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PID控制器参数整定 戴连奎 浙江大学工业控制研究所 2012/03/02 PID(比例-积分-微分)控制器 单回路PID控制系统应用问题 内 容 PID控制器类型的选择 控制器参数整定的一般方法 流量控制回路的PID参数整定方法 液位均匀控制系统的PID参数整定 积分饱和与防止 Summary PID控制器类型选择 PID参数整定的概念 基于过程特性参数K, T,τ的离线参数整定法 步骤 1:将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式(此时控制器输出完全由人工控制),人为以阶跃方式增大或减少控制器输出,并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。 步骤 2:由阶跃响应数据估计特性参数 K, T,τ。 步骤 3:按经验公式设定 PID参数 Kc、Ti、Td,并将控制器切换至“自动”模式。 步骤 4:根据系统闭环响应情况,增大或减少控制器增益Kc直至满意为止。 离线整定仿真举例步骤 1:阶跃响应测试 步骤 2:获取过程参数 步骤 3:获取初始PID参数(Ziegler-Nichols 方法) 步骤 3:获取初始PID参数(Lambda 整定法) 仿真举例 #1 仿真举例 #2 PID参数在线整定法 步骤 1:将在线闭环运行的控制器,完全去除积分作用与微分作用(Ti =最大值,Td = 0)成为纯比例控制器,并设置较小的 Kc 值。 步骤 2:施加小幅度的设定值或扰动变化, 并观察CV的响应曲线。 步骤 3:若CV 的响应未达到等幅振荡,则增大Kc(减少比例带 PB);若CV 响应为发散振荡,则减少Kc。重复步骤 2。 步骤 4:重复步骤 3,直至产生等幅振荡。 在线整定仿真举例 在线整定准则:Ziegler-Nichols 法 在线整定仿真举例 在线整定法的局限性分析 未知过程的PID参数整定举例 流量回路的动态特性 动态响应的快速性 纯滞后时间接近零,即从理论上讲控制器增益可无限大 测量噪声大 为减少控制阀的频繁波动,宜采用PI控制器,而且控制增益应小、而积分作用应大(即接近纯积分控制器)(为什么?) 流量回路的控制参数选择 流量回路整定仿真举例 分析下列液位控制问题的不同点 液位回路的动态特性 不少液位对象为非自衡的积分过程,无法进行阶跃响应测试。 当进料流量变化为主要扰动时,对于液位控制回路,可能存在两种不同的控制目标 (1) 常规液位控制,也称“紧液位控制”; (2) 液位均匀控制,也称“平均液位控制” 常规液位控制 控制目标是使液位与其设定值的偏差尽可能小,而对MV(如输出流量)的波动无限制。 假设该液位过程为自衡过程,则可采用阶跃响应获取K、T、τ,并可采用常规的参数整定法 假设该液位过程为非自衡过程,常采用PI控制器,而且控制增益大、积分作用弱(即接近纯比例控制器)(为什么?) 液位均匀控制 控制目标是使操作变量(如储罐输出流量)尽可能平缓,以减少对下游装置的干扰,而允许贮罐液位在上下限之间波动。 液位均匀控制常采用比例控制器(在实际应用中,可采用PI控制器,并选择积分时间足够大,以减少积分作用)。 比例增益的整定原则:比例增益应尽可能小,只要液位的波动幅度不超过允许的上下限(对于可能的大幅度输入流量干扰)。 液位控制仿真举例 液位均匀控制系统的分析 液位均匀控制系统的分析(续) 纯比例液位均匀控制的仿真 PID控制器的积分饱和问题 单回路PID控制器的积分饱和现象 单回路控制的抗积分饱和原理 抗积分饱和仿真举例 工业单回路PID控制器 小结 PID控制器类型的选择 控制器参数整定的一般方法 流量控制回路的PID参数整定方法 液位均匀控制系统的PID参数整定 单回路控制的积分饱和现象及其防止 问题讨论 对于某一动态特性未知但开环稳定的温度控制系统如何整定PID控制器参数(离线或在线方式)? 试用Simulink仿真模型,近似实现工业PID控制器的外部特性 ? 对于快速的流量控制回路,请给出PID参数的整定原则,并解释原因。 对于液位均匀控制回路,它与一般的液位控制有何区别?请给出PID参数的整定原则,并解释原因。 试描述单回路控制系统的积分饱和现象,解释其产生的原因,并给出相应的防积分饱和方案。 积分饱和问题的由来 讨论以下现象: (1)控制器的积分饱和现象 (2)控制阀全开或全关 原理:当控制器输出超出正常操作范围时,将积分作用切除。 PID1 PID2 * * 理论PID 控制器 工业 PID 控制器(如何构造其仿真模型?) Ad 为微分增益, 通常Ad = 10 。 对于某一动态特性未知的广义被控过程,如何选择PID控制器形式,并整定PID控制器参数 ? *1: 对于某些具有较长时间常数的慢过程,建议引入微分作用。但若存在较大的测量噪声,需要对测量信号进行一阶滤波或平均滤波
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