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 2015/03/31

双液位对象特性 物料平衡方程： 流体运动方程：

双液位对象特性 物料平衡方程： 流体运动方程：

双液位对象特性 假设A=1，R1＝2，R2=4 注意两条曲线的形状，注意曲线的纵坐标 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： 注意： 在实际过程中不会得到如此平滑的曲线 K是有单位的量，通常会进行无因次化变换 7

阶跃响应测试法2 对象的近似模型：

PID参数整定 经验法 闭环整定法（在线整定，Z-N法） 开环整定法（离线整定法） 具体整定参数原则见 p.58 表3-2 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 ∞ PI PID 注意：上述整定规则仅限于

开环整定法(Lambda 法) 控制器 Kc Ti Td P PI T PID τ/2 取值 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 = 0.05min Kc 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 说明正常运行的情况以及发生积分饱和的情况

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。