PID控制与参数整定方法讲述课件

PID控制与参数整定方法1PID控制与参数整定方法1内 容1.过程控制常见概念2.过程控制系统的性能指标3.PID控制原理与数字实现4.PID控制参数对控制性能的影响5.PID控制的改进算法6.PID控制实现时的常用技巧7.PID参数整定方法8.采样PI控制原理及参数整定方法9.PID算法的实现2内 容过程控制常见概念21.过程控制常见概念n时变系统和时不变系统n线性系统和非线性系统n大惯性与纯滞后n多变量与耦合n控制器、控制对象、执行机构n测量参数（被调量）、操作变量n优化n参数自适应n阶跃响应n动态与稳态3过程控制常见概念时变系统和时不变系统3时变系统和时不变系统时不变系统指控制系统参数不随时间的变化而变化。时变系统指控制系统参数随着时间的变化而变化。时变系统是任何控制对象的特点。时不变是理想的、是近似的。在某一时间段内，可以把控制对象近似为时不变系统。4时变系统和时不变系统时不变系统指控制系统参数不随时间的变化而线性系统和非线性系统线性系统指输出随着输入的变化成比例变化。非线性系统是输出的变化与输入的变化是不成比例的。例如：给煤机转速和给煤量的关系。5线性系统和非线性系统线性系统指输出随着输入的变化成比例变化。大惯性与纯滞后大惯性可以理解为系统的状态改变较慢，惯性较大。纯滞后是指在施加控制后，系统状态发生改变的时间滞后与施加控制时间。例如：T 用来表征惯性，用来表征滞后。6大惯性与纯滞后大惯性可以理解为系统的状态改变较慢，惯性较大。大惯性与纯滞后K0.2 时可以选择比例或比例积分控制；0.2K1.0时可以选择比例微分或积分微分控制。如何获得惯性时间常数和纯滞后时间常数。7大惯性与纯滞后KINmax in=INmaxInIn(n-1)In(n)-In(n-1)INmax In(n)=In(n-1)+INmax In(n)INmax In(n)=In(n-1)-INmax 3.变化率限幅In(n)In(n-1)In(n)-In(n-1)/In(n-1)In(n)=In(n-1)*(1+)In(n)In(n)=In(n-1)*(1-)60输入限幅上下限限幅 （也可以在信号滤波中处理）60输出限幅1.上下限限幅 （也可以在信号滤波中处理）outoutmax out=outmaxoutout(n-1)out(n)-out(n-1)outmax out(n)=out(n-1)+outmax out(n)outmax out(n)=out(n-1)-outmax 3.变化率限幅out(n)out(n-1)out(n)-out(n-1)/out(n-1)out(n)=out(n-1)*(1+)out(n)out(n)=out(n-1)*(1-)61输出限幅上下限限幅 （也可以在信号滤波中处理）61防止饱和n对于增量式MV（out）=MP（比例）+MI（积分）+MD（微分）MV（out）MV（max）MI（积分）=MV（max）-MP（比例）-MD（微分）MV（out）MV（min）MI（积分）=MV（min）-MP（比例）-MD（微分）n对于位置式 采用输出限幅后，该问题就会直接解决。62防止饱和对于增量式62无扰切换n设置给定值（SPn）=测量变量（PVn）n设置测量值（PVn-1）=测量变量（PVn）n设置输出值（MX）=手动输出值（Mn）63无扰切换设置给定值63带死区的PID控制算法带死区的PID控制规律如下：非线性控制，非线性控制宽度、非线性控制增益。64带死区的PID控制算法带死区的PID控制规律如下：非线性控7.PID参数整定方法n扩充临界比例带法扩充临界比例带法n扩充响应曲线法扩充响应曲线法n试凑法试凑法65PID参数整定方法扩充临界比例带法65扩充临界比例带法扩充临界比例带法扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比例带法扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比例带法（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整定的实验经验方（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整定的实验经验方法。按该方法整定法。按该方法整定PIDPID参数的步骤如下：参数的步骤如下：选选择择一一个个足足够够短短的的采采样样周周期期T T，例例如如被被控控过过程程有有纯纯滞滞后后时时，采采样样周周期期T T取取滞滞后后时时间间的的1/101/10以以下下，此此时时调调节节器器只只作作纯纯比比例例控制，给定值控制，给定值r r作阶跃输入。作阶跃输入。逐逐渐渐加加大大比比例例系系数数KpKp，使使控控制制系系统统出出现现临临界界振振荡荡。由由临临界界振振荡荡过过程程求求得得相相应应的的临临界界振振荡荡周周期期TsTs，并并记记下下此此时时的的比比例例系系数数KpKp，将将其其记记作作临临界界振振荡荡增增益益KsKs。此此时时的的比比例例度度为为临临界界比比例例度。度。选择控制度。根据控制度，查表求出选择控制度。根据控制度，查表求出T T、KpKp、TiTi和和TdTd值。值。按按照照求求得得的的整整定定参参数数，投投入入系系统统运运行行，观观察察控控制制效效果果，再再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。66扩充临界比例带法扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比例扩充临界比例带法参数速查表67扩充临界比例带法参数速查表67扩充临界比例带法参数速查表（简化）68扩充临界比例带法参数速查表（简化）68扩充响应曲线法扩充响应曲线法是一种开环整定方法。如果可以得到被控扩充响应曲线法是一种开环整定方法。如果可以得到被控对象的动态特性曲线，那么就可以与模拟调节系统的整定一对象的动态特性曲线，那么就可以与模拟调节系统的整定一样，采用扩充响应曲线法进行数字样，采用扩充响应曲线法进行数字PIDPID的整定。其步骤如下：的整定。其步骤如下：（1 1）断开数字控制器，使系统在手动状态下工作。将被）断开数字控制器，使系统在手动状态下工作。将被控量调节到给定值附近，当达到平衡时，突然改变给定值，控量调节到给定值附近，当达到平衡时，突然改变给定值，相当给对象施加一个阶跃输入信号。相当给对象施加一个阶跃输入信号。（2 2）记录被控量在此阶跃作用下的变化过程曲线（即广）记录被控量在此阶跃作用下的变化过程曲线（即广义对象的飞升特性曲线）。义对象的飞升特性曲线）。69扩充响应曲线法扩充响应曲线法是一种开环整定方法。如果可以得到广义对象的飞升特性曲线70广义对象的飞升特性曲线70扩充响应曲线法（3）根据飞升特性曲线，求得被控对象纯滞后时）根据飞升特性曲线，求得被控对象纯滞后时间间 和等效惯性时间常数和等效惯性时间常数 ，以及它们的比值，以及它们的比值 。（4）由求得的）由求得的 和和 以及它们的比以及它们的比 ，选择某，选择某一控制度，查表即可求得数字一控制度，查表即可求得数字PID的整定参数的的整定参数的 值。值。（5）按求得的整定参数投入在投运中观察控制效）按求得的整定参数投入在投运中观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。71扩充响应曲线法（3）根据飞升特性曲线，求得被控对象纯滞后时间扩充响应曲线法参数速查表72扩充响应曲线法参数速查表72衰减曲线法选把过程控制系统中调节器参数置成纯比例作用选把过程控制系统中调节器参数置成纯比例作用（TI=，TD=0）使系统投入运行。再把比例度）使系统投入运行。再把比例度从从大逐渐调小，直到出现大逐渐调小，直到出现4：1衰减过程曲线。衰减过程曲线。此时的比例度为此时的比例度为4：1衰减比例度衰减比例度c，两个相邻波，两个相邻波峰间的时间间隔，称为峰间的时间间隔，称为4：1衰退减振荡周期衰退减振荡周期Ts。73衰减曲线法选把过程控制系统中调节器参数置成纯比例作用（TI=衰减曲线法74衰减曲线法74衰减曲线法参数速查表75衰减曲线法参数速查表75试凑法试凑法n只采用比例控制，Kp由小变大，若响应时间、超调、静差已达到要求，只采用比例调节即可。n若静差不满足，则加入积分控制，将Kp减小，例如取0.8Kp代替Kp，Ti由大到小，反复测试多组的Kp和Ti值，从中确定合适的参数。n若动特性不满足，比如超调量过大，或调节时间过长，则加入微分控制，Td由小到大，逐步凑多组PID参数，从中找出一组最佳调节参数。76试凑法只采用比例控制，Kp由小变大，若响应时间、超调、静差已采样周期T的经验数据77采样周期T的经验数据778.采样PI控制原理及参数整定方法n采样PI控制原理n采样PI控制的类型n采样PI的参数整定方法78采样PI控制原理及参数整定方法采样PI控制原理78采样PI控制原理采样PI控制是一种针对大存滞后对象的实用控制算法，因为其控制结构与一般PI控制相似，所以可以看作是PI控制的改进算法。它具有算法容易实现，不需要对系统进行辨识，鲁棒性强的特点，所以适用于工业过程控制。采样PI控制系统结构与一般PI控制系统比较，区别在于控制器的偏差输入受一个周期性开关控制。79采样PI控制原理采样PI控制是一种针对大存滞后对象的实用控制采样PI控制原理80采样PI控制原理80采样PI控制原理81采样PI控制原理81采样PI控制的类型1.保持控制输出不变 2.保持积分部分不变82采样PI控制的类型1.保持控制输出不变 2.保持积采样PI控制的类型比较1.保持控制输出不变保持控制输出不变n该方法比例项只有闭环时间较长时有效；n可以加快系统的调节速度。2.保持积分部分不变保持积分部分不变n比例项的作用一直存在；n比例项较大容易造成系统波动；n抗干扰能力差（假如最后计算时有干扰信号，导致系统不稳定。）所以一般采用采样I控制。83采样PI控制的类型比较保持控制输出不变83比例项在采样PI中控制的作用84比例项在采样PI中控制的作用84采样PI的参数整定方法1.采样周期的选择采样周期的选择2.闭环时间的选择闭环时间的选择3.比例增益的选择比例增益的选择4.积分时间的选择积分时间的选择85采样PI的参数整定方法采样周期的选择85采样周期的选择n采样周期变小时，系统开环时间变短，当采样周期小到，系统即为常规的PI控制。n采样周期变大时，系统开环时间变大，如果开环给定不是系统稳定时的控制器输出，就需要多个采样周期系统方可达到稳定，所以随着采样周期的增大，系统过渡时间就会变长。n采样PI控制原理是“闭环计算控制器输出，开环进行恒值控制”，其中闭环时间很短，开环时间较长。因为控制作用只能在纯滞后时间后才能起作用，因为在给定控制起作用后一个对象时间常数后达到稳态的63%，三个对象时间常数后达到稳态的95%，所以采样周期一般取86采样周期的选择采样周期变小时，系统开环时间变短，当采样周期小闭环时间的选择nTcTc一方面决定闭环作用时间，另一方面影响控制器的输出。一方面决定闭环作用时间，另一方面影响控制器的输出。在采样周期不变时，在采样周期不变时，TcTc变大，闭环时间变长，开环时间变变大，闭环时间变长，开环时间变短，增大到短，增大到TaTa，系统与常规，系统与常规PIPI控制闭环控制系统相同。控制闭环控制系统相同。n在在TcTc增大时，输出积分作用增强，容易产生超调和振荡；增大时，输出积分作用增强，容易产生超调和振荡；反之，输出积分作用减弱，系统过渡时间变长。反之，输出积分作用减弱，系统过渡时间变长。87闭环时间的选择Tc一方面决定闭环作用时间，另一方面影响控制器比例增益的选择比例系数的作用仅在闭环控制时间段，而闭环控制时间很短，所以比例系数对整个控制的作用相对较小，但在闭环控制时间内，过大的比例系数会引起控制量的超调和较大波动，对执行机构容易产生不良的影响，所以一般取值较小，也可以直接取零。88比例增益的选择比例系数的作用仅在闭环控制时间段，而闭环控制时积分时间的选择当积分时间变小时，输出积分作用增强，容易产生超调和振荡；反之，输出积分作用减弱，系统过渡时间变长。控制器的开环阶段输出仅由 决定，因此应根据对系统响应过程的要求来确定 的大小。例如，对象为 ，要求经过一个采样周期输出达到稳定值，一个闭环时间后控制输出应为 ，这时选择采样周期足够大，即 ，则 。89积分时间的选择当积分时间变小时，输出积分作用增强，容易产生超9.PID算法的实现注意问题n输入、设定、输出标准化n计算公式中避免过大过小数据90PID算法的实现注意问题输入、设定、输出标准化90PID 西门子S7-200公式采用：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*Ts/Ti*（SPn-PVn）+MX +Kc*Td/Ts*（PVn-1-PVn）91PID 西门子S7-200公式采用：91PID的组合选择1.在许多控制系统中，有必要只应用一种或两种环路控制的方法。例如，在许多控制系统中，有必要只应用一种或两种环路控制的方法。例如，可能只需要比例控制或比例积分控制。选择期望的环路控制类型通过设可能只需要比例控制或比例积分控制。选择期望的环路控制类型通过设置常量参数的数值来进行。置常量参数的数值来进行。2.如果不希望积分操作（在如果不希望积分操作（在PID计算中没有计算中没有“I”），那么应为积分时间），那么应为积分时间（重设）指定数值无穷大（重设）指定数值无穷大“INF”。即使没有积分操作，积分项的值可。即使没有积分操作，积分项的值可能不是零，因为有积分总和能不是零，因为有积分总和MX的初始值。的初始值。3.如果不希望微分操作（在如果不希望微分操作（在PID计算中没有计算中没有“D”），那么数值），那么数值0.0应为微应为微分时间（速率）指定。分时间（速率）指定。4.如果不希望比例操作（在如果不希望比例操作（在PID计算中没有计算中没有“P”），并且希望），并且希望I或或ID控制，控制，那么应为增益指定数值那么应为增益指定数值0.0。因为环路增益是公式中用于计算积分和微。因为环路增益是公式中用于计算积分和微分项的一个因子，将环路增益设置为数值分项的一个因子，将环路增益设置为数值0.0将导致在计算积分和微分将导致在计算积分和微分项时数值项时数值1.0用作环路增益。用作环路增益。92PID的组合选择在许多控制系统中，有必要只应用一种或两种环路PID参数表PID算式中共包含9个参数，用于进行PID运算的控制。在执行PID指令前，要建立一个PID参数表，格式如下：93PID参数表PID算式中共包含9个参数，用于进行PID运算的应用过程n输入模拟量的转换及标准化n信号滤波处理（例如湘钢控制、侯马皮带秤）（要考虑信号滞后、曲线光滑等因素，可以通过曲线观察）nPID运算n无扰切换处理n输出模拟量转换为工程实际值94应用过程输入模拟量的转换及标准化94YS-170中的PID算法95YS-170中的PID算法95893 IDCB-5A 控制参数96893 IDCB-5A 控制参数96结 束97结 束97