1、PID参数整定,于玲浙江大学控制系2014/03/09,outline,PID控制器选择单回路PID控制器参数整定防积分饱和和无扰动切换,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 ?,单回路PID控制系统应用问题,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。,PID参数整定的概念,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
2、验法属最为“粗糙”的整定法。（具体整定参数原则见 p.58 表3-2）,工程整定法2-闭环整定法,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），设置比例增益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；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Kcu 。,闭环整定法,由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益 Kcu与临界振荡周期 Tu，并按下表得到正常工作下的控制器参数。,闭环整定法,临界比例度法的局限性：生产过
3、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。,闭环整定法,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；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；根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投入闭环运行。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。,工程整定法3-开环整定法,开环整定法,获得广义对象模型,对象的近似模型：,开环整定法(Ziegler-Nichols 法),注意：上述整定规则仅限于,开环整定法(Lambda 法),注意：上述整定规则不受/T 取值的限制,广义对象特性参数：K = 1.75T = 6.5,
4、= 3.3 min若采用 PI 控制器，Z-N 法：Kc = 1.0, Ti = 11 minLambda 法：Kc = 0.56, Ti = 6.5 min,开环整定法,广义对象特性参数：K = 1.75T = 6.5,= 6.3 min若采用 PI 控制器，Z-N 法：Kc = 0.53, Ti = 20.8 minLambda 法：Kc = 0.30, Ti = 6.5 min,开环整定法,继电器型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情况？,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
5、,假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波,继电器型控制回路的等幅振荡,假设：一次谐波分量占优对象具有低通特性则继电器输入信号的振幅a为,系统产生振荡时满足：,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,Ti 整定原则： Ti = 0.10min 或 Ti = 0.05minKc 整定原则： 控制增益可人工调整，但对于设定值的阶跃变化，实际流量不应出现超调。,流量回路整定,特点：动态响应快，纯滞后时间接近零，测量噪声大,比较控制器的比例增益与积分增益,流量回路整定,液位回路,试分析两个液位回路的不同之处,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
6、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，对MV（如输出流量）的波动则无限制。假设该液位过程为自衡过程，则可采用阶跃响应获取K、T、，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）,液位控制仿真举例,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，而贮罐液位允许在上下限之间波动。液位均匀控制常采用比例控制器
7、（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）。,液位均匀控制系统的分析,假设被控过程的动态方程为,其中 A 为储罐的截面积。假设液位变送器与控制阀满足,液位均匀控制系统的分析（续）,对于某一纯比例控制器, Gc = Kc,PID控制的“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。,单回路系统积分饱和仿真结果,单回路系统的防积分饱和,讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。,可以吗？,单回路系统的抗积分饱和举例,工业单回路PID控制器,PID1,PID2,手自动无扰动切换,实现方式：Auto (自动)状态，使手操器输出等于调节器的输出；Man(手动)状态，使调节器输出等于手操器的输出。,
