運(yùn)動(dòng)控制中工作對(duì)象不確定時(shí),參數(shù)的自整定方法介紹資料下載
2021-04-15 |
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資料介紹
在過(guò)程控制中,按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),適用面廣,控制參數(shù)相互獨(dú)立,參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn);而且在理論上可以證明,對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象──“一階滯后 純滯后”與“二階滯后 純滯后”的控制對(duì)象,PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法,它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便,結(jié)構(gòu)改變靈活(PI、PD、…)。
PID是閉環(huán)控制算法
因此要實(shí)現(xiàn)PID算法,必須在硬件上具有閉環(huán)控制,就是得有反饋。比如控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,就得有一個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器,并將結(jié)果反饋到控制路線上,下面也將以轉(zhuǎn)速控制為例。
PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法
但并不是必須同時(shí)具備這三種算法,也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前對(duì)于閉環(huán)控制的一個(gè)最樸素的想法就只有P控制,將當(dāng)前結(jié)果反饋回來(lái),再與目標(biāo)相減,為正的話,就減速,為負(fù)的話就加速?,F(xiàn)在知道這只是最簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制算法。
PID控制器結(jié)構(gòu)
PID控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖
對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成一種控制規(guī)律?!袄闷?,糾正偏差”。
模擬PID控制器結(jié)構(gòu)圖
PID控制器的輸入輸出關(guān)系為:
比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法各有作用
比例,反應(yīng)系統(tǒng)的基本(當(dāng)前)偏差e(t),系數(shù)大,可以加快調(diào)節(jié),減小誤差,但過(guò)大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定;
積分,反應(yīng)系統(tǒng)的累計(jì)偏差,使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無(wú)差度,因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無(wú)誤差;
微分,反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率e(t)-e(t-1),具有預(yù)見性,能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì),產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除,因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分對(duì)噪聲干擾有放大作用,加強(qiáng)微分對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。 積分和微分都不能單獨(dú)起作用,必須與比例控制配合。
控制器的P,I,D項(xiàng)選擇
下面將常用的各種控制規(guī)律的控制特點(diǎn)簡(jiǎn)單歸納一下:
(1)、比例控制規(guī)律P:采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動(dòng)的影響,它的作用于輸出值較快,但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值,不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響,但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場(chǎng)合。如:金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、熱水池水位控制;油泵房中間油罐油位控制等。
(2)、比例積分控制規(guī)律(PI):在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差,它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合。如:在主線窯頭重油換向室中F1401到F1419號(hào)槍的重油流量控制系統(tǒng);油泵房供油管流量控制系統(tǒng);退火窯各區(qū)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。
(3)、比例微分控制規(guī)律(PD):微分具有超前作用,對(duì)于具有容量滯后的控制通道,引入微分參與控制,在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下,對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),有著顯著效果。因此,對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合,為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如:加熱型溫度控制、成分控制。需要說(shuō)明一點(diǎn),對(duì)于那些純滯后較大的區(qū)域里,微分項(xiàng)是無(wú)能為力,而在測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性振動(dòng)的系統(tǒng),則也不宜采用微分控制。如:大窯玻璃液位的控制。
(4)、例積分微分控制規(guī)律(PID):PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律,它在比例的基礎(chǔ)上引入積分,可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合。如溫度控制、成分控制等。
鑒于D規(guī)律的作用,我們還必須了解時(shí)間滯后的概念,時(shí)間滯后包括容量滯后與純滯后。其中容量滯后通常又包括:測(cè)量滯后和傳送滯后。測(cè)量滯后是檢測(cè)元件在檢測(cè)時(shí)需要建立一種平衡,如熱電偶、熱電阻、壓力等響應(yīng)較慢產(chǎn)生的一種滯后。而傳送滯后則是在傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備產(chǎn)生的一種控制滯后。純滯后是相對(duì)與測(cè)量滯后的,在工業(yè)上,大多的純滯后是由于物料傳輸所致,如:大窯玻璃液位,在投料機(jī)動(dòng)作到核子液位儀檢測(cè)需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間。
總之,控制規(guī)律的選用要根據(jù)過(guò)程特性和工藝要求來(lái)選取,決不是說(shuō)PID控制規(guī)律在任何情況下都具有較好的控制性能,不分場(chǎng)合都采用是不明智的。如果這樣做,只會(huì)給其它工作增加復(fù)雜性,并給參數(shù)整定帶來(lái)困難。當(dāng)采用PID控制器還達(dá)不到工藝要求,則需要考慮其它的控制方案。如串級(jí)控制、前饋控制、大滯后控制等。
Kp,Ti,Td三個(gè)參數(shù)的設(shè)定是PID控制算法的關(guān)鍵問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)編程時(shí)只能設(shè)定他們的大概數(shù)值,并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)反復(fù)調(diào)試來(lái)確定最佳值。因此調(diào)試階段程序須得能隨時(shí)修改和記憶這三個(gè)參數(shù)。
數(shù)字PID控制器
(1)模擬PID控制規(guī)律的離散化
(2)數(shù)字PID控制器的差分方程
參數(shù)的自整定
在某些應(yīng)用場(chǎng)合,比如通用儀表行業(yè),系統(tǒng)的工作對(duì)象是不確定的,不同的對(duì)象就得采用不同的參數(shù)值,沒法為用戶設(shè)定參數(shù),就引入?yún)?shù)自整定的概念。實(shí)質(zhì)就是在首次使用時(shí),通過(guò)N次測(cè)量為新的工作對(duì)象尋找一套參數(shù),并記憶下來(lái)作為以后工作的依據(jù)。具體的整定方法有三種:臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)法。
1、臨界比例度法(Ziegler-Nichols)
1.1 在純比例作用下,逐漸增加增益至產(chǎn)生等副震蕩,根據(jù)臨界增益和臨界周期參數(shù)得出PID控制器參數(shù),步驟如下:
(1)將純比例控制器接入到閉環(huán)控制系統(tǒng)中(設(shè)置控制器參數(shù)積分時(shí)間常數(shù)Ti =∞,實(shí)際微分時(shí)間常數(shù)Td =0)。
(2)控制器比例增益K設(shè)置為最小,加入階躍擾動(dòng)(一般是改變控制器的給定值),觀察被調(diào)量的階躍響應(yīng)曲線。
(3)由小到大改變比例增益K,直到閉環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。
(4)系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)等幅振蕩時(shí),此時(shí)的增益為臨界增益(Ku),振蕩周期(波峰間的時(shí)間)為臨界周期(Tu)。
(5) 由表1得出PID控制器參數(shù)。
1.2 采用臨界比例度法整定時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(1)在采用這種方法獲取等幅振蕩曲線時(shí),應(yīng)使控制系統(tǒng)工作在線性區(qū),不要使控制閥出現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài),否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是“極限循環(huán)”,從線性系統(tǒng)概念上說(shuō)系統(tǒng)早已處于發(fā)散振蕩了。
(2)由于被控對(duì)象特性的不同,按上表求得的控制器參數(shù)不一定都能獲得滿意的結(jié)果。對(duì)于無(wú)自平衡特性的對(duì)象,用臨界比例度法求得的控制器參數(shù)往住使系統(tǒng)響應(yīng)的衰減率偏大(ψ>0.75 )。而對(duì)于有自平衡特性的高階等容對(duì)象,用此法整定控制器參數(shù)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)衰減率大多偏?。é祝?.75 )。為此,上述求得的控制器參數(shù),應(yīng)針對(duì)具體系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行在線校正。
(3) 臨界比例度法適用于臨界振幅不大、振蕩周期較長(zhǎng)的過(guò)程控制系統(tǒng),但有些系統(tǒng)從安全性考慮不允許進(jìn)行穩(wěn)定邊界試驗(yàn),如鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。還有某些時(shí)間常數(shù)較大的單容對(duì)象,用純比例控制時(shí)系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的,對(duì)于這些系統(tǒng)也是無(wú)法用臨界比例度法來(lái)進(jìn)行參數(shù)整定的。
(4)只適用于二階以上的高階對(duì)象,或一階加純滯后的對(duì)象,否則,在純比例控制情況下,系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩。
1.3 若求出被控對(duì)象的靜態(tài)放大倍數(shù)KP=△y/△u ,則增益乘積KpKu可視為系統(tǒng)的最大開環(huán)增益。通常認(rèn)為Ziegler-Nichols閉環(huán)試驗(yàn)整定法的適用范圍為:
(1) 當(dāng)KpKu > 20時(shí),應(yīng)采用更為復(fù)雜的控制算法,以求較好的調(diào)節(jié)效果。
(2)當(dāng)KpKu
(3)當(dāng)1.5
(4)當(dāng)KpKu
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