1、PID控制器参数整定谢磊浙江大学智能系统与控制研究所 PID（比例-积分-微分）控制器n 理论PID 控制器n 工业 PID 控制器（如何构造其仿真模型？）11( )11dccdidT sG sKTTssAAd 为微分增益, 通常Ad = 10 。单回路PID控制系统应用问题对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何选择PID控制器形式，并整定PID控制器参数 ?内 容nPID控制器类型的选择n控制器参数整定的一般方法 n流量控制回路的PID参数整定方法n液位均匀控制系统的PID参数整定 n积分饱和与防止 nSummary PID控制器类型选择*1: 对于某些具有较长时间常数的慢过程，建议引入微
2、分作用。但若存在较大的测量噪声，需要对测量信号进行一阶滤波或平均滤波分析上述选择原因 ?被控过程控制器类型温度 / 成份PID*1流量 / 压力 /液位PI部分液位PPID参数整定的概念基于过程特性参数K, T,的离线参数整定法n步骤 1：将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式（此时控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。n步骤 2：由阶跃响应数据估计特性参数 K, T,。n步骤 3：按经验公式设定 PID参数 Kc、Ti、Td，并将控制器切换至“自动”模式。n步骤 4：根据系统闭环响应情况，增大或减少控制器增益Kc直至满意为止
3、。01020304050607080901005456586062%Controller Output01020304050607080901006668707274767880%Transmitter Output离线整定仿真举例步骤 1：阶跃响应测试01020304050607080901006668707274767880%minTransmitter Output步骤 2：获取过程参数0632. 0TTtOOOttT283. 0632. 05 . 1,%,%finalinitialfinalinitialTOTOTOKCOCOCO步骤 3：获取初始PID参数(Ziegler-Nicho
4、ls 方法)控制器类型KcTiTdP0PI0PID1TK 0.9TK 1.2TK 3.332.00.5注意：上述整定规则仅限于0T取值步骤 3：获取初始PID参数(Lambda 整定法)控制器KcTiTdP0PIT0PIDT/21TK 1TK 1TK 00.2注意：上述整定规则不受/T 取值的限制0501001505959.56060.56161.56262.563Time, min%Output of TransmitterZiegler-Nichols methodLambda tuning methodset point仿真举例 #1广义对象特性参数：K = 1.75T = 6.5,=
5、3.3 min若采用 PI 控制器，Z-N 法：Kc = 1.0, Ti = 11 minLambda 法：Kc = 0.56, Ti = 6.5 min0501001502005959.56060.56161.56262.563Time, min%Output of TransmitterZ-N tuningLambda tuningset point仿真举例 #2广义对象特性参数：K = 1.75T = 6.5,= 6.3 min若采用 PI 控制器，Z-N 法：Kc = 0.53, Ti = 20.8 minLambda 法：Kc = 0.30, Ti = 6.5 minPID参数在线整
6、定法n步骤 1：将在线闭环运行的控制器，完全去除积分作用与微分作用（Ti =最大值，Td = 0）成为纯比例控制器，并设置较小的 Kc 值。n步骤 2：施加小幅度的设定值或扰动变化， 并观察CV的响应曲线。n步骤 3：若CV 的响应未达到等幅振荡，则增大Kc（减少比例带 PB）；若CV 响应为发散振荡，则减少Kc。重复步骤 2。n步骤 4：重复步骤 3，直至产生等幅振荡。01020304050585960616263646566Time, min%Output of Transmitterset point Kc = 0.5 Kc = 1 Kc = 2 Kc = 4 Kc = 3.5 Tu T
7、i = 6000 min, Td = 0 min 在线整定仿真举例在线整定准则：Ziegler-Nichols 法控制器KcTiTdP0.5KcuPI0.45KcuTu /1.2PID0.65KcuTu /2Tu /8由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益 Kcu与临界振荡周期 Tu，并按下表得到正常工作下的控制器参数。0204060801005960616263%Output of Transmitter020406080100406080100Time, min%Output of Controllerset point Inlet temp. drops 5 Cent. Kcu
8、 = 3.4, Tu = 11 min PID: Kc = 2.2, Ti = 5.5 min, Td = 1.4 min 在线整定仿真举例01020304050585960616263646566Time, min%Output of Transmitterset point Kc = 0.5 Kc = 1 Kc = 2 Kc = 4 Kc = 3.5 Tu Ti = 6000 min, Td = 0 min 在线整定法的局限性分析未知过程的PID参数整定举例流量回路的动态特性n动态响应的快速性n纯滞后时间接近零，即从理论上讲控制器增益可无限大n测量噪声大n为减少控制阀的频繁波动，宜采用PI
9、控制器，而且控制增益应小、而积分作用应大（即接近纯积分控制器）（为什么？）流量回路的控制参数选择00)(1)()(udeTteKtutiCTi 整定原则： Ti = 0.10min 或 Ti = 0.05minKc 整定原则： 控制增益可人工调整，但对于设定值的阶跃变化，实际流量不应出现超调。.0204060801004550556065%Output of Transmitter0204060801000204060Time, min%Output of ControllerKc = 4, Ti =2 minKc = 1, Ti = 0.5 min流量回路整定仿真举例请比较控制器的比例增益与
10、积分增益分析下列液位控制问题的不同点 液位回路的动态特性n不少液位对象为非自衡的积分过程，无法进行阶跃响应测试。n当进料流量变化为主要扰动时，对于液位控制回路，可能存在两种不同的控制目标 (1) 常规液位控制，也称“紧液位控制”；(2) 液位均匀控制，也称“平均液位控制”常规液位控制n控制目标是使液位与其设定值的偏差尽可能小，而对MV（如输出流量）的波动无限制。n假设该液位过程为自衡过程，则可采用阶跃响应获取K、T、，并可采用常规的参数整定法n假设该液位过程为非自衡过程，常采用PI控制器，而且控制增益大、积分作用弱（即接近纯比例控制器）（为什么？）液位均匀控制n控制目标是使操作变量（如储罐输出
11、流量）尽可能平缓，以减少对下游装置的干扰，而允许贮罐液位在上下限之间波动。n液位均匀控制常采用比例控制器（在实际应用中，可采用PI控制器，并选择积分时间足够大，以减少积分作用）。n比例增益的整定原则：比例增益应尽可能小，只要液位的波动幅度不超过允许的上下限（对于可能的大幅度输入流量干扰）。液位控制仿真举例液位均匀控制系统的分析假设被控过程的动态方程为其中 A 为储罐的截面积。假设液位变送器LT 41与控制阀满足 )()()(0tFtFdttdhAi)()(0tuKtFV,)()(maxhthty液位均匀控制系统的分析（续）对于某一纯比例控制器, Gc = Kc, 111)()(maxmaxma
12、xsKKAhsAhKKsAhKKsFsFVCVCVCio11111)()(maxmaxmaxsKKAhKKsAhKKsAhsFsyVCVCVCi试分析上述模型参数对动态特性的响应纯比例液位均匀控制的仿真010203040506070809010099.51010.511m3/hrFin, Fout01020304050607080901004648505254time, min%Ysp, YmKc = -0.5 Fin Kc = -2.0 PID控制器的积分饱和问题积分饱和问题的由来单回路PID控制器的积分饱和现象讨论以下现象：（1）控制器的积分饱和现象（2）控制阀全开或全关020406080
13、1001201401601802005560657075Ym, Ysp020406080100120140160180200-15-10-505D02040608010012014016018020050100150Uc, Up单回路控制的抗积分饱和原理原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。maxmaxmaxminminmin)(,)(),()(,)(utuifuutuuiftuutuifutuccccp0204060801001201401601802005560657075%Ysp, Ym020406080100120140160180200050100150%time,
14、minUc, Up抗积分饱和仿真举例工业单回路PID控制器PID1PID2小结nPID控制器类型的选择n控制器参数整定的一般方法 n流量控制回路的PID参数整定方法n液位均匀控制系统的PID参数整定 n单回路控制的积分饱和现象及其防止 问题讨论n对于某一动态特性未知但开环稳定的温度控制系统如何整定PID控制器参数（离线或在线方式）？n试用Simulink仿真模型，近似实现工业PID控制器的外部特性 ？n对于快速的流量控制回路，请给出PID参数的整定原则，并解释原因。n对于液位均匀控制回路，它与一般的液位控制有何区别？请给出PID参数的整定原则，并解释原因。n试描述单回路控制系统的积分饱和现象，
15、解释其产生的原因，并给出相应的防积分饱和方案。习题3-1n打开附件压缩文件中ProcessModel.mdl文件，通过阶跃测试方法获取广义一阶加纯滞后被控对象的模型参数，分别通过ZN法和lambda法整定PID参数。习题3-2n打开附件压缩文件中AverageLevelLoop.mdl文件，通过调整控制器增益Kc大小，观察液位Level变量和输出流量Fo的波动变化情况，并回答以下问题：(1)改变Kc能够改变Fo的波动范围么？为什么说均匀控制能够减少Fi的变化对Fo的影响？(注意仿真里加入的Fi的干扰是正弦信号)。(2)假设液位允许变化的范围是4555,为了充分利用液位的缓冲能力，减少Fi对Fo的影响，控制器增益Kc应如何选择？为什么？仿真作业3-1n 使用Simulink搭建一个工业工业PID控制器，注意PID输出应加上过程稳态工作点，并且包含抗积分饱和环节。n利用你开发的PID控制器和ZN法镇定的参数，控制ProcessModel.mdl中的对象，并观察闭环系统的阶跃响应。
