一种切换参数PI控制器的分析与设计.pdf

《一种切换参数PI控制器的分析与设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、过程控制化工自动化及仪表，2011，38(1)：27—30ControlandInstrumentsinChemicalIndustry一种切换参数PI控制器的分析与设计陈永会4，谭功全8，谭飞4，傅成华。(四川理工学院a．自动化与电子信息学院；b．教务处，四川自贡643000)摘要：针对典型化工过程阶跃负载干扰下的期望响应，用两种方法整定PI控制器：相位和增益裕度限制的幅值穿越频率优化法和最大灵敏度约束的积分增益优化法。两种PI控制器有一种互补性，据此提出依响应状态而切换PI控制器参数的方法。仿真表明所提方法对

2、频率响应单调的系统是有效的。关键词：PI控制器；切换参数；相位和增益裕度；灵敏度；积分增益优化中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1000-3932(2011)01-0027-041引言据统计，在制浆与造纸工业中98％的控制回路使用单回路Pl控制器u1，在过程控制中，95％的控制器是PID类型的。然而，PID控制器的应用并没有达到所期望的状态。例如，Ender”1调查了几百个装置的数千个回路，发现超过30％的控制器工作在手动模式；工作在自动模式的回路有65％用手动操作比自动调节偏差更小。数十年来，PI和

3、PID控制器参数整定办法大量涌现一1，从经典的Z—N法H。到基于ITAE指标的优化法协’61，以及基于灵敏度优化的MIGO"’。利用计算机辅助优化逐渐成为系统分析和设计不可缺少的一种手段。基于计算机辅助运算，笔者实践了两种PI参数整定方法。对不同目标整定而获取的特定参数是否有好的互补性呢?本文分析了特定参数下系统的响应特点，并提出一种切换参数PI控制法。2问题描述典型反馈控制系统如图1所示。图中P(s)是过程模型，C(s)是需要设计的控制器。r是设定值，d是负载干扰，Y是被控变量。图1反馈控制系统结构图2．1被控

4、过程模型本文介绍的设计法需要已知过程传递函数。考虑下面三种传递函数描述的系统：P(5)2丁两赢(o<口≤1)(1)P(5)2卉1(o·1≤T≤lo)(2)P(5)2南(n=2，3，⋯，8)(3)模型传递函数以“归一化”方式提供，可以描述本质上频率特性是单调变化的系统。2．2性能指标和控制规律针对负载干扰为阶跃变化情形，期望的控制系统性能特性为：较小的最大误差；轻微的振荡；短的建立时间以及没有稳态误差。控制器采用PI调节律：●rc(s)=Kc(1+去)=＆+÷(4)‘l”。式中：Kc、Tl和K——比例增益、积分时间

5、和积分增益常数。PI控制器有两个独立可调参量，可以满足两个附加限制。3PI控制器综合由图1得负载干扰到被控变量的传递函数为：D，，、钆(s)2再亩翥斋将式(1)和式(4)代入，得：州牡虿≠---27"毒--$再由Routh判据知道系统稳定的条件为：fKI>0I＆>寺KI一1若仅取最优ITAE为所需，则Kc和K就必定足够大，这不仅导致控制作用的饱和现象，而且系统稳定性程度也不高。系统设计的两个需求选择为：一是满足稳定裕度，如传统上用相位裕度和幅值裕度，而当前流行用最大灵敏度；二是提高某一方面的性能，如由式(5)收稿

6、日期：2010一ll-26(修改稿)基金项目：四川省人工智能重点实验室科研基金资助项目(2008RK012，2008RK002)·28·化工自动化及仪表第38卷直观地，选择小的建立时间(或大的幅值穿越频率)或使积分增益K最大。3．1基于相位和增益裕度的幅穿频率优化设计频率特性设计的传统方法是选择控制器参数满足相位裕度、幅值裕度和快速响应的需求。对于图1所示系统，其开环频率特性是：G(jto)=C(jto)P(jto)(6)系统的相位裕度和幅值裕度描述如下：『Jc(训P(训{．1(7)【'，=180。+LC(jto

7、。)P(j∞。)lC(jtos)P(jtas)I21／A-(8)L￡C(j∞。)P(j,o；)=一180。式中：y、A。、tO。和∞。——相位裕度、幅值裕度、幅穿频率和相穿频率。为了得到满意的性能，相位裕量应当在300～60。之间，幅值裕度应当大于6分贝哺1。我们选择：A≥60。，A。≥2．1(9)满足式(9)的同时，选择大的幅值穿越频率山。。下面以FOPDT过程为例阐述设计过程。式(2)、式(4)和式(9)代入到式(7)和(8)中，有：瓦=等端290(10)1”∞E一‰Etg(∞E一。)¨wL≥等糍害籍⋯，箍若

8、1器端1≤2卉1㈣，∞：(砰∞：+)(严m：+)8．2、‘。7由式(10)知，给定积分时间常数L就可以确定相穿频率吐。于是，就能够选择出满足式(11)和(12)的较大∞，。利用计算机数值搜索和拟合，使幅穿频率最大的L和K有如下拟合公式：J正2o·5016r+o·5798r+o·3895(13)【Kc=0．7266T+0．1914式中：T<3。当T>3时，系统属于易控过程，