浙大工业过程控制--2.控制系统性能指标与PID控制律

2020/2/26工业过程控制PID反馈控制器(PIDFeedbackControllers)戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2020/2/26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。2020/2/26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。TC进料出料燃料TTmTspRfu2020/2/26工业过程控制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。2020/2/26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。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2020/2/26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。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)2020/2/26工业过程控制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.2020/2/26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Kp,Tp,τ。)exp(1)(ssTKsGpp2020/2/26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℃。75.101005060200400320355pK912TTTp601TT2020/2/26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。2020/2/26工业过程控制仿真系统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。2020/2/26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。2020/2/26工业过程控制控制器的“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？2020/2/26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。2020/2/26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↑→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.2020/2/26工业过程控制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↑。2020/2/26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？2020/2/26工业过程控制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.2020/2/26工业过程控制纯比例控制器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.mdl2020/2/26工业过程控制比例增益对控制性能的影响2020/2/26工业过程控制比例积分控制器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.mdl2020/2/26工业过程控制积分作用对控制性能的影响2020/2/26工业过程控制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2020/2/26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？2020/2/26工业过程控制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:2020/2/26工业过程控制PID控制系统仿真举例仿真结果参见../Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl2020/2/26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。2020/2/26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？