《常规控制策略》PPT课件.ppt

1,控制器是硬件和软件的结合体，从硬件上来说，过程控制中最常用控制器有：可编程控制器（PLC）数字调节器（Digital Regulator)工控机（IPC）集散控制系统（DCS）从软件上体现的是各种过程控制策略。,2,过程控制策略,开关（ON/OFF）控制PID控制PID控制算法、数字PID算法PID改进算法复杂过程控制串级控制、前馈控制、解耦控制等先进过程控制（APC）预测控制、智能控制等,3,第五讲 常规控制策略,5.1 开关控制5.2 PID控制算法P、I、D调节原理PID调节规律5.3 数字式PID算法5.4 PID算法整定5.5 PID改进算法5.6 简单过程控制系统设计,4,5.1 开关控制（ON/OFF）,指通过执行器（如电磁阀）的全开或全关实现过程控制。适用于对被控量没有严格要求的场合，如要求被控量在一定范围内即可。如采用电磁阀控制液位系统，防止溢出或抽空。,5,5.1 开关控制,虽然过程控制系统主要控制一些连续变化的参量（温度、压力、流量、液位等），但在实施控制时，涉及更多的变量往往是开关量，诸如启停、联锁、切换等等。实践表明，过程控制中连续变量与开关量的点数比约在1:10以上。PLC在进行开关量输入/输出控制时具有明显优势。,6,5.1 开关控制,（一）PLC的特点PLC最基本功能是DI/O控制，中高档PLC普遍带有AI/O功能。当今PLC已成为一个集逻辑控制、调节控制、网络通讯和图形监视于一体的综合自动化系统。PLC在过程控制中约占控制器总量的80%以上，其广泛应用的最根本原因在于它的可靠性和编程方式。,7,（一）PLC的特点,1、PLC的可靠性PLC的最大特点即是其高可靠性，基本免维护。适合于工业极其恶劣的生产场合，如振动、噪声、粉尘、强电磁干扰等场合。PLC输入/输出一般都采用光电隔离及滤波整形电路；内配开关电源，允许电源波动范围宽；CPU冗余设计等。,8,2、PLC的编程方式,PLC最基本的编程方式为梯形图（LAD）编程。使用最广，适用于电气自动化人员。中高档PLC一般还提供：状态列表（STL）编程，适用于软件专业人员；功能块流程（FBD）编程，适用于电子专业人员。中高档PLC一般采用子程序调用结构，适用于大型复杂编程。,9,一个实际的PLC程序结构西门子（SIEMENS）S7-300系列PLC程序结构；OB1为主程序，多级程序调用。如OB1-FC9-FC15-SFC58(SFC59),10,一个实际的PLC通讯结构两台PLC各带多个远程I/O；PLC通过各自通讯模块与上位机（操作站）通讯；两台PLC之间通过总线通讯。,11,（二）国际著名PLC供应商,PLC产品以国外产品为主，主要面向中高档PLC的供应商有：SIEMENS；GE；ABB；AB；MODICON；CITECT。主要面向中低档PLC的供应商有：OMRON；MITSUBISHI；FUJI。国内市场占有率以SIEMENS最高，S7-200、S7-300、S7-400、LOGO!等。,12,5.2 PID控制算法,PIDP比例（proportional）I 积分（integral）D微分（derivative）历史最久、生命力最强的控制算法,13,5.2.1 PID概述,（一）反馈控制,PID,14,（二）PID控制系统结构,15,（三）PID的特点,PID控制的优点原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强；控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。对模型依赖少。PID是过程控制中应用最广泛的控制规律，占控制规律总数的95%以上。对相当多的工业对象（一阶、二阶）均获得了满意的控制结果。,16,5.2.2 PID调节原理,（一）比例调节原理1、基本原理控制器的输出信号u与偏差信号e成比例，即：式中 称为比例增益，为比例带。,17,（一）比例调节原理,2、比例带为表示控制器输入和输出之间的比例关系，在过程控制中习惯用比例带来代替比例增益：式中 emax emin 偏差信号范围，即仪表量程；umax umin 控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范围。,18,（一）比例调节原理,2、比例带的物理意义（1）如果u代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变100%，即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。（2）当被调量处在”比例带”以内，调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。（3）超出这个“比例带”以外，调节阀已处于全关或全开的状态，控制器的输入与输出已不再保持比例关系。,19,（一）比例调节原理,3、比例调节的阶跃响应P调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。输出u实际上是对其起始值（平衡点）的增量。u0的大小是可以通过调整控制器的工作点加以改变的。,u0,20,（一）比例调节原理,4、比例调节的特点（1）比例调节的输出量与输入量呈一一对应的比例关系。（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。（3）比例调节是有差调节。,21,（一）比例调节原理,5、比例带对调节过程的影响,22,（一）比例调节原理,6、仿真示例,23,（二）积分调节原理,1、基本原理控制器输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，或者说控制器的输出与偏差信号的积分成正比，即：或：,24,（二）积分调节原理,2、积分调节的阶跃响应控制器输出不仅与偏差信号的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。只要偏差存在，控制器输出就会不断变化，直到偏差为零控制器输出才稳定下来不再变化。所以积分调节作用能自动消除余差。注意：I调节的输出不像P调节那样随偏差为零而变到零。,25,（二）积分调节原理,3、积分速度对调节过程的影响采用I调节时，控制系统的开环增益与积分速度So成正比。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度。,26,（二）积分调节原理,4、积分调节的特点积分调节是无差调节积分调节的稳定性比比例调节差调节过程的进行总比采用 P调节时缓慢,27,（二）积分调节原理,5、仿真示例,28,（三）微分调节原理,1、基本原理控制器的输出u与被调量或其偏差e对于时间的导数成正比，即,29,（三）微分调节原理,2、微分调节的阶跃响应微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，由微分控制器给出的控制作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。,30,（三）微分调节原理,3、微分调节的特点P和I是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作(即偏差的方向和大小进行调节)。微分调节是根据偏差信号的微分，即偏差变化的速度而动作的。只要偏差一露头,控制器就立即动作，以求更好的调节效果偏差没有变化,微分调节不起作用。微分调节主要用于克服调节对象有较大滞后，起超前调节作用。,31,（三）微分调节原理,4、几点注意微分调节不能消除余差。微分调节只对偏差的变化做出反应，而与偏差的大小无关。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。单纯的微分控制器也是不能工作的。实际的控制器都有一定的失灵区，若调节误差的变化速度缓慢，以至于控制器不能察觉，纯微分控制器将不会动作，此时调节误差会不断累积却得不到校正。,32,（三）微分调节原理,5、仿真示例,33,5.2.3 PID控制算法,（一）PI调节规律1、PI调节规律,式中：为比例带，可视情况取正值或负值；Ti为积分时间。,34,（一）PI调节规律,2、PI调节过程分析,0,u0,负荷变化前（tt0）被控系统稳定，控制偏差为零，控制器输出保持某恒定值。,35,（一）PI调节规律,2、PI调节过程分析,t=t0时刻，系统负荷发生阶跃变化,P调节立即响应偏差变化，产生正的跃变，I调节则从零开始累计偏差。此后，在PI的共同作用下，调节的总输出持续增加。,36,（一）PI调节规律,2、PI调节过程分析,t=t1 时刻，系统开始响应，控制偏差开始减小，P调节紧跟着减小，I调节因偏差仍存在且方向不变，继续增加PI调节的综合结果u也仍持续增大使控制偏差进一步减小,37,（一）PI调节规律,2、PI调节过程分析,t=t2时刻，偏差减小至零,P调节作用彻底消失，I调节也停止增长如果积分时间足够小，此时控制器的输出将大于所要求的值，致使系统产生反向偏差，也即超调。,38,（一）PI调节规律,2、PI调节过程分析,t2t3阶段，偏差反向，P调节作用反向，I调节作用也由增加变为减小，PI调节的整体作用表现为减小，直至从超调位置下降到系统要求的作用点，即图中的 t=t3点处，此时偏差从超调处回落到零，系统达到新的平衡。,39,（一）PI调节规律,3、PI调节规律的特点PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。PI调节是在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能。,对于一般调节对象，均可用比例积分调节，比例带和积分时间选择合适，基本可以满足生产工艺要求。,40,（二）PD调节规律,1、PD调节规律,式中:为比例带，可视情况取正值或负值；TD为微分时间。,41,（二）PD调节规律,1、PD调节规律PD控制器的传递函数应为但上式控制器在物理上是不能实现的。工业上实际采用的 PD控制器的传递函数是,42,（二）PD调节规律,2、PD调节规律的特点PD调节也是有差调节，与P调节相同。具有提高控制系统稳定性的作用。因微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡。适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带，同时保持衰减率不变。在PD调节中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅助调节作用。PD控制器的抗干扰能力很差。,43,（三）PID调节规律,1、PID调节规律为,44,（三）PID调节规律,2、PID调节的单位阶跃响应,1 P2 I3 PI4 PD5 PID,45,（四）Matlab仿真示例,1、系统模型,46,（四）Matlab仿真示例,2、Matlab仿真模型,47,（四）Matlab仿真示例,3、PI作用,引入积分，消除了余差Ti小，响应速度加快，超调大，系统振荡加剧,48,（四）Matlab仿真示例,3、PI作用,在同样积分常数Ti下，减小比例增益Kp可减小超调，增加系统的稳定性,49,（四）Matlab仿真示例,4、PD作用,引入微分项，提高了响应速度，增加了系统的稳定性但不能消除系统的余差,50,（四）Matlab仿真示例,5、PID作用,PD基础上I作用的引入消除了余差，达到了理想的多项性能指标要求：超调、上升时间、调节时间、余差等,51,5.3 数字PID控制算法,5.3.1 位置式数字PID算法,52,5.3 数字PID算法,5.3.2 增量式数字PID算法,53,5.3 数字PID算法,5.3.3 两种数字PID算法比较、从执行器形式来看，位置算法的输出需经过数模（D/A）转换电路，转变为模拟量，并经保持电路输出。,54,5.3 数字PID算法,5.3.3 两种数字PID算法比较、增量算法的输出可采用脉冲式输出，通过步进电机等具有零阶保持特性的累积机构实施控制。,55,5.3 数字PID算法,5.3.3 两种数字PID算法比较、从软件编程上看，增量算式中不需要累加运算，增量只与最近几次采样值有关，编程方便。、增量算式不累加误差，计算精度对控制量的计算影响较小；、得出的是控制量的增量，误动作影响小；、增量型算法不对偏差做累加，因而也不易引起积分饱和；、易实现手动到自动的无扰切换。,56,5.3 数字PID算法,5.3.4 采样时间的确定采样周期应远小于过程的扰动信号的周期。在执行器的响应速度比较慢时，过小的采样周期将失去意义，因此可适当选大一点。在计算机运算速度允许的条件下，采样周期短，则控制品质好。当过程的纯滞后时间较长时，一般选取采样周期为纯滞后时间的1/41/8。,57,5.4 PID算法整定,正是由于不同的PID参数对控制品质有不同的影响，所以要求在系统投运后必须进行控制器参数的整定（tuning）工作。整定工作是一项漫长细致的工作，有时时间很长。整定的实质是通过改变控制器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。,58,5.4.1 PID算法整定原则,1、根据系统稳定运行准则，对于系统开环总增益（）来讲，当系统运行正常后，如果增大了，则 应减少相同倍数；反之亦然。2、值越大，控制系统越不易稳定。这时，应减小，以保证系统的稳定裕度。3、P、I、D三者中，P作用是最基本的控制作用。一般先按纯比例进行整定，然后适当引入积分和微分。,59,5.4.1 PID算法整定原则,4、应尽量发挥积分作用来消除余差。一般可取。引入积分作用后，应比纯P时减小约10%。5、微分作用的引入是为了解决高阶对象的过渡滞后对控制品质的不利影响。多数情况下，一般取，引入微分后，应比纯P时增加约10%。,60,5.4.1 PID算法整定原则,6、对含有高频噪声的过程，不宜引入微分，否则，高频分量将被过度放大，对控制不利。7、稳定性是控制系统品质指标的前提条件。通常可取衰减比作为稳定性指标。对于定值控制系统常取衰减比4:1；随动控制系统，常取10:1。,61,5.4.2 PID算法整定方法,整定控制器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法：理论计算整定法有衰减频率特性法、根轨迹法等；工程整定法有现场试凑法、稳定边界法和衰减曲线法等。,62,5.4.2 PID算法整定方法,（一）工程整定法特点工程整定不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定，特点：方法简单实用；计算简便；易于工程应用。,63,（二）现场试凑法,按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序：置控制器积分时间=，微分时间=0，在比例带 按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，整定比例带。求得满意的4:1过渡过程曲线。引入积分作用（此时应将上述比例带 加大1.2倍），将 由大到小进行整定。若需引入微分作用时，则将 按经验值或按=（1/21/4）设置，并由小到大加入。,64,（二）现场试凑法,参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例带盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例带盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢，微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低 4 比1 一看二调多分析，调节质量不会低,65,（三）动态特性参数法,若广义被控对象的阶跃响应可近似为：则做实验得对象参数：再根据ZN整定公式求取PID参数：,66,（四）稳定边界法,在闭环控制系统里，将控制器置于纯比例作用下（=，=0），从大到小逐渐改变控制器的比例带，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例带称为临界比例带，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期。据此确定控制器参数。,67,（四）稳定边界法,根据 和 值，采用经验公式，计算出控制器各个参数。,68,（四）稳定边界法,几点注意：应使系统工作在线性区，否则得到的持续振荡曲线可能是极限环，不能依此来计算整定参数。有的过程控制系统，临界比例度很小，系统接近开关控制，调节阀不是全关就是全开，对生产不利。有的过程控制系统，当控制器比例度调到最小刻度值时，系统仍不产生等幅振荡，对此，就把最小刻度的比例度作为临界比例度进行控制器参数整定。对于不允许进行稳定边界试验的系统，或者某些时间常数较大的单容对象，采用纯比例控制时系统本质稳定，则无法用稳定边界法来进行参数整定的。,69,（五）衰减曲线法,在闭环控制系统里，将控制器置于纯比例作用下（=，=0），从大到小逐渐改变控制器的比例带，直到出现4:1衰减过程曲线。此时的比例带称为4:1衰减比例带，两个相邻波峰时间间隔，称为4:1衰减振荡周期。,70,（五）衰减曲线法,根据 和 值，采用经验公式，计算出控制器各个参数（衰减率为0.75）。,71,（五）衰减曲线法,几点注意：反应较快的控制系统，要认定4：1衰减曲线和读出Ts比较困难，此时，可用记录指针来回摆动两次就达到稳定作为4：1衰减过程。在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定控制器参数值。若认为4：1衰减太慢，宜应用10：1衰减过程。对于10：1衰减曲线法整定控制器参数的步骤与上述完全相同，仅仅采用计算公式有些不同。,72,5.5 PID改进算法,当系统波动范围大、变化迅速和存在较大的扰动时，基本的PID控制效果往往不能满足控制的要求。因此，对PID控制算法进行改进一直是控制界研究的课题，下面介绍几种常用的改进形式。,73,（一）带死区的PID算法,只要测量值与给定值的差值在死区范围内，控制器输出保持不变：当 当 如调节阀控制中，可防止振荡，减小机械磨损，延长设备寿命。,74,（二）积分项改进的PID算法,1、积分作用PID控制控制中，积分的作用是消除余差，提高控制精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，从而造成PID运算的积分积累，使系统产生大的超调或长时间振荡，这在生产中是绝对不允许的。在偏差长期存在的条件下，积分作用将使控制器输出不断增加或减小，直到极限值。,75,（二）积分项改进的PID算法,2、积分饱和作用,76,（二）积分项改进的PID算法,3、积分分离技术基本思想：e 给定限值时，改用纯P调节算法：其中：N为逻辑判断系数，满足N=0，e（k）M；N=1，e（k）M。M 预先设定的门限值。应用：生产设备启动阶段的控制。,77,（二）积分项改进的PID算法,4、削弱积分作用技术（1）梯形积分常规PID算法，如果测量值发生跳变，积分项改变较大：为防止输出较大跳变，采用梯形积分法。可将矩形积分改为梯形积分：,78,（二）积分项改进的PID算法,4、削弱积分作用技术（2）遇限削弱积分法当控制输出进入饱和区时采用削弱积分项的算法，停止积分项的增大：若，则只累加负偏差；若，则只累加正偏差。,79,80,（三）改进微分作用的PID算法,1、微分作用在PID控制中，微分项根据偏差变化的趋势及时施加作用，从而有效地抑制偏差增长，减小系统输出的超凋，克服减弱振荡，加快动态过程。但是微分作用对高频干扰非常灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。,81,（三）改进微分作用的PID算法,2、微分先行技术基本原理：只对输出量进行微分，而对给定量不起微分作用。应用：给定值频繁变化的场合，如随动系统，可以避免指令的改变导致超调过大。,82,（三）改进微分作用的PID算法,3、不完全微分技术基本原理：在PID算法中加入一个一阶惯性环节。,83,5.6 简单过程控制系统设计,5.6.1 过程控制系统设计步骤（1）根据工艺要求和控制目标确定系统变量（2）确定控制方案（3）选择硬件设备（4）选择控制算法，进行控制器设计（5）设计报警、联锁保护系统（6）系统的调试及投运（）系统的维护,84,5.6.1 过程控制系统设计步骤,（一）控制规律的选择P：适用于干扰变化幅度小，对象滞后较小，控制质量要求不高，且系统允许有一定范围余差的场合；PI：适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合；PD：适用于被控对象容量较大的场合。对于信号有噪声或周期性干扰的系统不能采用微分作用；PID：适用于负荷变化和对象容量滞后都较大、纯滞后不太大且控制质量要求又较高的场合。,85,5.6.1 过程控制系统设计步骤,（二）控制器正反作用的选择选择原则：闭环回路必须形成负反馈。正反作用方向，是指输入变化后，输出的变化方向当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输入量增加时，输出减小，则称该环节为“反作用”方向。测量变送环节的作用方向一般都是“正”方向。,86,5.6.1 过程控制系统设计步骤,（二）控制器正反作用的选择控制器正反作用确定步骤1、被控对象：由工艺机理确定。2、执行器：由工艺安全条件选定，故障时应保证设备和操作人员的安全。3、测量变送环节：可不考虑。4、控制器：若广义对象为正作用，则控制器选择反作用方向；若广义对象为反作用，则控制器选择正作用方向。,87,5.6.1 过程控制系统设计步骤,（二）控制器正反作用的选择例1：调节阀正作用，则LC作用方向？调节阀正作用，则LC反作用；反之，调节阀反作用，则LC正作用。例2：调节阀正作用，则LC作用方向？调节阀正作用，则LC正作用；反之，调节阀反作用，则LC反作用。,88,5.6.1 过程控制系统设计步骤,（三）系统投运在控制系统方案设计、工程设计、仪表安装与调校结束后，系统可投入生产运行。在系统投运之前，必须对构成系统的各种仪器仪表、联接管线、供电、供气等情况进行全面准备和检查。必须做到无扰动切换。就是说，从手动到自动的过程中，不应造成系统的扰动，不应该破坏系统原有的平衡。,89,5.6.2 单回路控制系统设计举例,磨矿工艺中，每个球磨系列由摆式给矿机下矿，经集矿皮带和给矿皮带送入球磨机；以前由人工观察给矿量，靠调整下矿口或起停给矿机来控制矿量，给矿量波动往往较大，难以稳定。为稳定入磨矿量，需设计球磨给矿自动控制系统。,90,5.6.2 单回路控制系统设计举例,大型球磨机,91,5.6.2 单回路控制系统设计举例,摆式给矿机,92,5.6.2 单回路控制系统设计举例,单回路系统？或其它系统？干扰量？静态和动态指标要求？仪表选型？控制器选型？控制规律（算法）确定？,93,5.6.2 单回路控制系统设计举例,被控参数：给矿量；控制参数：下矿口开度？给矿机频率？测量仪表：皮带秤（电子式？放射源式？）测量仪表安装位置：（集矿皮带？给矿皮带？）执行器：开度控制器（推杆）？变频器？,94,5.6.2 单回路控制系统设计举例,采用单回路控制系统；在给矿皮带上安装电子皮带秤，根据皮带秤检测的矿量对给矿机进行变频调节；控制器选用西门子S7-300PLC；控制算法采用PI控制。,95,5.6.2 单回路控制系统设计举例,西门子电子皮带秤,96,5.6.2 单回路控制系统设计举例,施耐德变频器,97,5.6.2 单回路控制系统设计举例,西门子S7-300 PLC,98,5.6.2 单回路控制系统设计举例,给矿量控制原理图,99,5.6.2 单回路控制系统设计举例,给矿量控制方框图,100,5.6.2 单回路控制系统设计举例,投运步骤：1.电子皮带秤标定及投入使用；2.手动调节变频器频率，观察手动控制效果；3.在稳定运行一段时间后投入到自动；4.记录运行数据，整定控制器参数，直至满意。,101,单回路控制系统存在的问题,若容器内温度动态过程变化较大，有何解决办法？,102,本讲小结,5.1 开关控制5.2 PID控制算法P、I、D作用，PI、PD、PID算法5.3 数字式PID算法5.4 PID算法整定5.5 PID改进算法5.6 简单过程控制系统设计,103,作 业,P95：2.3、2.5、2.8P98：3.5、3.12P100：4.6,