PPT《流量、液位回路PID抗积分饱和》

流量、液位回路PID抗积分饱和 张建明浙江大学智能系统与控制研究所 课堂测试 控制器TC25的正反作用?并说明过程.

选择哪种控制作用?图示为针对反应器采用继电器型PID自整定方法得到的曲线,试确定PID控制器的参数. 双液位对象特性 物料平衡方程: 流体运动方程: 物料平衡方程: 流体运动方程: 双液位对象特性 双液位对象特性 无振荡的自衡过程 控制系统"广义对象"的概念 "广义对象"包括控制回路中除控制器外的每一部分.它反映了控制器输出对CV测量输出的影响. 特点:(1)使控制系统的设计与分析简化;

2)广义对象的输入输出通常可测量,以便于 测试其动态特性;

3)只关心某些特定的输入输出变量. 广义对象的描述 可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象: 阶跃响应测试法1 对象的近似模型: 对应参数见左图,而增益为: 阶跃响应测试法2 对象的近似模型: PID参数整定 经验法具体整定参数原则见 p.58 表3-2闭环整定法(在线整定,Z-N法)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p.58 表3-3得到正常工作下的控制器参数.开环整定法(离线整定法)根据单位阶跃响应曲线求取"广义对象"的近似模型与模型参数,再按p.60 表3-4或表3-5计算;

Z-N法(表3-4)Lambda 法(表3-5) 开环整定法(Ziegler-Nichols 法) 控制器类型 Kc Ti Td P ∞

0 PI

0 PID 注意:上述整定规则仅限于 取值 开环整定法(Lambda 法) 控制器 Kc Ti Td P PI T PID T τ/2 注意:上述整定规则不受τ/T 取值的限制 双液位系统的串级控制 串级PID参数的整定方法#1 设置主控制器至"手动"方式,参照单回路整定方式整定副控制器PID参数.具体步骤讨论? 串级PID参数的整定方法 #2 将副控制器切换至"自动" ,并以阶跃方式手动改变主控制器的输出(即副控制器的设定值),记录主回路"广义对象"的输出输出数据;

并获取主对象对应的动态特性参数. 串级PID参数的整定方法 #3 参照单回路动态响应方法整定主控制器PID参数,并将主控制器切换至"自动".结合主控制器给定值阶跃响应,适当调整主控制器增益,直至满意. 内容流量控制回路的PID参数整定方法液位均匀控制系统的PID参数整定 积分饱和与防止 串级控制系统的防积分饱和措施 流量回路的动态特性 动态响应的快速性纯滞后时间接近零,即从理论上讲控制器增益可无限大测量噪声大为减少控制阀的频繁波动,宜采用PI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 Ti 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.. 流量回路整定仿真举例 请比较控制器的比例增益与积分增益 分析下列液位控制问题的不同点 液位回路的动态特性 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.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 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.假设该液位过程为自衡过程,则可采用阶跃响应获取K、T、τ,并可采用常规的参数整定法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?) 液位控制仿真举例 液位均匀控制 控制目标是使操作变量(如储罐输出流量)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.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).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 液位均匀控制系统的分析(续) 对于某一纯比例控制器, Gc = -Kc, 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 积分饱和问题的由来 若工艺介质温度过低,或工艺介质流量过大,或蒸汽量供应不足,导致控制阀即使全开,也难以保证换热温度达到其设定值.此时,分析PID控制器输出信号的变化情况. PID控制器的积分饱和问题 积分饱和的实质当调节能力不足时,控制器内部状态超出正常工作范围.而当主要干扰消除后,控制器内部状态首先需要返回至正常工作范围,然后控制器才真正开始起调节作用. 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 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. 抗积分饱和仿真举例 单回路系统的防积分饱和 可以吗? 工业单回路PID控制器 PID1 PID2 串级PID系统的积分饱和问题 问题:当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时,在限位参数不一致的情形下,同样存在发生"积分饱和"的可能性. Why?How? 加热炉出口温度串级控制方案 串级控制方案 单回路控制方案 炉出口温度串级控制系统 炉出口温度串级控制系统仿真模型1 建立相应的SimuLink模型,并讨论参数整定问题 炉出口温度串级与单回路控制仿真结果比较 炉出口温度串级控制系统仿真模型2 为揭示串级控制的积分饱和现象,待加热的工艺介质进料温度发生了较大的变化 仅采用单回路抗积分饱和措施的仿真结果 串级控制系统的防积分饱和 炉出口温度串级控制系统仿真模型3 采用串级控制的抗积分饱和措施的仿真结果 小结 流量控制回路的PID参数整定方法液位均匀控制系统的PID参数整定 单回路控制的积分饱和现象及其防止串级控制系统的防积分饱和措施 问题讨论 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)?试用Simulink仿真模型,近似实现工业PID控制器的外部特性 ?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.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.试描述单回路、串级控制系统的积分饱和现象,解释其产生的原因,并给出相应的防积分饱和方案.