浙大工業(yè)過程控制-2.控制系統(tǒng)性能指標(biāo)與PID控制律.ppt

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2019/12/13,工業(yè)過程控制,PID反饋控制器(PIDFeedbackControllers),戴連奎浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所,2019/12/13,工業(yè)過程控制,上一講內(nèi)容回顧,了解典型工業(yè)過程的動態(tài)特性類型；掌握簡單被控過程的機(jī)理建模方法；掌握調(diào)節(jié)閥“氣開、氣關(guān)”形式與流量特性的選擇原則；掌握“廣義對象”概念及其動態(tài)特性的典型測試方法。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,習(xí)題2-4討論,對于如圖所示的加熱爐溫度控制系統(tǒng)，試(1)指出該系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、擾動變量與控制目標(biāo);(2)畫出該系統(tǒng)的方塊圖；(3)選擇控制閥的“氣開-氣關(guān)”形式;(4)指出該控制系統(tǒng)的“廣義對象”及物理意義。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,溫度控制系統(tǒng)方塊圖1,特點：各環(huán)節(jié)均用實際儀表、設(shè)備或裝置來表示，被控對象用受控設(shè)備來表示，不反映操縱變量、干擾對被控變量的影響關(guān)系。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,溫度控制系統(tǒng)方塊圖2,特點：采用傳遞函數(shù)與環(huán)節(jié)名稱混合表示，對象用被控過程的動態(tài)特性來表示。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,溫度控制系統(tǒng)方塊圖3,特點：對象用被控過程的動態(tài)特性來表示，其中除控制通道外，所有干擾對被控變量的影響只用一個輸出擾動來近似。當(dāng)然，各環(huán)節(jié)可以只用傳遞函數(shù)來表示。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,廣義對象的階躍響應(yīng)測試,“廣義對象”的輸入：u，輸出為Tm。若機(jī)理建模有難度，就可采用常用的響應(yīng)測試法.,2019/12/13,工業(yè)過程控制,對象特性的階躍響應(yīng)測試,假設(shè)溫度測量變送器的量程為200~400℃,對象特性可用以下一階+純滯后來表示,試確定其Kp,Tp,τ。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,對象特性參數(shù)的確定,假設(shè)溫度測量變送器的量程為200~400℃。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,本講基本要求,掌握仿真系統(tǒng)SimuLink的使用方法;掌握單回路控制器“正反作用”的選擇原則；掌握單回路控制系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)；掌握PID控制律的意義及與控制性能的關(guān)系。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,仿真系統(tǒng)SimuLink的使用入門,假設(shè)控制輸入u(t)與干擾輸入d(t)均為階躍信號，要求顯示輸入對被控變量y(t)及其測量z(t)的動態(tài)響應(yīng)。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,仿真系統(tǒng)SimuLink的使用技巧,熟悉與掌握系統(tǒng)所提供的SimuLink常用模塊，如輸入信號、輸出顯示、傳遞函數(shù)模塊、常用數(shù)學(xué)函數(shù)等；掌握SimuLink運行數(shù)據(jù)與Matlab數(shù)據(jù)平臺的聯(lián)結(jié)，以及Matlab常用的作圖方法；掌握子系統(tǒng)的封裝技術(shù)（包括外觀設(shè)計、參數(shù)設(shè)置、注釋等）；掌握自定義模塊的運行機(jī)制、設(shè)計方法與封裝技術(shù)。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,控制器的“正反作用”選擇問題,問題：如何構(gòu)成一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)？,2019/12/13,工業(yè)過程控制,控制器的“正反作用”選擇,定義：當(dāng)被控變量的測量值增大時，控制器的輸出也增大，則該控制器為“正作用”；否則，當(dāng)測量值增大時，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。選擇要點：使控制回路成為“負(fù)反饋”系統(tǒng)。選擇方法為：（1）假設(shè)檢驗法，先假設(shè)控制器的作用方向，再檢查控制回路能否成為“負(fù)反饋”系統(tǒng)；（2）回路判別法，先畫出控制系統(tǒng)的方塊圖，并確定回路除控制器外的各環(huán)節(jié)作用方向，再確定控制器的正反作用。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,控制器的作用方向選擇：假設(shè)檢驗法,根據(jù)控制閥的“氣開氣關(guān)”的選擇原則，該閥應(yīng)選“氣開閥”，即：u↑→Rf↑.(Why?)假設(shè)溫度控制器為正作用，即：Tm↑→u↑；則,結(jié)論：該控制器的作用方向不能為正作用，而應(yīng)為反作用.,2019/12/13,工業(yè)過程控制,控制器的作用方向選擇：回路判別法,,回路判別法的要點：（1）反饋回路中負(fù)增益環(huán)節(jié)（包括比較器）數(shù)為奇數(shù)；（2）對控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,控制系統(tǒng)的性能評價,仿真程序見../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl討論：如何評價或比較不同控制系統(tǒng)的性能？,2019/12/13,工業(yè)過程控制,控制系統(tǒng)常用的性能指標(biāo),穩(wěn)態(tài)余差：,衰減比：,振蕩周期T，調(diào)節(jié)時間ts.,上升時間tr,峰值時間tp.,2019/12/13,工業(yè)過程控制,純比例控制器,控制器增益Kc或比例度δ對系統(tǒng)性能的影響：增益Kc的增大（或比例度δ下降），使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，但穩(wěn)定性下降（當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，調(diào)節(jié)頻率提高、最大偏差下降）；,仿真結(jié)果參見../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl,2019/12/13,工業(yè)過程控制,比例增益對控制性能的影響,2019/12/13,工業(yè)過程控制,比例積分控制器,積分時間Ti對系統(tǒng)性能的影響引入積分作用的根本目的是為了消除穩(wěn)態(tài)余差，但使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。當(dāng)積分作用過強(qiáng)時（即Ti過?。赡苁箍刂葡到y(tǒng)不穩(wěn)定。,仿真結(jié)果參見../Simulation/PIDControl/PILoop.mdl,2019/12/13,工業(yè)過程控制,積分作用對控制性能的影響,2019/12/13,工業(yè)過程控制,理想的比例積分微分控制器,微分時間Td對系統(tǒng)性能的影響微分作用的增強(qiáng)（即Td增大），從理論上講使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，但高頻噪聲起放大作用。對于測量噪聲較大的對象，需要引入測量信號的平滑濾波；而微分作用主要適合于特性一階滯后較大的廣義對象，如溫度、成份等。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,微分作用對控制性能的影響,問題：控制作用的變化過大，對噪聲敏感，如何克服？,2019/12/13,工業(yè)過程控制,實際的比例積分微分控制器,其中Ad為微分增益,SimuLink結(jié)構(gòu):,2019/12/13,工業(yè)過程控制,PID控制系統(tǒng)仿真舉例,仿真結(jié)果參見../Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl,2019/12/13,工業(yè)過程控制,結(jié)論,討論仿真系統(tǒng)SimuLink的使用方法;介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；描述了單回路系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)；通過仿真討論了PID控制律的意義及與控制性能的關(guān)系。,2019/12/13,工業(yè)過程控制,思考題,對于一般的自衡過程，分析采用純比例控制器存在穩(wěn)態(tài)余差的原因；引入積分作用可消除穩(wěn)態(tài)余差的原因分析，以及為什么引入積分作用會降低閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？引入微分作用可提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但為什么實際工業(yè)過程中應(yīng)用并不多？如何確定PID參數(shù)？,