浙大工业过程控制2控制系统性能指标与PID控制律

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1、PID反馈控制器(PIDFeedbackControllers)戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2021/8/171课件上一讲内容回顾了解典型工业过程的动态特性类型；掌握简单被控过程的机理建模方法；掌握调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。2021/8/172课件习题2-4讨论对于如图所示的加热炉温度控制系统，试(1)指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与控制目标;(2)画出该系统的方块图；(3)选择控制阀的“气开-气关”形式;(4)指出该控制系统的“广义对象”及物理意义。2021/8/173课件温度控制系统方块图1特点：各环节均

2、用实际仪表、设备或装置来表示，被控对象用受控设备来表示，不反映操纵变量、干扰对被控变量的影响关系。2021/8/174课件温度控制系统方块图2特点：采用传递函数与环节名称混合表示，对象用被控过程的动态特性来表示。2021/8/175课件温度控制系统方块图3特点：对象用被控过程的动态特性来表示，其中除控制通道外，所有干扰对被控变量的影响只用一个输出扰动来近似。当然，各环节可以只用传递函数来表示。2021/8/176课件广义对象的阶跃响应测试“广义对象”的输入：u，输出为Tm。若机理建模有难度，就可采用常用的响应测试法.2021/8/177课件对象特性的阶跃响应测试假设温度测量变送器的量程为200

3、~400℃,对象特性可用以下一阶+纯滞后来表示,试确定其Kp,Tp,τ。2021/8/178课件对象特性参数的确定假设温度测量变送器的量程为200~400℃。2021/8/179课件本讲基本要求掌握仿真系统SimuLink的使用方法;掌握单回路控制器“正反作用”的选择原则；掌握单回路控制系统的常用性能指标；掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系。2021/8/1710课件仿真系统SimuLink的使用入门假设控制输入u(t)与干扰输入d(t)均为阶跃信号，要求显示输入对被控变量y(t)及其测量z(t)的动态响应。2021/8/1711课件仿真系统SimuLink的使用技巧熟悉与掌握系统所提供

4、的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等；掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法；掌握子系统的封装技术（包括外观设计、参数设置、注释等）；掌握自定义模块的运行机制、设计方法与封装技术。2021/8/1712课件控制器的“正反作用”选择问题问题：如何构成一个负反馈控制系统？2021/8/1713课件控制器的“正反作用”选择定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。选择方法

5、为：（1）假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统；（2）回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。2021/8/1714课件控制器的作用方向选择：假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即：u↑→Rf↑.(Why?)假设温度控制器为正作用，即：Tm↑→u↑；则结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.2021/8/1715课件控制器的作用方向选择：回路判别法回路判别法的要点：（1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm↑→

6、u↑。2021/8/1716课件控制系统的性能评价仿真程序见../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl讨论：如何评价或比较不同控制系统的性能？2021/8/1717课件控制系统常用的性能指标稳态余差：衰减比：振荡周期T，调节时间ts.上升时间tr,峰值时间tp.2021/8/1718课件纯比例控制器控制器增益Kc或比例度δ对系统性能的影响：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（当系统稳定时，调节频率提高、最大偏差下降）；仿真结果参见../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl2021/

7、8/1719课件比例增益对控制性能的影响2021/8/1720课件比例积分控制器积分时间Ti对系统性能的影响引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，但使控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti过小），可能使控制系统不稳定。仿真结果参见../Simulation/PIDControl/PILoop.mdl2021/8/1721课件积分作用对控制性能的影响2021/8/1722课件理想的比例积