力控的策略控制器PID算法介紹及應用
2002/4/1 18:03:00
力控的策略控制器可以方便地實施多種控制算法,在這里我們以PID為例介紹如何在力控中組建一個PID控制系統。
多年以來,在過程控制中,按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的PID控制器(亦稱PID調節器)是應用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單,易于實現,適用面廣,控制參數相互獨立,參數的選定比較簡單等優點;而且在理論上可以證明,對于過程控制的典型對象──“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象,PID控制器是一種最優控制。PID調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法,它的參數整定方式簡便,結構改變靈活(PI、PD、…)。長期以來被廣大科學技術人員及現場操作人員所采用,并積累了大量的經驗。
連續系統PID調節器為對誤差的比例、積分和微分控制,即

或

式中:Ti、Td分別為積分和微分時間常數;Kp、Ki、Kd分別為比例系數、積分系數、微分系數。在計算機控制系統中使用的是PID數字調節器,就是對式(1)離散化 ,令

式中,T是采樣周期。由式(1)與式(3)可得

式(4)稱為位置式PID控制算法。
由于位置式算法輸出在計算過程中容易產生積分飽和作用,導致控制器的響應速度變慢,而且由于積分的累積作用,在手動和自動切換時,很難做到無擾動切換。因此,人們又提出一種新的控制算法,PID增量式控制算法:

在力控的策略控制器中采用的是增量式算法,但是輸出采用位置式輸出。即把上次輸出加上本次計算的增量輸出即得到本次的位置式輸出。
PID控制回路有三種方式,手動,自動和串級,在手動狀態下,PID控制回路相當于手動調節器。在自動狀態下,PID控制回路完成PID算法,設定值由操作站給定,在串級狀態,設定值由主回路的輸出給定。當回路處于手動狀態下時,設定值具有自動跟蹤測量值功能,以便從手動切換到自動狀態時,切換時是無擾動的;當回路處自動狀態時,主回路的輸出自動跟蹤副回路的設定,以便當下一級控制回路從自動切換到串級時,切換時是無擾動的。
其實現過程如下:
1)如果是緊急狀態,則進入安全態處理。不執行以下步驟。
2)如果存在副回路,并且副回路不處于串級狀態,則該回路:
a),如果副回路是手動狀態,則該回路進入手動狀態,并且輸出跟蹤副回路的設定值;
b),如果副回路是自動狀態,輸出跟蹤副回路的設定值。
不執行以下步驟。
3)如果該回路是手動狀態,則直接輸出,不執行以下步驟;
4)檢查輸入和設定值是否超限,如果超限,進行超限處理;
5)則計算偏差。檢查是否有偏差死區,如果有,則處理偏差死區;
6)計算PID的控制輸出;
7)判斷輸出和變化率是否超限,如果超限則進行處理。
在力控的策略控制器中,很容易就可以實現一個PID回路。先進入力控的策略控制器組態環境Strategy Builder,如果沒有主策略,這時會提示建立一個主策略,如果已經存在一個主策略,則打開該策略(或打開其它的子策略)。在左側的導航器中選擇工具\控制算法\PID控制器,然后在右邊的工作區點擊鼠標,就可以畫出一個PID控制塊。選中該塊,可以改變其參數,如點名、比例、積分、微分等各種參數。再選擇輸入輸出變量,輸入變量可以是力控實時數據庫中的變量,也可以是策略控制器中的I/O點。在本例中,我們用實時數據庫中的點來實現。如同畫PID控制塊一樣,選擇工具\變量\數據庫輸入變量(數據庫輸出變量)畫出兩個數據庫變量引用塊。然后在屬性中選擇輸入輸出的變量。在輸入變量aaa.pv的輸出管腳上雙擊,再在PID控制塊的PV管腳上雙擊,這樣就在兩者之間形成了一條線,這表示把aaa.pv的值作為PID控制塊的測量值。同樣把PID控制塊的輸出連接到aaa1.pv上。如下圖所示:

然后,從菜單中選擇編譯和運行中選擇編譯當前工程,然后,運行當前工程,就可以實施PID控制了。
PID參數的選擇:
數字PID調節器參數的整定可以仿照模擬PID調節器參數整定的各種方法,根據工藝對控制性能的要求,決定調節器的參數。這里就各個參數對系統性能的影響簡單加以說明。
①比例系數P對系統性能的影響:比例系數加大,使系統的動作靈敏,速度加快,穩態誤差減?。籔偏大,振蕩次數加多,調節時間加長;P太大時,系統會趨于不穩定;P太小,又會使系統的動作緩慢。P可以選負數,這主要是由執行機構、傳感器以及控制對象的特性決定的。如果P的符號選擇不當對象測量值就會離控制目標的設定值越來越遠,如果出現這樣的情況P的符號就一定要取反。同時要注意的是,力控的策略控制器的PID控制塊的P參數是PID控制中的增益。
②積分控制I對系統性能的影響:積分作用使系統的穩定性下降,I?。ǚe分作用強)會使系統不穩定,但能消除穩態誤差,提高系統的控制精度。
③微分控制D對系統性能的影響:微分作用可以改善動態特性,D偏大時,超調量較大,調節時間較短;D偏小時,超調量也較大,調節時間也較長;只有D合適,才能使超調量較小,減短調節時間。
多年以來,在過程控制中,按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的PID控制器(亦稱PID調節器)是應用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單,易于實現,適用面廣,控制參數相互獨立,參數的選定比較簡單等優點;而且在理論上可以證明,對于過程控制的典型對象──“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象,PID控制器是一種最優控制。PID調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法,它的參數整定方式簡便,結構改變靈活(PI、PD、…)。長期以來被廣大科學技術人員及現場操作人員所采用,并積累了大量的經驗。
連續系統PID調節器為對誤差的比例、積分和微分控制,即

或

式中:Ti、Td分別為積分和微分時間常數;Kp、Ki、Kd分別為比例系數、積分系數、微分系數。在計算機控制系統中使用的是PID數字調節器,就是對式(1)離散化 ,令

式中,T是采樣周期。由式(1)與式(3)可得

式(4)稱為位置式PID控制算法。
由于位置式算法輸出在計算過程中容易產生積分飽和作用,導致控制器的響應速度變慢,而且由于積分的累積作用,在手動和自動切換時,很難做到無擾動切換。因此,人們又提出一種新的控制算法,PID增量式控制算法:

在力控的策略控制器中采用的是增量式算法,但是輸出采用位置式輸出。即把上次輸出加上本次計算的增量輸出即得到本次的位置式輸出。
PID控制回路有三種方式,手動,自動和串級,在手動狀態下,PID控制回路相當于手動調節器。在自動狀態下,PID控制回路完成PID算法,設定值由操作站給定,在串級狀態,設定值由主回路的輸出給定。當回路處于手動狀態下時,設定值具有自動跟蹤測量值功能,以便從手動切換到自動狀態時,切換時是無擾動的;當回路處自動狀態時,主回路的輸出自動跟蹤副回路的設定,以便當下一級控制回路從自動切換到串級時,切換時是無擾動的。
其實現過程如下:
1)如果是緊急狀態,則進入安全態處理。不執行以下步驟。
2)如果存在副回路,并且副回路不處于串級狀態,則該回路:
a),如果副回路是手動狀態,則該回路進入手動狀態,并且輸出跟蹤副回路的設定值;
b),如果副回路是自動狀態,輸出跟蹤副回路的設定值。
不執行以下步驟。
3)如果該回路是手動狀態,則直接輸出,不執行以下步驟;
4)檢查輸入和設定值是否超限,如果超限,進行超限處理;
5)則計算偏差。檢查是否有偏差死區,如果有,則處理偏差死區;
6)計算PID的控制輸出;
7)判斷輸出和變化率是否超限,如果超限則進行處理。
在力控的策略控制器中,很容易就可以實現一個PID回路。先進入力控的策略控制器組態環境Strategy Builder,如果沒有主策略,這時會提示建立一個主策略,如果已經存在一個主策略,則打開該策略(或打開其它的子策略)。在左側的導航器中選擇工具\控制算法\PID控制器,然后在右邊的工作區點擊鼠標,就可以畫出一個PID控制塊。選中該塊,可以改變其參數,如點名、比例、積分、微分等各種參數。再選擇輸入輸出變量,輸入變量可以是力控實時數據庫中的變量,也可以是策略控制器中的I/O點。在本例中,我們用實時數據庫中的點來實現。如同畫PID控制塊一樣,選擇工具\變量\數據庫輸入變量(數據庫輸出變量)畫出兩個數據庫變量引用塊。然后在屬性中選擇輸入輸出的變量。在輸入變量aaa.pv的輸出管腳上雙擊,再在PID控制塊的PV管腳上雙擊,這樣就在兩者之間形成了一條線,這表示把aaa.pv的值作為PID控制塊的測量值。同樣把PID控制塊的輸出連接到aaa1.pv上。如下圖所示:

然后,從菜單中選擇編譯和運行中選擇編譯當前工程,然后,運行當前工程,就可以實施PID控制了。
PID參數的選擇:
數字PID調節器參數的整定可以仿照模擬PID調節器參數整定的各種方法,根據工藝對控制性能的要求,決定調節器的參數。這里就各個參數對系統性能的影響簡單加以說明。
①比例系數P對系統性能的影響:比例系數加大,使系統的動作靈敏,速度加快,穩態誤差減?。籔偏大,振蕩次數加多,調節時間加長;P太大時,系統會趨于不穩定;P太小,又會使系統的動作緩慢。P可以選負數,這主要是由執行機構、傳感器以及控制對象的特性決定的。如果P的符號選擇不當對象測量值就會離控制目標的設定值越來越遠,如果出現這樣的情況P的符號就一定要取反。同時要注意的是,力控的策略控制器的PID控制塊的P參數是PID控制中的增益。
②積分控制I對系統性能的影響:積分作用使系統的穩定性下降,I?。ǚe分作用強)會使系統不穩定,但能消除穩態誤差,提高系統的控制精度。
③微分控制D對系統性能的影響:微分作用可以改善動態特性,D偏大時,超調量較大,調節時間較短;D偏小時,超調量也較大,調節時間也較長;只有D合適,才能使超調量較小,減短調節時間。

提交
查看更多評論
其他資訊
力控SCADA系統質量管理套件,在工業生產制造中的應用
力控SCADA系統超級報表套件在污水處理系統中的應用
力控SCADA系統設備OEE服務,賦能工業生產降本增效
力控SCADA系統增強報警服務,在油氣田生產中的應用
力控醫藥SCADA組態軟件在無菌實驗艙設備的配套應用