浙大工业过程控制-2.控制系统性能指标与PID控制律.ppt

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1、2023/9/12,工业过程控制,PID 反馈控制器(PID Feedback Controllers),戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所,2023/9/12,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。,2023/9/12,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”

2、及物理意义。,2023/9/12,工业过程控制,温度控制系统方块图1,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。,2023/9/12,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。,2023/9/12,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。,2023/9/12,工业过程控制,广义对象的阶跃响应测试,“广义对象”的输入：u，输出为T

3、m。若机理建模有难度，就可采用常用的响应测试法.,2023/9/12,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,。,2023/9/12,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。,2023/9/12,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。,2023/9/12,工业过程控制,仿真系统SimuLink的使用入门,假设控制输入u(

4、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。,2023/9/12,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。,2023/9/12,工业过程控制,控制器的“正反作用”选择问题,问题：如何构成一个负反馈控制系统？,2023/9/12,工业过程控制,控制器

5、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。,2023/9/12,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,结论：该

6、控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.,2023/9/12,工业过程控制,控制器的作用方向选择：回路判别法,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。,2023/9/12,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？,2023/9/12,工业过程控制,控制系统常用的性能指标,稳态余差：,衰减比：,振荡周期T，调节时间 ts.,上升时间 tr,峰值时间 tp.,2023/9/12,工业过程控制,纯比例控

7、制器,控制器增益 Kc或比例度对系统性能的影响：增益 Kc 的增大（或比例度下降），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）；,仿真结果参见./Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl,2023/9/12,工业过程控制,比例增益对控制性能的影响,2023/9/12,工业过程控制,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。,仿真结果参见./Simulation/PIDControl/PILoop.mdl,2023

8、/9/12,工业过程控制,积分作用对控制性能的影响,2023/9/12,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。,2023/9/12,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？,2023/9/12,工业过程控制,实际的比例积分微分控制器,其中Ad 为微分增益,SimuLink 结构:,2023/9/12,

9、工业过程控制,PID控制系统仿真举例,仿真结果参见./Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl,2023/9/12,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。,2023/9/12,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？,