PID控制及参数整定课件.ppt

1、第六章 复杂控制系统经验法整定PID参数什么是积分饱和？什么是积分饱和？ 当一个具有积分作用的控制器处于开环工作状态时，如果偏当一个具有积分作用的控制器处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，由于积分作用的存在，控制器的输出不差输入信号一直存在，由于积分作用的存在，控制器的输出不断增加或不断减小，一直达到输出的极限值为止，这种现象称断增加或不断减小，一直达到输出的极限值为止，这种现象称为为“积分饱和积分饱和”。 产生积分饱和的三个条件：产生积分饱和的三个条件： 一是控制器具有一是控制器具有积分积分作用；二是控制器处于作用；二是控制器处于开环开环工作状态，工作状态，其输出没有被送往执行器；

2、三是控制器的输入其输出没有被送往执行器；三是控制器的输入偏差信号长期存偏差信号长期存在在。 积分饱和的后果：积分饱和的后果： 当控制器处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小当控制器处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小的极限值，该极限值已超出执行器的有效输入信号范围，它在的极限值，该极限值已超出执行器的有效输入信号范围，它在某个时刻重新被选择器选中，取代另一个控制器对系统进行控某个时刻重新被选择器选中，取代另一个控制器对系统进行控制时，由于它的输出已到达饱和区，不在执行器的有效输入范制时，由于它的输出已到达饱和区，不在执行器的有效输入范围之内，所以它并不能立即发挥作用，使得控制作用

3、不及时。围之内，所以它并不能立即发挥作用，使得控制作用不及时。 防止积分饱和的方法：防止积分饱和的方法：(1)(1)限幅法限幅法 这种方法是通过一些专门的技术措这种方法是通过一些专门的技术措施对积分反馈信号加以限制，从而使控制器输出信施对积分反馈信号加以限制，从而使控制器输出信号被限制在工作信号范围之内。号被限制在工作信号范围之内。(2)(2)积分切除法积分切除法 这种方法是当控制器处于开环工这种方法是当控制器处于开环工作状态时，将控制器的积分作用切除掉，这样就不作状态时，将控制器的积分作用切除掉，这样就不会使控制器输出一直增大到最大值或一直减小到最会使控制器输出一直增大到最大值或一直减小到最

4、小值，不会产生积分饱和。小值，不会产生积分饱和。串级控制系统的工程设计 FC进料进料塔底采出塔底采出12蒸汽蒸汽方案方案2：控制蒸汽流量恒定：控制蒸汽流量恒定TC进料进料塔底采出塔底采出12蒸汽蒸汽方案方案1：控制塔釜温度恒定：控制塔釜温度恒定目标：控制塔釜温度稳定目标：控制塔釜温度稳定方案方案1 1优点：将所有对温度的干扰都概括在控优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。制回路内。缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。度对象滞后较大，控制质量不理想。方案方案2 2优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温优点：能及时克服蒸汽压力的干扰

5、对温度的影响度的影响缺点：不能克服进料流量、物料温度等缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。其他因素对温度的影响。第六章 复杂控制系统蒸汽蒸汽TC进料进料塔底采出塔底采出12FC方案方案3：串级控制系统：串级控制系统 希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保持设定希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保持设定值，而当塔釜温度在外来干值，而当塔釜温度在外来干扰的作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，使塔釜温度保扰的作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，使塔釜温度保持在设定值上。持在设定值上。 第六章 复杂控制系统流量控流量控制器制器TC2执行器执行器 流量对象流量对象温

6、度温度T设定值设定值干扰干扰f1精馏塔控制系统方块图精馏塔控制系统方块图温度对象温度对象温度控温度控制器制器TC1+干扰干扰f2测量、变送测量、变送y1测量、变送测量、变送y2F副控副控制器制器执行器执行器 副对象副对象主变量主变量设定值设定值主干扰主干扰串级控制系统方块图串级控制系统方块图主对象主对象主控主控制器制器+副干扰副干扰主测量、变送主测量、变送副测量、变送副测量、变送副变量副变量副回路副回路主回路主回路常用的名词常用的名词主变量主变量副变量副变量主对象主对象副对象副对象主控制器主控制器副控制器副控制器主回路主回路 副回路副回路第六章 复杂控制系统 在串级控制系统中，由于引入一个闭合

7、的副回路，不仅能迅速克在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。

8、分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。 干扰作用于干扰作用于副副对象对象 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服蒸汽压力变化对以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服蒸汽压力变化对塔釜温度的影响塔釜温度的影响 干扰作用于干扰作用于主主对象对象 由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。的目的。 第六章 复杂控制系统(1) (1) 从从系统结构系统结构来看，串级控制系统有主、

9、副两个闭合回路；有来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。 在串级控制系统中，在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。动控制系统。(2) (2) 在串级控制系统中，有两主、副两个变量。主变量是反映产在串级控制系统中，有两主、副两个变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的在于使这品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。一变量等于工艺规定的给定值

10、。(3) (3) 从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。克服滞后，提高了控制质量。适用范围：适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。级控制系统。 第六章 复杂控制系统主变量的选择主变量的选择 与单回

11、路控制时被控变量的选择原则是一样的，能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。 副变量的选择副变量的选择 副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化 副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生“共振”。 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。 回路选择第六章 复杂控制系统 串级控制系统的目的是为了串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量。高精度地稳定主变量。 主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量主变量

12、是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，不允许有余差。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余差控制。以实现主变量的无余差控制。 在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目，设置副变量的目的就在于的就在于保证和提高主变量的控制质量。保证和提高主变量的控制质量。 副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控副变量的给定值是随主控制器输出变化而变

13、化的。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采用比例控制规律。此，副控制器一般采用比例控制规律。第六章 复杂控制系统稳定主变量 选择副回路控制器的正反作用选择副回路控制器的正反作用与简单控制系统中控制器与简单控制系统中控制器“正正”、“反反”作用的选择方式相同，先判断作用的选择方式相同，先判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的“正正”、“反反”作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确作用方式，并按照使副控制

14、回路成为一个负反馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。定副回路控制器的正反作用。 选择主回路控制器的正反作用选择主回路控制器的正反作用确定原则：确定原则：当主、副变量在增加当主、副变量在增加( (或减或减小小) )时，如果由工艺分析得出，为使主时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小、副变量减小( (或增加或增加) )，要求控制阀的，要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选动作方向是一致的，主控制器应选“反反”作用，反之，则应选作用，反之，则应选“正正”作用。作用。物料进物料进 物料出物料出 冷却器流量温度串级控制系统冷却器流量温度串级控制系统 第六章 复杂控制系统 两步整定法：先整定

15、副控制器，后整定主控制器两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器(1) 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在比例度先固定在100的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比副回路在满足某种衰减比(如如4：1)过渡过程下的副控制器比例度过渡过程下的副控制器比例度2S和操作和操作周期周期2S。(2) 在副控制器比例度等于在副控制器比例度等于2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比

16、下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1S。和操。和操作周期作周期1S 。(3) 根据上面得到的根据上面得到的1S、1S、2S、2S计算主、副控制器的比例度、积计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。分时间和微分时间。(4) 按按“先副后主先副后主”、“先比例次积分后微分先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的的整定方法，将计算出的控制器参数加到控制器上。控制器参数加到控制器上。(5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。第六章 复杂控制系统 一步整定法：即根据经验先将副控

17、制器一次放好，不再变动，然后按一步整定法：即根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。 采用一步整定法副控制器参数选择范围采用一步整定法副控制器参数选择范围副变量类型副变量类型副控制器比例度副控制器比例度2副控制器比例放大倍数副控制器比例放大倍数KP2温度温度20605.01.7压力压力30703.01.4流量流量40802.51.25液位液位20805.01.25一步整定法的整定步骤如下。一步整定法的整定步骤如下。(1)(1)在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据，将在生

18、产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。副控制器比例度调到某一适当的数值。(2)(2)利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。(3)(3)如果出现如果出现“共振共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。值，一般即能消除。第六章 复杂控制系统前馈控制系统的工程设计 测量、变送测量、变送设定值设定值控制器控制器执行器执行器干扰干扰对象对象干扰干扰对象对象测量、变送测量、变送执行器执行器控制器控制器反馈控制系统反馈

19、控制系统前馈控制系统前馈控制系统反馈控制方案反馈控制方案TC蒸汽凝液工艺介质cp, RF , T1T2HV, RV蒸汽凝液工艺介质cp, RF , T1T2HV, RVFFRF前馈控制方案前馈控制方案第六章 复杂控制系统D1Dn前馈控制器对象uyD D1 1，D Dn n为可测扰动；为可测扰动；u u，y y分别为分别为被控对象的操作变量与受控变量。被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想：在扰动还未影响输出以前，前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。受外部扰动的影响。GYD (s)d(t)GFF (s)GYC (

20、s)y(t)u(t)控制目标：控制目标：0)()()()()(sGsGsGsDsYYCFFYDd d ( (t t) )、u u ( (t t) )、y y ( (t t) ) 分别分别表示表示工艺介质流量（外部干扰）、工艺介质流量（外部干扰）、蒸汽流量（控制变量）与工艺蒸汽流量（控制变量）与工艺介质的出口温度（被控变量）；介质的出口温度（被控变量）；G GFFFF( (s s) )为前馈控制器的动态特为前馈控制器的动态特性；性；G GYDYD( (s s) )、G GYCYC( (s s) )分别为干扰分别为干扰通道与控制通道的的动态特性。通道与控制通道的的动态特性。第六章 复杂控制系统 前

21、馈控制比反馈控制前馈控制比反馈控制及时及时，并且不受系统滞后大小的限制。，并且不受系统滞后大小的限制。 前馈控制属于前馈控制属于开环开环控制控制 前馈控制规律与对象特性密切相关前馈控制规律与对象特性密切相关 一种前馈作用只能克服一种干扰一种前馈作用只能克服一种干扰 第六章 复杂控制系统 干扰幅值大而频繁干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。求的对象。 主要干扰是可测而不可控的变量主要干扰是可测而不可控的变量。所谓可测，是指干扰量可以用检测。所谓可测，是指干扰量可以用检测变送装置将其在线转化为标准的电信号。所谓不可控，主

22、要是指这些干变送装置将其在线转化为标准的电信号。所谓不可控，主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中扰难以通过设置单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，例负荷量等。例负荷量等。 当当对象的控制通道滞后大对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈或前馈前馈或前馈反馈控制系统，提高控制质量。反馈控制系统，提高控制质量。第六章 复杂控制系统连续精馏的多塔分离过程连续精馏的多塔

23、分离过程 对甲塔来说，塔釜液位是一个重要的工艺对甲塔来说，塔釜液位是一个重要的工艺参数，必须保持在一定范围之内，为此配备参数，必须保持在一定范围之内，为此配备了液位控制系统；了液位控制系统； 对乙塔来说，从自身平稳操作的要求出发，对乙塔来说，从自身平稳操作的要求出发，希望进料量稳定，所以设置了流量控制系统；希望进料量稳定，所以设置了流量控制系统； 这样，甲、乙两塔间的供求关系就出现了这样，甲、乙两塔间的供求关系就出现了矛盾。矛盾。 为解决这一前后工序供求矛盾，希望设计为解决这一前后工序供求矛盾，希望设计一种控制系统使液位与流量同时平稳；一种控制系统使液位与流量同时平稳；同时同时“均匀均匀”地变

24、化。地变化。第六章 复杂控制系统其它控制系统 1、表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的、表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。 2、前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动、前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。 1液位变化曲线液位变化曲线 2流量变化曲线流量变化曲线第六章 复杂控制系统均匀控制指的是均匀控制指的是控制功能控制功能，而不是控制方案。因为就系统的结，而不是控制方案。因为就系统的结构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要识别控制方案是否

25、起均匀控制作用，应从识别控制方案是否起均匀控制作用，应从控制的目的控制的目的进行确定。进行确定。 第六章 复杂控制系统LC塔甲塔乙单回路均匀控制系统LCh(t)qo(t)塔甲FC塔乙串级均匀控制系统第六章 复杂控制系统通过控制器通过控制器参数参数的设置，而不是改变控制系统的结构，来实现的设置，而不是改变控制系统的结构，来实现前后两个变量间的相互协调的。前后两个变量间的相互协调的。参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。在允许的范围内作缓慢的变化。控制器参数一般都采用纯比例作用，且控制器比例度放的很大

26、，控制器参数一般都采用纯比例作用，且控制器比例度放的很大，以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允许范围，才引入适当的积分作用。许范围，才引入适当的积分作用。 第六章 复杂控制系统比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产能安全、正常的进行。实现两个或两个以上参数符合一定比例能安全、正常的进行。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为关系的控制系统，称为比值控制系统比值控制系统。通常为流量比值控制。通常为流量比值控制。 在需要保持比值关系的两种物料

27、中，必有一种物料处于主导地在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，成为主物料、主动量、位，成为主物料、主动量、主流量主流量，用，用Q1Q1表示；而另一种物料表示；而另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为从物料、从动量、从物料、从动量、副流量副流量，用，用Q2Q2表示；表示；副流量副流量Q Q2 2与主流量与主流量Q Q1 1的比值关系为的比值关系为 Q Q2 2KQKQ1 1 式中式中K K为副流量与主流量的流量比值系数。为副流量与主流量的流量比值系数。 第六章 复杂控制系统控制器控制器执行器执行

28、器对象对象测量、变送测量、变送给定给定Q2Q1开环比值控制系统方块图开环比值控制系统方块图 主、副流量均开环；主、副流量均开环；由于系统开环，该方案对副流量由于系统开环，该方案对副流量Q2Q2无克服干扰的能力，只适用无克服干扰的能力，只适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。于副流量较平稳且比值要求不高的场合。第六章 复杂控制系统控制器控制器F2C执行器执行器对象对象副测量、变送副测量、变送控制器控制器F1C给定给定主测量、变送主测量、变送Q1Q2单闭环比值控制系统方块图单闭环比值控制系统方块图 副流量闭环控制主流量开环控制适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合 第六章 复杂控制系统给定给定

29、K对象对象主流量控制器主流量控制器执行器执行器主测量、变送主测量、变送对象对象副流量控制器副流量控制器执行器执行器副测量、变送副测量、变送Q1Q2双闭环比值控制系统方块图双闭环比值控制系统方块图 主、副流量均闭环控制；主、副流量均闭环控制；该系统既实现了比较精确的流量比值控制，又确保了两物料总该系统既实现了比较精确的流量比值控制，又确保了两物料总量的基本不变量的基本不变主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺工艺 上经常需要提降负荷的场合。上经常需要提降负荷的场合。第六章 复杂控制系统Q2Q1喷射泵喷射泵 触媒层触媒层 变

30、换炉变换炉 蒸汽蒸汽 煤气煤气 要求主、副流量的比值能跟随第三变量的需要而加以调整；存在问题：Q2回路存在非线性，Q1流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。比值控制器比值控制器执行器执行器副流量对副流量对象象Q2测量、变送测量、变送温度控制器温度控制器给定给定主测量、变送主测量、变送Q1测量、变送测量、变送除法器除法器主对象主对象（变换炉）（变换炉）Q1Q2变比值控制系统方块图变比值控制系统方块图K=Q2/Q1 第六章 复杂控制系统自适应控制自适应控制-能适应被控过程参数(或环境条件)的变化，自动修正控制器参数(控制算法)以补偿被控过程特性变化的一种控制。调节器参数整定调节器参数整定-系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。