新型PID控制及其应用_第六讲新型PID控制器及其发展

Zieg ler- N icho ls 整定方法相比, 这种算法更具 有通用性。
(4) 无干扰影响的整定方式 许多工业过程都存在干扰和噪声, 参数整 定过程应消除干扰和噪声的影响。 东芝公司的整定方式由于采用了观测数据 的统计处理, 以及将对象动特性作为数据系列 模型进行识别的方法, 所以不容易受到干扰的 影响。又由于调节器具有产生识别信号的功能, 只要将微弱的识别信号加到系统上就可以提高 过程动特性的识别精度。所以, 本调节器的整定 受外部干扰的影响可以做到很小。 (5) 短时间的快速整定 本整定方式可以利用瞬时特性一次完成最 佳参数整定, 整定所需的时间极短。 21212 组成 TO SD IC - 211D 8 的基本 构 成 如 图 2—2 所示, 主要由进行控制运算的 2 自由度 P ID 运 算单元和实现自整定功能的诸单元 (动特性识 别单元、传递函数变换单元、控制参数确定单元 以及识别信号发生单元) 等构成。
另外, 由于计算机的应用技术的发展, 控制 还要有一定的阻尼作用 (衰减) , 为此加入一个
偏差和操作输出量的增量之积的积分值为最小
的控制方法得以实用化。 该控制器自整定方式
利用了这个评价方法, 开发了以传递函数为基
础的求取对象特性的方法, 并与特性面积做了
换算。
假定控制偏差 g (t) 的拉普拉斯变换是由 下式给出:
图 2—3 调节偏差 e (t) 对时间的响应特性
示给定值和负荷阶跃变化时调节偏差的响应特
性。 其中, 偏差 e (t) 按一定周期作衰减振荡。 自整定过程中的超调量 (Ρ)、阻尼系数 (Φ)
和振荡周期 T P 的定义如下:
超调量 Ρ= E 2 E 1
(2—4)
阻尼系数 Ν= (E 3- E 2) (E 2- E 1) (2—5)
S T = K ( 2 T j + Σ)A j= 1
K=B A
n
e- ΣS T ·S 0 (1+ T jS ) j= 1 n
S T = T o T · ( 2 T j + Σ+ T o 2)A j= 1
K= B A To
比例增益 特性值
特性面积 (S )
n
T 及 ( 2 T j + Σ) 之比 j= 1
验峰 2 的过程, 然后是寻找峰 3 (E 3) , 检验峰 3。 这些峰值就代表超调量 Ρ、阻尼系数 Ν和振荡 周期 T p 的大小。 把这些参数引进自整定算法 软件包, 按照预先设计的程序进行运算, 就可得 了 P ID 调节器的整定参数, 从而完成了一次自 整定过程。
当第一个峰值 E 1 出现后, 寻找第二个峰值 时, 若在最大等待时间内, 第 2 个峰值始终没有
图 2—2 TO SD IC 2 自由度 P ID 自整定方式的基本构成
2 自由度 P ID 参数的确定采用了北森教授 (东京大学) 提出的部分模型匹配法, 并加以一 定的扩展。 在确定控制器参数时尽量使控制系 统的闭环特性与参考模型相一致。 213 FO XBO RO - Exact 自整定 P ID 调节器
图 2—1 自整定系统框图 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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工业仪表与自动化装置 1998 年第 3 期
出现, 这说明系统为过阻尼状态, 自整定算法软 件包确认为过阻尼状态后, 立即停止寻找峰值
图 2—4 自校正算法操作框图
2 和 3, 转向处理程序, 并计算出过阻尼状态下 的新参数。
在正常情况下, 给定值与测量值十分接近, 自整定算法参数修正计算软件包处于静止状 态。当过程出现扰动、偏差超过噪声频带两倍的 预定阀值时, 算式启动, 自整定过程开始, 检测 被控过程输出信号的变化, 等待其峰值的出现。
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器 TO SD IC 是东芝公司开发的分散型控制系
统, 其调节器用 2 自由度控制方式。 21211 特点 (1) 2 自由度控制方式 为进一步提高设备运行效率, 要求控制系
统中的各种调节器应具有抑制干扰和跟踪给定 值的性能。 但对于一般的 P ID 控制系统来说, 给定值跟踪的最佳控制参数与干扰控制的最佳 控制参数之间存在差异, 实际系统中同时满足 两种要求的参数调整也是很困难的。
在 M ICR EX 的实际运算中, 根据表 2—1
仍然太小则不宜进行自整定。
的响应曲线特性面积计算自整定的特性值。
在自动整定中, 最佳 P ID 控制参数是由特
表 2—1 特性面积法自整定的特性值
有自衡系统
无自衡系统
传递函数 特性面积 增 益
n
K e- ΣS 0 (1+ T jS ) j= 1 n
L [ g (t) ]= N (S ) M (S )(2—1)来自控制偏差的平方率面积为:
∫∞
J = o g ( t) 2d t
(2—2)
加权函数:
∫∞
J = 0 {eΒtg ( t) }2d t
(2—3)
应用这个评价函数时, 要求阶跃响应 g ( t) 的衰
减系数应大于 Β。 该 Β 值的设定如果是采用与
这种专家系统智能自整定调节器可以按照 用户对过程控制系统品质的要求, 自动整定 P ID 调节器的参数, 可省去对被控对象做阶跃 扰动试验来确定传递函数的步骤, 既节省了系 统的投入时间, 又提高了系统运行的经济性和 安全可靠性。
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FO XBO RO 公司 I A S DCS 系统中 采 用
EXA CT 专家系统智能自整定 P ID 调节器, 它 将波形分析法与人工智能的专家思想结合起 来。 当调节回路的给定值或负荷 (干扰) 发生变 化时, 以调节偏差对时间的响应特性作为调节 品质的性能指标, 作出要不要修改现行 P ID 调 节器参数的判断。 图 2—3a 和图 2—3b 分别表
2 典型产品介绍
据有关资料统计, 目前智能自整定调节器 种类达到 50 多种, 由于篇幅有限, 本讲着重介 绍三个公司典型产品的基本原理和特点。 211 富士M ICREX 智能控制器 富士M ICR EX 智能控制器采用东京大学 研究开发的一种新方法进行参数自整定。 自整 定系统框图如图 2—1 所示, 它是一种开环整定 方法。
振荡周期 T P = t3- t1
检测峰值的具体操作框图如图 2—4 所示。
我们把等待第一峰值出现的过程称为寻找峰 1 (E 1) , 一旦峰值 E 1 出现, 自整定计算软件包就 贮存该峰值的大小, 并启动计时器开始记录振 荡周期 T p。我们把被控过程输出信号的第一个 峰出现后到第二个峰出现前的过程称为检验峰 1。在检验峰 1 过程中进一步验证第一个峰是否 为真正的峰值 E 1, 若结果为是, 则储存此峰值, 并立即进入下一步寻找峰 2; 若如果为否, 也就 是在这个过程中又有新的更大极值出现, 那么 新的极值将代替第一个峰值, 然后再进入检验 峰 2 的过程。步骤与寻找峰 1 相同, 接着进入检
自整定控制器出现于 70 年代初期。早期采 用以最小二乘法为基础的过程辩识器确定过程 模型参数, 利用最小方差控制算法实现自整定
控制。 80 年代初, 美国 Foxbo ro 公司推出了 EXA CT 自整定控制器, 开始用专家系统方法 表征回路动态特性, 近几年, 人工神经网络的研 究和应用迅速发展, 人们已经可以采用神经网 络方法表征系统的输入 输出特性。神经网络通 过接收一系列输入信号和传送出输出信号, 建 立起输入 输出关系模型, 反映系统的因果关 系, 能响应新的输入, 产生新的输出。 由于神经 网络技术为控制复杂无规则系统开辟了新途 径, 国外已经在注意研究它在多变量控制和自 适应控制等方面的应用。
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工业仪表与自动化装置 1998 年第 3 期
(a) 给定值阶跃变化 (b) 负荷阶跃变化
为了进行自整定, 控制器置于手动状态, 同 性面积直接求取的, 与过程的识别没有关系, 只
时给阀门一个脉冲变化, 然后观测响应。所加脉 需求取响应曲线的特性面积, 然后就直接求出
冲的幅值一般为 10% , 如果对象的变化很小, P ID 参数的最佳值。
则可增大幅值, 最大不得超过 40%。 如果 40%
性面积之间的换算来得到, 这些方法与临界灵
这种方法得到的最佳值, 其反馈增益一般
敏度法的关系, 则应根据传递函数算出临界灵 都很高。 考虑到特性面积的计算误差和过程的
敏度和临界振荡周期, 并求出相应传递函数的 非线性, 求得的最佳值不仅应满足偏差平方面
特性面积。
积最小, 而且要有一定的增益余量和相位余量,
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新型 P ID 控制及其应用
第六讲 新型 P ID 控制器及其发展
葛芦生 陶永华
华东冶金学院 马鞍山: 243002
1 引言
前面几讲已将新型 P ID 控制的基本原理 作了较全面论述, 只有将其产品化, 才能将这些 新方法、新理论应用于实际工业过程。随着计算 机技术的飞速发展, 为新型控制器实施提供了 客观条件。目前基于 P ID 参数自整定技术新型 控制器研制十分活跃, 国内外厂家尤其是国外 几大著名自动化公司均开发了基于微机技术的 智能自整定 P ID 控制器。自整定 P ID 控制器依 据被控过程特性自动分析结果, 选择合适的整 定参数。这种方法一般涉及到系统输入 输出关 系的隐式或显式模型。 它以过程数据采集为基 础, 或由有经验的操作人员提供信息, 或二者兼 而有之。 基本自整定控制器只是自动完成操作 人员在调整某个回路时必须完成的人工整定程 序。 比较高级的自整定控制器则能根据正常回 路操作期间收集的数据, 在线修改其 P ID 参 数, 以便随时保持最优性能。