浙大工业过程控制-2.控制系统性能指标与PID控制律

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,工业过程控制,*,PID,反馈控制器,(PID Feedback Controllers),戴连奎,浙江大学智能系统与决策研究所,2024/10/7,工业过程控制,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。,2024/10/7,工业过程控制,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。,2024/10/7,工业过程控制,温度控制系统方块图,1,特点,：各环节均用实际仪表、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。,2024/10/7,工业过程控制,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。,2024/10/7,工业过程控制,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。,2024/10/7,工业过程控制,广义对象的阶跃响应测试,“广义对象”的输入：,u,，,输出为,T,m,。,若机理建模有难度，就可采用常用的响应测试法.,2024/10/7,工业过程控制,对象特性的阶跃响应测试,假设温度测量变送器的量程为,200 400,对象特性可用以下一阶,+,纯滞后来表示,试确定其,K,p,T,p,。,2024/10/7,工业过程控制,对象特性参数的确定,假设温度测量变送器的量程为,200 400,。,2024/10/7,工业过程控制,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。,2024/10/7,工业过程控制,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。,2024/10/7,工业过程控制,仿真系统,SimuLink,的使用技巧,熟悉与掌握系统所提供的,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。,2024/10/7,工业过程控制,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？,2024/10/7,工业过程控制,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。,2024/10/7,工业过程控制,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,R,f,.(Why?),假设温度控制器为正作用，即：,T,m,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,.,2024/10/7,工业过程控制,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,T,m,u,。,2024/10/7,工业过程控制,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？,2024/10/7,工业过程控制,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,t,s,.,上升时间,t,r,峰值时间,t,p,.,2024/10/7,工业过程控制,纯比例控制器,控制器增益,K,c,或比例度对系统性能的影响,：,增益,K,c,的增大（或比例度下降），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.mdl,2024/10/7,工业过程控制,比例增益对控制性能的影响,2024/10/7,工业过程控制,积分时间,T,i,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,T,i,过小,），,可能使,控制系统,不,稳定,。,仿真结果参见,./Simulation/PIDControl/PILoop.mdl,2024/10/7,工业过程控制,积分作用对控制性能的影响,2024/10/7,工业过程控制,理想的比例积分微分控制器,微分时间,T,d,对系统性能的影响,微分作用的增强（即,T,d,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特性,一阶,滞后较大的广义对象，如温度、成份等。,2024/10/7,工业过程控制,微分作用对控制性能的影响,问题：控制作用的变化过大，对噪声敏感，如何克服？,2024/10/7,工业过程控制,实际的比例积分微分控制器,其中,A,d,为微分增益,SimuLink,结构,:,2024/10/7,工业过程控制,PID,控制系统仿真举例,仿真结果参见,./Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl,2024/10/7,工业过程控制,结论,讨论仿真系统,SimuLink,的使用方法,;,介绍了,单回路,控制器“正反作用”的选择原则；,描述了单回路系统的常用性能指标；,通过仿真讨论了,PID,控制律的意义及与控制性能的关系。,2024/10/7,工业过程控制,思考题,对于一般的自衡过程，分析采用纯比例控制器存在稳态余差的原因；,引入积分作用可消除稳态余差的原因分析，以及为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？,引入微分作用可提高控制系统的稳定性，但为什么实际工业过程中应用并不多？,如何确定,PID,参数？,2024/10/7,工业过程控制,