过程控制工程第二版课件 教学课件 作者 王树青 戴连奎 于玲 编著03 PID控制.ppt

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1、PID控制于玲浙江大学工业控制研究所2008/03/13上一讲内容回顾讨论了调节阀的流量特性；引入了广义对象的概念；介绍了单回路控制器的“正反作用”；描述了单回路系统的常用性能指标。课堂提问问题:1、指出广义对象的输入和输出；2、选择调节阀的气开气关特性；3、选择温度控制器的正反作用使闭环系统为负反馈系统;4、方框图。本讲基本要求掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系了解PID控制律的选取原则掌握单回路PID控制器的参数整定方法了解“防积分饱和”与“无扰动切换”了解PID参数的自整定方法PID控制器比例控制器比例增益对控制性

2、能的影响比例增益Kc增大，调节作用增强，但稳定性下降(当系统稳定时，调节频率提高且余差下降)。比例积分控制器积分作用对控制性能的影响积分时间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。理想的比例积分微分控制器微分时间Td对系统性能的影响微分作用的增强（即Td增大），从理论上讲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。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于一阶滞后较大的广义对象，

3、如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响实际的比例积分微分控制器其中Ad为微分增益SimuLink结构:控制器增益Kc或比例度PB增益增大(即Kc增大或比例度PB下降)，调节作用增强，但稳定性下降；积分时间Ti积分作用增强（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

4、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。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1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比例增益KC为一个较小值，并投入闭环运行；2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况；

5、3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡；4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax。临界比例度法举例临界比例度法举例(续1)临界比例度法(续)控制规律KcmaxTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu根据等幅振荡曲线得到的振荡周期Pu和产生等幅振荡的控制器增益Kcmax，对所选择的控制规律查表得到控制器参数。临界比例度法举例（续2）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

6、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）根据单位阶跃响应曲线求取“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。响应曲线法举例阶跃响应测试法举例（续1）对象的近似模型：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（续2）继

7、电器型PID自整定器具有继电器型非线性控制系统问题：分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件？继电器输入输出信号分析周期信号的Fourier级数展开一个以T为周期的方波函数f(t)可以展开为假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为继电器型控制系统等幅振荡条件对于没有滞环的继电器环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为a，则a为系统产生振荡的条件是：再由临界比例度法自动确定PID参数.继电器型PID自整定举例继电器型PID自整定举例（续）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，

8、即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。单回路系统积