83Tcr PID 0.6Kcr 0.5Tcr 0.12Tcr 单回路PID参数整定仿真举例 SimuLink仿真程序参见..\PIDControl\PIDLoop.mdl） 工程整定法3-响应曲线法* 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。 响应曲线法PID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* 典型自衡工业对象 的阶跃响应 对象的近似模型： 对应参数见左图，而增益为： [ymin, 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0~100%表示。 Ziegler-Nichols参数整定法* 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 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, τ = 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）* 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。 初始整定参数： Ts 为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。 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 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