PID 反馈控制器

PID反馈控制器戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2004/02/25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。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。TC进料出料燃料TTmTspRfu温度控制系统方块图1温度控制器设定值Tsp偏差e(t)+_测量值Tm(t)温度测量变送器燃料控制阀炉出口温度T(t)控制u(t)燃料量Rf(t)加热炉扰动特点：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。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。温度控制器Gc(s)设定值Tsp偏差e(t)+_测量值Tm(t)++温度测量变送Gm(s)燃料控制阀Gv(s)炉出口温度T(t)控制u(t)燃料量Rf(t)控制通道Gp(s)进料量,进料温度等扰动加热炉干扰通道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。温度控制器Gc(s)设定值Tsp偏差e(t)+_测量值Tm(t)++温度测量变送Gm(s)燃料控制阀Gv(s)炉出口温度T(t)控制u(t)燃料量Rf(t)控制通道Gp(s)加热炉D(t)广义对象的阶跃响应测试TC进料出料燃料TTmTspRfu“广义对象”的输入：u，输出为Tm。若机理建模有难度，就可采用常用的响应测试法.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Kp,Tp,τ。)exp(1)(ssTKsGpp对象特性参数的确定假设温度测量变送器的量程为200~400℃。75.101005060200400320355pK912TTTp601TT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。仿真系统SimuLink的使用入门1sTKmm1sTKdd)exp(1ssTKpp1sTKvvd(t)u(t)y(t)z(t)++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。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。控制器的“正反作用”选择问题控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动D干扰通道GD(s)++被控对象问题：如何构成一个负反馈控制系统？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。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↑→Rf↑.(Why?)假设温度控制器为正作用，即：Tm↑→u↑；则TC进料出料燃料TTmTspRfuTmuRfTTm结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.控制器的作用方向选择：回路判别法温度控制器(?)Tspe(t)+_Tm(t)++温度测量变送(+)燃料控制阀(+)T(t)u(t)Rf(t)加热炉控制通道(+)D(t)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Tm↑→u↑。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？控制系统常用的性能指标ySPy(∞)BB'y0t0t1t2t3稳态余差：0)()(yyyyespsp衰减比：BBn振荡周期T，调节时间ts.上升时间tr,峰值时间tp.纯比例控制器控制器增益Kc或比例度δ对系统性能的影响：增益Kc的增大（或比例度δ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）；0)()(uteKtuc%100*1cK仿真结果参见../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl比例增益对控制性能的影响比例积分控制器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。00)1(uedtTeKutic)11()(sTKsGicc仿真结果参见../Simulation/PIDControl/PILoop.mdl积分作用对控制性能的影响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。001)(udtdeTedteKudtTci)11()(sTsTKsGdicc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？实际的比例积分微分控制器1111)(sATsTsTKsGdddicc其中Ad为微分增益SimuLink结构:PID控制系统仿真举例仿真结果参见../Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl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。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？