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力控的策略控制器PID算法介绍及应用

供稿:北京力控元通科技有限公司 2002/4/1 18:03:00

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力控的策略控制器可以方便地实施多种控制算法,在这里我们以PID为例介绍如何在力控中组建一个PID控制系统。


  多年以来,在过程控制中,按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单,易于实现,适用面广,控制参数相互独立,参数的选定比较简单等优点;而且在理论上可以证明,对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象,PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法,它的参数整定方式简便,结构改变灵活(PI、PD、…)。长期以来被广大科学技术人员及现场操作人员所采用,并积累了大量的经验。
连续系统PID调节器为对误差的比例、积分和微分控制,即






式中:Ti、Td分别为积分和微分时间常数;Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数。在计算机控制系统中使用的是PID数字调节器,就是对式(1)离散化 ,令



式中,T是采样周期。由式(1)与式(3)可得


式(4)称为位置式PID控制算法。
  由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用,导致控制器的响应速度变慢,而且由于积分的累积作用,在手动和自动切换时,很难做到无扰动切换。因此,人们又提出一种新的控制算法,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,但是输出采用位置式输出。即把上次输出加上本次计算的增量输出即得到本次的位置式输出。
PID控制回路有三种方式,手动,自动和串级,在手动状态下,PID控制回路相当于手动调节器。在自动状态下,PID控制回路完成PID算法,设定值由操作站给定,在串级状态,设定值由主回路的输出给定。当回路处于手动状态下时,设定值具有自动跟踪测量值功能,以便从手动切换到自动状态时,切换时是无扰动的;当回路处自动状态时,主回路的输出自动跟踪副回路的设定,以便当下一级控制回路从自动切换到串级时,切换时是无扰动的。
 
  其实现过程如下:
 1)如果是紧急状态,则进入安全态处理。不执行以下步骤。
 2)如果存在副回路,并且副回路不处于串级状态,则该回路:
   a),如果副回路是手动状态,则该回路进入手动状态,并且输出跟踪副回路的设定值;
   b),如果副回路是自动状态,输出跟踪副回路的设定值。
 

  不执行以下步骤。
 3)如果该回路是手动状态,则直接输出,不执行以下步骤;
 4)检查输入和设定值是否超限,如果超限,进行超限处理;
 5)则计算偏差。检查是否有偏差死区,如果有,则处理偏差死区;
 6)计算PID的控制输出;
 7)判断输出和变化率是否超限,如果超限则进行处理。
  

  在力控的策略控制器中,很容易就可以实现一个PID回路。先进入力控的策略控制器组态环境Strategy Builder,如果没有主策略,这时会提示建立一个主策略,如果已经存在一个主策略,则打开该策略(或打开其它的子策略)。在左侧的导航器中选择工具\控制算法\PID控制器,然后在右边的工作区点击鼠标,就可以画出一个PID控制块。选中该块,可以改变其参数,如点名、比例、积分、微分等各种参数。再选择输入输出变量,输入变量可以是力控实时数据库中的变量,也可以是策略控制器中的I/O点。在本例中,我们用实时数据库中的点来实现。如同画PID控制块一样,选择工具\变量\数据库输入变量(数据库输出变量)画出两个数据库变量引用块。然后在属性中选择输入输出的变量。在输入变量aaa.pv的输出管脚上双击,再在PID控制块的PV管脚上双击,这样就在两者之间形成了一条线,这表示把aaa.pv的值作为PID控制块的测量值。同样把PID控制块的输出连接到aaa1.pv上。如下图所示:



  然后,从菜单中选择编译和运行中选择编译当前工程,然后,运行当前工程,就可以实施PID控制了。
PID参数的选择:

  数字PID调节器参数的整定可以仿照模拟PID调节器参数整定的各种方法,根据工艺对控制性能的要求,决定调节器的参数。这里就各个参数对系统性能的影响简单加以说明。
①比例系数P对系统性能的影响:比例系数加大,使系统的动作灵敏,速度加快,稳态误差减小;P偏大,振荡次数加多,调节时间加长;P太大时,系统会趋于不稳定;P太小,又会使系统的动作缓慢。P可以选负数,这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。如果P的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远,如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。同时要注意的是,力控的策略控制器的PID控制块的P参数是PID控制中的增益。
②积分控制I对系统性能的影响:积分作用使系统的稳定性下降,I小(积分作用强)会使系统不稳定,但能消除稳态误差,提高系统的控制精度。
③微分控制D对系统性能的影响:微分作用可以改善动态特性,D偏大时,超调量较大,调节时间较短;D偏小时,超调量也较大,调节时间也较长;只有D合适,才能使超调量较小,减短调节时间。



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