1、 第二章第二章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)2. 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性3. 確定被控對(duì)象傳遞函數(shù)的幾種方法確定被控對(duì)象傳遞函數(shù)的幾種方法4. 基本基本PID控制器及其調(diào)節(jié)過程控制器及其調(diào)節(jié)過程5. 控制系統(tǒng)的整定方法控制系統(tǒng)的整定方法6. 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)一、控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)：被控量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)：被控量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)：被控量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)：被控量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)二、控制系統(tǒng)的過渡響應(yīng)二、控制系統(tǒng)的過渡

2、響應(yīng)三、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)三、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)二、控制系統(tǒng)的過渡響應(yīng)二、控制系統(tǒng)的過渡響應(yīng)1.發(fā)散振蕩發(fā)散振蕩2.等幅振蕩等幅振蕩3.衰減振蕩衰減振蕩4.單調(diào)過程單調(diào)過程三、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)三、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入有兩種，自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入有兩種， 給定作用給定作用和和干擾作用干擾作用調(diào)節(jié)器傳感變送器被控對(duì)象執(zhí)行器干擾-RZRS +Y階躍干擾階躍干擾階躍給定階躍給定調(diào)節(jié)器傳感變送器被控對(duì)象執(zhí)行器干擾-RZRS +Y 自動(dòng)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的基本要求：自動(dòng)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的基本要求： 穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確C1. 衰減比（衰減比（n）和衰減率）和衰減率 衰減比衰減比：

3、前后兩個(gè)波峰的比值。：前后兩個(gè)波峰的比值。n1衰減；衰減；n小衰減慢，小衰減慢，n很大接近單調(diào)過程。很大接近單調(diào)過程。衰減率衰減率 ：每經(jīng)過一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度：每經(jīng)過一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)。衰減的百分?jǐn)?shù)。31yyn 131yyy C2. 最大偏差（最大偏差（A）：被控量偏離給定值的最大偏差值。：被控量偏離給定值的最大偏差值。3. 超調(diào)量（百分比超調(diào)量）超調(diào)量（百分比超調(diào)量）：第一峰值與新穩(wěn)態(tài)值之：第一峰值與新穩(wěn)態(tài)值之差與穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)。差與穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)。4.調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間ts：從干擾發(fā)生起，到被控量進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)：從干擾發(fā)生起，到被控量進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值上下值上下5%范圍內(nèi)并不在超出

4、所需要的時(shí)間。范圍內(nèi)并不在超出所需要的時(shí)間。CAB6. 振蕩周期振蕩周期T：從第一個(gè)波峰到第二個(gè)：從第一個(gè)波峰到第二個(gè)波峰所需要的時(shí)間。波峰所需要的時(shí)間。5. 靜差靜差C：終了狀態(tài)被調(diào)參數(shù)穩(wěn)態(tài)值與給定：終了狀態(tài)被調(diào)參數(shù)穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。值之差。C穩(wěn)定性穩(wěn)定性：衰減比、衰減率、最大偏差、超調(diào)量：衰減比、衰減率、最大偏差、超調(diào)量快速性快速性：振蕩周期、調(diào)節(jié)時(shí)間：振蕩周期、調(diào)節(jié)時(shí)間準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性：靜差：靜差誤差積分誤差積分：是將動(dòng)態(tài)偏差沿時(shí)間軸積分。：是將動(dòng)態(tài)偏差沿時(shí)間軸積分。ISEISE側(cè)重于最大動(dòng)態(tài)偏差；側(cè)重于最大動(dòng)態(tài)偏差；ITAEITAE兼顧調(diào)節(jié)時(shí)間和最大動(dòng)態(tài)偏差兩項(xiàng)指標(biāo)兼顧調(diào)節(jié)時(shí)間和最大動(dòng)態(tài)

5、偏差兩項(xiàng)指標(biāo)1.誤差積分（誤差積分（IE）2.絕對(duì)值誤差積分（絕對(duì)值誤差積分（IAE）3.平方誤差積分（平方誤差積分（ISE）4.時(shí)間絕對(duì)值誤差積分（時(shí)間絕對(duì)值誤差積分（ITAE）0edt0edt0etdt20e dt第二節(jié)第二節(jié) 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性一、對(duì)象的分類對(duì)象的分類單容對(duì)象單容對(duì)象：只有一個(gè)存儲(chǔ)容積的對(duì)象只有一個(gè)存儲(chǔ)容積的對(duì)象V-1V-2h空調(diào)房間1. 單容對(duì)象和多容對(duì)象單容對(duì)象和多容對(duì)象V-3V-4h1V-5h2HX-2送風(fēng)熱水熱水加熱器熱水加熱器多容對(duì)象多容對(duì)象：由兩個(gè)或多個(gè)單容對(duì)象之間通過某：由兩個(gè)或多個(gè)單容對(duì)象之間通過某些阻力聯(lián)系在一起的對(duì)象。些阻力聯(lián)系在一起

6、的對(duì)象。1. 單容對(duì)象和多容對(duì)象單容對(duì)象和多容對(duì)象2. 有自平衡能力有自平衡能力 的對(duì)象和無自平衡能力的對(duì)象的對(duì)象和無自平衡能力的對(duì)象有自平衡能力有自平衡能力對(duì)象：在干擾的作用下，被調(diào)量自對(duì)象：在干擾的作用下，被調(diào)量自己由一個(gè)值變化到另一個(gè)值，從而達(dá)到一種新的平己由一個(gè)值變化到另一個(gè)值，從而達(dá)到一種新的平衡狀態(tài)。衡狀態(tài)?？照{(diào)房間121)(ssG無自平衡能力無自平衡能力的對(duì)象：在干擾的作用下，被調(diào)量將以的對(duì)象：在干擾的作用下，被調(diào)量將以固定的速度一直變化，不會(huì)自動(dòng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。固定的速度一直變化，不會(huì)自動(dòng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。V-6h流出量不變2. 有自平衡能力有自平衡能力 的對(duì)象和無自平衡能力

7、的對(duì)象的對(duì)象和無自平衡能力的對(duì)象ssG21)() 12(1)(sssG二、對(duì)象的過渡響應(yīng)二、對(duì)象的過渡響應(yīng)1.單容對(duì)象的過渡響應(yīng)：單容對(duì)象的過渡響應(yīng)：121)(ssG空調(diào)房間) 12)(12(1)(sssG2.雙容對(duì)象的過渡響應(yīng)：雙容對(duì)象的過渡響應(yīng)：V-3V-4h1V-5h23.無自平衡能力對(duì)象的過渡響應(yīng)：無自平衡能力對(duì)象的過渡響應(yīng)：ssG21)(V-6h流出量不變) 12(1)(sssG3.無自平衡能力對(duì)象的過渡響應(yīng)：無自平衡能力對(duì)象的過渡響應(yīng)：1.放大系數(shù)放大系數(shù)k：等于被調(diào)參數(shù)新舊穩(wěn)定值之差：等于被調(diào)參數(shù)新舊穩(wěn)定值之差與干擾變化量的比值。與干擾變化量的比值。三、對(duì)象的特性參數(shù)三、對(duì)象的特

8、性參數(shù)2.時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T：是被調(diào)參數(shù)以初始最大上升速度：是被調(diào)參數(shù)以初始最大上升速度變化達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。變化達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。3.滯后滯后 : 純滯后純滯后:由于進(jìn)入對(duì)象的物料量不能由于進(jìn)入對(duì)象的物料量不能立即布滿全部對(duì)象造成的。立即布滿全部對(duì)象造成的。 容量滯后容量滯后:由于各個(gè)環(huán)節(jié)的阻力造成的。由于各個(gè)環(huán)節(jié)的阻力造成的。1)(TskesGs122)(ssGT1)(TsksG121)(sesGs1)(TskesGs純滯后) 12)(12(1)(sssGT C容量滯后容量滯后) 12)(12(1)(ssesGs純滯后加容量滯后純滯后加容量滯后第三節(jié)第三節(jié) 確定被控對(duì)象傳遞函數(shù)

9、的幾種方法確定被控對(duì)象傳遞函數(shù)的幾種方法一、一、解析法解析法：根據(jù)對(duì)象的物料關(guān)系、能量關(guān)：根據(jù)對(duì)象的物料關(guān)系、能量關(guān)系等列寫對(duì)象的微分方程，來得到對(duì)象的系等列寫對(duì)象的微分方程，來得到對(duì)象的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)。條件條件：對(duì)被控對(duì)象實(shí)際發(fā)生的物理、化學(xué)過：對(duì)被控對(duì)象實(shí)際發(fā)生的物理、化學(xué)過程及其參數(shù)非常了解，并且能用數(shù)學(xué)描述。程及其參數(shù)非常了解，并且能用數(shù)學(xué)描述。二、二、測試法測試法：將被控對(duì)象作為一個(gè)黑箱，給被控對(duì)：將被控對(duì)象作為一個(gè)黑箱，給被控對(duì)象施加一定的輸入信號(hào)，測量被控對(duì)象的輸出。根象施加一定的輸入信號(hào)，測量被控對(duì)象的輸出。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)處理得到被據(jù)輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)

10、進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)處理得到被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。控對(duì)象的傳遞函數(shù)。一、解析法舉例一、解析法舉例例例2.1：在一：在一RLC電路電路中，以電源電壓中，以電源電壓e為為輸入，電容器兩端輸入，電容器兩端的電壓的電壓Vc為輸出，為輸出，求傳遞函數(shù)求傳遞函數(shù) )()()(sEsVsGceVVVCLR解：由圖中可知解：由圖中可知eVdtdiLiRc22dtVdcdtdic11)()()(2RCsLCssEsVsGcdtdVCic由 于 ：eVdtdVRCdtVdLCccc22 所以：)()()()(2sEsVsRCsVsVLCsccc兩邊取拉氏變換：一、解析法舉例一、解析法舉例例例2.2：已知一絕熱水箱體積為：

11、已知一絕熱水箱體積為V，箱內(nèi)水溫為，箱內(nèi)水溫為T，水的，水的比熱為比熱為C，密度為，密度為，流入和流出水箱的流量均為，流入和流出水箱的流量均為F，流入水箱的溫度為流入水箱的溫度為T1，流出水箱的水溫為，流出水箱的水溫為T，假定，假定F、T1均為常數(shù)，求加熱器功率與箱內(nèi)水溫之間的傳遞函均為常數(shù)，求加熱器功率與箱內(nèi)水溫之間的傳遞函數(shù)。數(shù)。解：單位時(shí)間流入的熱量解：單位時(shí)間流入的熱量-單位時(shí)間流出的熱量單位時(shí)間流出的熱量=能量蓄存變化率能量蓄存變化率dtVTdCQWQoutindtVdTCCFTWCFT1WTTCFdtVdTC)(1TTT0WWW0微分方程微分方程WWTTTCFdtTTVdC0100

12、)()(WWTCFTTCFdtTVdC010)(010)(WTTCFWTCFdtTVdC)()()(sWsCFTsVsTC11)(1)()()(sFVCFFVsCsWsTsG增量微分方程增量微分方程二、測試法二、測試法1. 由階躍響應(yīng)曲線確定一階慣性環(huán)節(jié)由階躍響應(yīng)曲線確定一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后的參數(shù)加純滯后的參數(shù)1)(TskesGs（1）比例放大系數(shù)比例放大系數(shù)k的確定：的確定：xyyk)0()(（2）時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T和滯后和滯后的確定的確定切線法：切線法：計(jì)算法計(jì)算法：tTtty,exp1)(*Ttty11exp1)(Ttty2exp1)(2)(*1ln)(*1ln2112tytyttT)(

13、*1ln)(*1ln)(*1ln)(*1ln212112tytytyttyt21122)( 2ttttT63%39%t1 t2 驗(yàn)證驗(yàn)證：通常由上式計(jì)算得到的通常由上式計(jì)算得到的T T、還需進(jìn)還需進(jìn)行驗(yàn)證，另取兩組數(shù)據(jù)行驗(yàn)證，另取兩組數(shù)據(jù)t t3 3,y(t,y(t3 3) )；t t4 4,y(t,y(t4 4) )，計(jì)算，計(jì)算T T、。如果誤差不超過。如果誤差不超過10%10%，則認(rèn)為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)可很好，則認(rèn)為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)可很好的用一階慣性環(huán)節(jié)來擬和。否則應(yīng)將被控的用一階慣性環(huán)節(jié)來擬和。否則應(yīng)將被控對(duì)象的傳遞函數(shù)用二階或?qū)ο蟮膫鬟f函數(shù)用二階或n n階慣性環(huán)節(jié)加階慣性環(huán)節(jié)加純滯后

14、擬合。純滯后擬合。二、測試法二、測試法2. 由階躍響應(yīng)曲線確定二階慣性環(huán)節(jié)加純滯由階躍響應(yīng)曲線確定二階慣性環(huán)節(jié)加純滯后的參數(shù)后的參數(shù)) 1)(1()(21sTsTkesGs2121,) 1)(1(1)(TTsTsTsG211222111)(*TteTTTeTTTtyTt21212211)(*1TteTTTeTTTtyTt取y*(t1)=0.4 y*(t2)=0.8211222111)(*TteTTTeTTTtyTt6 .02111212211TteTTTeTTTTt2 .02212212211TteTTTeTTTTt)(16. 212121ttTT55. 074. 1)(2122121ttTT

15、TT46. 032. 021tt用上式求得的T1、T2應(yīng)滿足:16. 221ttnT46.021tt當(dāng)nsTskesG) 1()(傳遞函數(shù)應(yīng)例例2.3：已知一對(duì)象的：已知一對(duì)象的單位階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng)如下表，試如下表，試假定對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后和假定對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后和n階環(huán)節(jié)階環(huán)節(jié)加純滯后，求對(duì)象的傳遞函數(shù)。加純滯后，求對(duì)象的傳遞函數(shù)。解：解：k=287. 6, 3 .40T13 .402)(87. 6sesGs1)(TskesGs一階環(huán)節(jié)加純滯后一階環(huán)節(jié)加純滯后2 . 279.201t54.412t5 . 021tt16. 254.4179.2016. 221ttnT62.

16、 9T3nn階環(huán)節(jié)加純滯后階環(huán)節(jié)加純滯后nsTskesG) 1()(32 . 2) 162. 9(2)(sesGs第四節(jié)第四節(jié) 基本基本PID控制器及其調(diào)節(jié)過程控制器及其調(diào)節(jié)過程 控制器是根據(jù)給定值和測量值的偏差控制器是根據(jù)給定值和測量值的偏差e按照預(yù)定的按照預(yù)定的 規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)量規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)量P對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器傳感變送器被控對(duì)象執(zhí)行器干擾-RZRS +Y斷續(xù)控制斷續(xù)控制：雙位、三位：雙位、三位連續(xù)控制連續(xù)控制：比例、比例積分、比例微分、：比例、比例積分、比例微分、比例積分微分比例積分微分一、比例控制一、比例控制kp傳感變送器被控對(duì)象執(zhí)行器干擾

17、-RZRS +Y比例控制ep1.比例控制器的特性比例控制器的特性微分方程：微分方程：cpk e傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：( )cWskt輸入et輸出kcekc比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn)（1）調(diào)節(jié)及時(shí)，（）調(diào)節(jié)及時(shí)，（2）有靜差）有靜差ceppbkabea浮球式水位控制器V-1ekcea bP2.比例帶比例帶 20 21 22 0C20mA12mA 4mA（1）比例范圍比例范圍：控制器輸出從：控制器輸出從0%100%變化時(shí)對(duì)應(yīng)的被控變量值的變化范圍。變化時(shí)對(duì)應(yīng)的被控變量值的變化范圍。（2）比例帶比例帶：使控制器輸出作：使控制器輸出作100%變化變化時(shí)，輸入信號(hào)的改變占全量程的百分?jǐn)?shù)。時(shí)，輸入信號(hào)的改

18、變占全量程的百分?jǐn)?shù)。%100maxmaxppee%100kpe對(duì)于一定的控制器，輸入和輸出的量程不變對(duì)于一定的控制器，輸入和輸出的量程不變%100maxmaxeppe2.比例帶比例帶100%ckk1100%ck輸入和輸出量程相同輸入和輸出量程相同當(dāng)控制器輸入和輸出量程相同，比例帶當(dāng)控制器輸入和輸出量程相同，比例帶為比例增益的倒數(shù)為比例增益的倒數(shù)2.比例帶比例帶舉例舉例：已知一比例溫度調(diào)節(jié)器，輸入量程為已知一比例溫度調(diào)節(jié)器，輸入量程為050OC，輸出，輸出為為010mA，當(dāng)輸入為，當(dāng)輸入為2030OC時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出為時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出為28mA，求該溫度調(diào)節(jié)器的比例帶。，求該溫度調(diào)節(jié)器的比例帶。解：解：

19、%100maxmaxppee%100maxmaxeppe%3 .3350102820302.比例帶比例帶3.比例帶對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響比例帶對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響（1）非常大，則比例增益非常大，則比例增益kc很很小，比例作用很弱，系統(tǒng)穩(wěn)定小，比例作用很弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但殘余偏差（靜差）大。性好，但殘余偏差（靜差）大。 結(jié)論結(jié)論：越小，比例作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差，越小，比例作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差，系統(tǒng)的靜差越小。系統(tǒng)的靜差越小。（2） 合適，系統(tǒng)輸出為一衰合適，系統(tǒng)輸出為一衰減振蕩，減振蕩，（3）當(dāng)）當(dāng)減小達(dá)到臨界值減小達(dá)到臨界值k，系，系統(tǒng)輸出一等幅振蕩。統(tǒng)輸出一等幅振蕩。（4）當(dāng)）當(dāng)再減小，

20、系統(tǒng)輸出一發(fā)再減小，系統(tǒng)輸出一發(fā)散振蕩。散振蕩。Wc(s)W2(s)W1(s)W3(s)干擾-RZRS +Y4.比例作用舉例比例作用舉例W1(s)W2(s)W(s)W3(s)-Y干擾 +10.4( )81W ss15 . 21)(2ssW2)(3sWccKW 問題思考？問題思考？階躍給定輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差階躍給定輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差若輸入為干若輸入為干擾輸入呢？擾輸入呢？11 0.8eKc10.4( )81W ss15 . 21)(2ssW2)(3sWccKW 2(2.51) 0.4( )2010.510.8csW sssK 分別取kc等于20、502(2.51) 0.4( )2010.517sW

21、sss2(2.51) 0.4( )2010.541sW sss干擾作用干擾作用下的穩(wěn)態(tài)下的穩(wěn)態(tài)誤差如何誤差如何計(jì)算？計(jì)算？施加一幅值為施加一幅值為8的階躍干擾信號(hào)的階躍干擾信號(hào)12 Kc=20Kc=50二、比例積分控制二、比例積分控制1.積分控制器特性積分控制器特性：輸出與輸入的積分呈正比：輸出與輸入的積分呈正比tt輸入e輸出ptIedtTP01sTsWI1)(特點(diǎn)特點(diǎn)（1）能消除靜差，能消除靜差， （2）動(dòng)作慢）動(dòng)作慢 t1 t2t1 t2t2.比例積分控制器的特性比例積分控制器的特性tIcedtTekP01sTksWIc11)(t輸入e輸出pt1 t2 t1 t2特點(diǎn)特點(diǎn)（1）能消除靜能消

22、除靜 差，差， （2）動(dòng)作快）動(dòng)作快二、比例積分控制二、比例積分控制3.積分時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響積分時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響etTkekIccITt pTIT TI I 大說明積分作用弱，大說明積分作用弱， T TI I 小說明積分作用強(qiáng)小說明積分作用強(qiáng))1)10etTeketTekPIctIc（1）積分時(shí)間積分時(shí)間TI：偏差：偏差e為為階躍輸入信號(hào)，當(dāng)積分輸出階躍輸入信號(hào)，當(dāng)積分輸出增長到與比例輸出相等時(shí)，增長到與比例輸出相等時(shí)，所需要的時(shí)間。所需要的時(shí)間。二、比例積分控制二、比例積分控制 積分時(shí)間積分時(shí)間TI太大，積分作太大，積分作用太弱，當(dāng)用太弱，當(dāng) 積分作積分作用為用為0，輸出為一比例調(diào)節(jié)

23、。，輸出為一比例調(diào)節(jié)。IT（2）積分時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)積分時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響過程的影響積積分分時(shí)時(shí)間間由由大大到到小小積分時(shí)間積分時(shí)間TI合適，可得到合適，可得到較好的衰減振蕩，并可消除較好的衰減振蕩，并可消除靜差。靜差。積分時(shí)間積分時(shí)間TI小，積分作用小，積分作用強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。二、比例積分控制二、比例積分控制結(jié)論：結(jié)論：比例作用在引入積分作用的同時(shí)，比例作用在引入積分作用的同時(shí)，消除了系統(tǒng)的靜差，但降低了原有系統(tǒng)的消除了系統(tǒng)的靜差，但降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了保持與原有比例作用相同的穩(wěn)定性，為了保持與原有比例作用相同的穩(wěn)定性，必須適當(dāng)增大比例帶。穩(wěn)定性，必須適當(dāng)增大比例

24、帶。184 . 0)(1ssW15 . 21)(2ssW2)(3sW舉例：系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為舉例：系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為二、比例積分控制二、比例積分控制10)(1sWc)511 (10)(2ssWc分別?。悍謩e取：比例比例積分4.積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和措施積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和措施 積分飽和現(xiàn)象積分飽和現(xiàn)象：由于某種原因，被調(diào)量的偏差：由于某種原因，被調(diào)量的偏差始終為正或負(fù)，而一時(shí)又無法消除，使積分項(xiàng)始終為正或負(fù)，而一時(shí)又無法消除，使積分項(xiàng)不斷增加，使控制器進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，即調(diào)不斷增加，使控制器進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，即調(diào)節(jié)閥全開或全關(guān)，系統(tǒng)暫時(shí)處于失控狀態(tài)，這節(jié)閥全開或全關(guān)，系統(tǒng)暫時(shí)

25、處于失控狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。種現(xiàn)象稱為積分飽和。危害危害：使控制器工作于非線性狀態(tài)，使系統(tǒng)的：使控制器工作于非線性狀態(tài)，使系統(tǒng)的超調(diào)量增大，控制品質(zhì)變壞。超調(diào)量增大，控制品質(zhì)變壞。措施措施：積分分離方法積分分離方法二、比例積分控制二、比例積分控制設(shè)定偏差閾值設(shè)定偏差閾值0；eetTektIc,)10Peekc,好處好處：既保持了積分作用，消除靜差，又既保持了積分作用，消除靜差，又避免了積分飽和現(xiàn)象，減小超調(diào)避免了積分飽和現(xiàn)象，減小超調(diào)。4.積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和措施積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和措施三、比例微分控制三、比例微分控制1.微分控制器特性微分控制器特性：輸出與輸入的微分成正比：輸

26、出與輸入的微分成正比dtdeTpd微分方程：微分方程：sTsWd)(傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：etpteptt特點(diǎn)特點(diǎn)（1）輸出反應(yīng)偏差的變化率，輸出反應(yīng)偏差的變化率，具有預(yù)調(diào)節(jié)作用。具有預(yù)調(diào)節(jié)作用。（2）不能消除靜差，當(dāng)偏差變不能消除靜差，當(dāng)偏差變化緩慢時(shí)，微分作用也很弱?；徛龝r(shí)，微分作用也很弱。 2.比例微分控制比例微分控制)(dtdeTekpdc微分方程：微分方程：)1 ()(sTksWdc傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：11)(skTsTksWdddc具有飽和微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：具有飽和微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：pttp三、比例微分控制三、比例微分控制et3.微分時(shí)間對(duì)控制過程的影響微分時(shí)間對(duì)控制過程的影響dt

27、deTekpdcate )(aTatkpdcdTt )(aTaTkpddcTdTd大，微分作用強(qiáng)，大，微分作用強(qiáng)，TdTd太小，微分作用弱。太小，微分作用弱。（1）微分時(shí)間微分時(shí)間：輸入量為斜坡函數(shù)，使比例項(xiàng)的輸出：輸入量為斜坡函數(shù)，使比例項(xiàng)的輸出等于微分項(xiàng)時(shí)所需的時(shí)間等于微分項(xiàng)時(shí)所需的時(shí)間。etptTd（2）微分時(shí)間對(duì)控制過微分時(shí)間對(duì)控制過程的影響程的影響Td大，微分作用太大，微分作用太強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。Td合適，有預(yù)調(diào)節(jié)合適，有預(yù)調(diào)節(jié)作用，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)作用，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)Td太小，微分作用太小，微分作用弱，弱，Td=0，微分作，微分作用為用為0一般而言，比例微分控制系統(tǒng)

28、隨著微分時(shí)一般而言，比例微分控制系統(tǒng)隨著微分時(shí)間間TdTd的增大，其穩(wěn)定性提高，但當(dāng)?shù)脑龃?，其穩(wěn)定性提高，但當(dāng)TdTd超過超過某一值時(shí)，系統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定。某一值時(shí)，系統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定?？偨Y(jié)總結(jié)：當(dāng)比例作用加入微分作用，可使系統(tǒng)趨向當(dāng)比例作用加入微分作用，可使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，為了得到與原來比例作用相同的穩(wěn)穩(wěn)定，為了得到與原來比例作用相同的穩(wěn)定性，可適當(dāng)降低比例帶，從而減小靜差。定性，可適當(dāng)降低比例帶，從而減小靜差。三、比例微分控制三、比例微分控制PPD184 . 0)(1ssW15 . 21)(2ssW2)(3sW舉例：系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為舉例：系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為5)(1sWc)21

29、(10)(2ssWc分別?。悍謩e?。核?、四、比例積分微分控制規(guī)律比例積分微分控制規(guī)律微分方程：微分方程：傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：)1(0dtdeTedtTekpdtIc)11 ()(sTsTksWdIc五、調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇五、調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇v被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)較大，或容量滯后較大，應(yīng)引被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)較大，或容量滯后較大，應(yīng)引入微分環(huán)節(jié)。若允許有殘差，可選用入微分環(huán)節(jié)。若允許有殘差，可選用PD，否則選，否則選用用PID。1)(TsKesGsv若被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為若被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 ，則可根據(jù)則可根據(jù)/T的值來確定控制算法。的值來確定控制算法。v被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大，被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)

30、較小，負(fù)荷變化不大，若允許有殘差，可選用若允許有殘差，可選用P，否則選用，否則選用PI。v被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)和純滯后較大，負(fù)荷變被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)和純滯后較大，負(fù)荷變化較大。此時(shí)簡單控制不能滿足要求，應(yīng)選化較大。此時(shí)簡單控制不能滿足要求，應(yīng)選用復(fù)雜控制。用復(fù)雜控制。五、調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇五、調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的工程整定方法控制系統(tǒng)的工程整定方法控制器參數(shù)控制器參數(shù)的整定方法的整定方法理論計(jì)算法理論計(jì)算法工程整定法工程整定法一、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法一、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法通過實(shí)驗(yàn)得到廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，通過實(shí)驗(yàn)得到廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，并且廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)可用一階慣性并且廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)

31、可用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后表示。環(huán)節(jié)加純滯后表示。1)(TsKesGs以衰減率以衰減率=0.75作為系統(tǒng)的性能指標(biāo)。作為系統(tǒng)的性能指標(biāo)。Cohen-Coon整定公式整定公式)/(2 . 21/)/(3 . 0)/(33. 3/2TTTTTI)/(6 . 01/)/(5 . 0)/(5 . 2/2TTTTTI)/(2 . 01/)/(37. 0/TTTTD333. 0)/(1TKKc082. 0)/(9 . 01TKKc27. 0)/(35. 11TKKc比例控制器：比例控制器：比例積分比例積分控制器：控制器：比例積分微比例積分微分控制器：分控制器：一、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法一、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法二、穩(wěn)定邊界

32、法（臨界比例帶法）二、穩(wěn)定邊界法（臨界比例帶法）1. ， ， 取最大值，逐取最大值，逐步使步使 至被調(diào)曲線為等幅振蕩，這時(shí)至被調(diào)曲線為等幅振蕩，這時(shí)得到得到 、 。IT0DTcrcrT2.根據(jù)根據(jù) 、 計(jì)算計(jì)算 、 、 。ITDTcrcrT三、衰減曲線法三、衰減曲線法1. ， ， 取最大值，逐步使取最大值，逐步使 至被調(diào)曲線為至被調(diào)曲線為4：1或或10：1的衰減振蕩，這時(shí)的衰減振蕩，這時(shí)得到得到 、 。IT0DTssT2.根據(jù)根據(jù) 、 計(jì)算計(jì)算 、 、 。ITDTssT三、衰減曲線法三、衰減曲線法第六節(jié)第六節(jié) 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)一、串級(jí)控制系統(tǒng)一、串級(jí)控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)

33、1、串級(jí)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、串級(jí)控制系統(tǒng)的構(gòu)成MTc1Tc2MTc1串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)2.串級(jí)控制系統(tǒng)分析串級(jí)控制系統(tǒng)分析1Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)-Y干擾GD2(s)Gp2(s)輸出輸出輸入輸入22221)(mpvcDfGGGGGsG2222221)( mpvcpvCpGGGGGGGsG副回路的傳遞函數(shù)副回路的傳遞函數(shù)Gc1(s)GM2(s)Gp1(s)Gc2GvGp21+Gc2GvGp2Gm2干擾-RZRS +YGD21+Gc2GvGp2Gm22.串級(jí)控制系統(tǒng)分析串級(jí)控制系統(tǒng)分析特點(diǎn)特點(diǎn)：（1）對(duì)克服副回路的干擾有較強(qiáng)的能力對(duì)克服副回路的干擾有較強(qiáng)的能力當(dāng)干擾包括在副回路，干擾

34、對(duì)主控變量的影響減弱為當(dāng)干擾包括在副回路，干擾對(duì)主控變量的影響減弱為原來的原來的 22211pvcmGGGG（2）對(duì)克服主回路的干擾也有好處對(duì)克服主回路的干擾也有好處假如副回路各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：假如副回路各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：1)(222sTKsGppp22)(ccKsGvvKsG)(22)(mmKsG2.串級(jí)控制系統(tǒng)分析串級(jí)控制系統(tǒng)分析111)(22222222sTKKKKsTKKKsGppmvcppvcp2222221mvcppvcKKKKsTKKKp2222221mpvcpvcpKKKKKKKK222221mpvcppKKKKTT由于副回路的等效時(shí)間常數(shù)比原來縮小了由于副回路的等效時(shí)

35、間常數(shù)比原來縮小了 倍，調(diào)節(jié)及時(shí)，過渡時(shí)倍，調(diào)節(jié)及時(shí)，過渡時(shí)間縮短，調(diào)節(jié)品質(zhì)提高間縮短，調(diào)節(jié)品質(zhì)提高22211mpvcKKKK111222222222sKKKKTKKKKKKKmpvcpmpvcpvc（3）副回路的存在，使串級(jí)控制系統(tǒng)有一定的副回路的存在，使串級(jí)控制系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力自適應(yīng)能力。2222221mpvcpvcpKKKKKKKK一般情況下，有一般情況下，有 1222mpvcKKKK22222221mmpvcpvcpKKKKKKKKK2.串級(jí)控制系統(tǒng)分析串級(jí)控制系統(tǒng)分析結(jié)論結(jié)論：當(dāng)由于負(fù)荷變化：當(dāng)由于負(fù)荷變化或其他原因引起副回路或其他原因引起副回路參數(shù)變化時(shí)，對(duì)主回路參數(shù)變化時(shí)，

36、對(duì)主回路的影響非常小，基本不的影響非常小，基本不影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)。影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)。3：串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：21)103(ddTT（1 1）副回路力求包括主要干擾，即變化頻繁，）副回路力求包括主要干擾，即變化頻繁，幅度較大的干擾，如有條件還應(yīng)包括其他次幅度較大的干擾，如有條件還應(yīng)包括其他次要干擾。要干擾。（2 2）主副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)有合適的搭配，避）主副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)有合適的搭配，避免產(chǎn)生共振。免產(chǎn)生共振。（3 3）主副控制器的選型與整定）主副控制器的選型與整定v副控制器一般采用比例控制，主控制器一般采副控制器一般采用比例控制，主控制器一般采用用PIPI控制或控

37、制或PIDPID控制控制v當(dāng)主副回路時(shí)間常數(shù)相差很大時(shí)，主副回路可當(dāng)主副回路時(shí)間常數(shù)相差很大時(shí)，主副回路可單獨(dú)整定，即在主回路開環(huán)的情況下先整定副回單獨(dú)整定，即在主回路開環(huán)的情況下先整定副回路，再在副回路投入運(yùn)行的情況下整定主回路。路，再在副回路投入運(yùn)行的情況下整定主回路。v當(dāng)主副回路時(shí)間常數(shù)比較接近時(shí)，主副回路影當(dāng)主副回路時(shí)間常數(shù)比較接近時(shí)，主副回路影響比較嚴(yán)重，必須主副回路反復(fù)整定。響比較嚴(yán)重，必須主副回路反復(fù)整定。3：串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：蒸汽-水型熱交換器進(jìn)水冷凝水蒸汽出水 被控量是熱水出水溫度 控制量是蒸汽流量。三、前饋三、前饋反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 應(yīng)用

38、實(shí)例熱交換器的控制控制器 如果出水溫度比期望的溫度值低，就要加大蒸汽流量； 如果出水溫度比期望的溫度值要高，就要減少蒸汽流量。TE溫度控制器蒸汽流量調(diào)節(jié)閥熱交換器溫度變送器tg +_t 干擾t反饋控制l反饋控制是基于被控量的偏差進(jìn)行的，l反饋控制是針對(duì)系統(tǒng)全部干擾進(jìn)行補(bǔ)償，是在被控制量“變化了”的基礎(chǔ)上的“滯后補(bǔ)償”。問題：能否在干擾作用發(fā)生后，在未影響被控變量時(shí)，就開始調(diào)節(jié) ？Gff(s)Gd(s)Gv(s)Gp(s)Q(s)調(diào)節(jié)閥前饋控制器T(s)+熱交換器干擾通道前饋控制原理： 給系統(tǒng)附加一個(gè)前饋通道，利用前饋控制器所附加的控制量對(duì)被控量的補(bǔ)償與干擾對(duì)被控量的影響的疊加來消除或減小干擾的

39、影響。 )(sT干擾作用下的輸出：0)(sT 控制目標(biāo)：)()()()(sGsGsGsQpvff)()(sGsQd前饋器M進(jìn)水出水蒸汽前饋控制 前饋控制是針對(duì)系統(tǒng)的某種特定干擾而進(jìn)行的補(bǔ)償，是在被控制量“變化前”提前進(jìn)行的“超前補(bǔ)償”。)()()()(sGsGsGsGpvdff前饋控制器傳遞函數(shù)0)()()()(sGsGsGsGdpvff干擾信號(hào)Q(s)不為零時(shí)：Gff(s)Gd(s)Gv(s)Gp(s)Q(s)調(diào)節(jié)閥前饋控制器T(s)+熱交換器干擾通道克服某個(gè)可測不可控的主要干擾。克服某個(gè)可測不可控的主要干擾。2.前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開環(huán)控制，信息傳開環(huán)控制，信息傳遞沒有反饋

40、，不能對(duì)遞沒有反饋，不能對(duì)被控變量進(jìn)行驗(yàn)證。被控變量進(jìn)行驗(yàn)證。前饋器M進(jìn)水出水蒸汽控制規(guī)律由對(duì)象的特性決定，若不準(zhǔn)確影控制規(guī)律由對(duì)象的特性決定，若不準(zhǔn)確影響控制精度。響控制精度?？刂埔罁?jù)：干擾量?？刂埔罁?jù)：干擾量。)()()()(sGsGsGsGpvdff前饋與反饋的比較前饋是“開環(huán)”，反饋是“閉環(huán)” ；前饋控制的依據(jù)是干擾，反饋控制的依據(jù)是偏差；前饋系統(tǒng)中測量干擾量，反饋系統(tǒng)中測量被控變量；前饋只能克服所測量的干擾，反饋則可克服所有干擾；前饋理論上可控制到無差，反饋必因有差而控制；在工程中往往將前饋與反饋結(jié)合起來應(yīng)用，構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。 3.前饋前饋反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)M進(jìn)水出水蒸汽

41、FCTCJT +主要干擾進(jìn)行前饋，主要干擾進(jìn)行前饋，其他干擾進(jìn)行反饋。其他干擾進(jìn)行反饋。Gv(s)調(diào)節(jié)器傳感變送器被控對(duì)象執(zhí)行器干擾-RZRS +Y前饋器 +從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對(duì)前饋控制模型的精度要求，并能對(duì)未選作前饋信號(hào)的干擾加以克服。從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對(duì)干擾作了及時(shí)的粗調(diào)作用，大大減小了控制的負(fù)擔(dān)。 前饋反饋控制系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn)選用前饋反饋控制的原則如果系統(tǒng)中控制通道的慣性和遲延較大，反饋控制達(dá)不到良好的控制效果，這時(shí)可引入前饋控制。如果系統(tǒng)中存在著經(jīng)常變動(dòng)、可測而不可控的擾動(dòng)，反饋控制難以克服擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，這時(shí)可引入前饋控制以改善控制品質(zhì)。

42、前饋反饋控制的其它應(yīng)用鍋爐汽包水位控制鍋爐汽包水位控制課后作業(yè) 說明為什么引入蒸汽流量前饋信號(hào)。 畫出鍋爐汽包水位控制的結(jié)構(gòu)圖，并說明其控制原理。LTFT汽包蒸汽給水省煤器三、大延遲系統(tǒng)三、大延遲系統(tǒng)當(dāng)被控對(duì)象的純延遲時(shí)間當(dāng)被控對(duì)象的純延遲時(shí)間和時(shí)間常數(shù)和時(shí)間常數(shù)T的比的比值大于值大于0.3，則可認(rèn)為該對(duì)象具有大延遲過程，則可認(rèn)為該對(duì)象具有大延遲過程的特征。的特征。Smith預(yù)估補(bǔ)償器預(yù)估補(bǔ)償器：預(yù)先估計(jì)出被控對(duì)象預(yù)先估計(jì)出被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，了解對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，然的傳遞函數(shù)，了解對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償。Gc(s)-RZRS +Y(s)sppdesgK)(U(s

43、)sppdesGKsUsY)()()()()()()(sgKesGKsUsYsssppd)()()(sGKsUsYpp)1)()(sppssdesGKsgKSmith補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。)1 (1)()( dseGcKpGpsGcsGcsssdsdsdsdsdsdsKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGcKpGpesGcKpGpesGcsG)()1 (1)()1 (1)(1)1 (1)()( 1)( )(sssdsdsdsdsssKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcK

44、pGpKpGpesGcKpGpesGcKpGpesGcsG)()1 (1)()1 (1)(1)1 (1)()( 1)( )(dsdsdsssssdsdsKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGcKpGpesGcKpGpesGcsG)()1 (1)()1 (1)(1)1 (1)()( 1)( )(ppcsppcgKsGesgKsGd)(1)()(兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)并聯(lián)：兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)并聯(lián)：Gc(s)-RZRS +Y(s)+sppdesgK)(1sppsppddesgKesgK)()1)(sppppsppsppdddesgKsgKesgKes

45、gK)()(1)()1)(結(jié)論結(jié)論：在系統(tǒng)的特征方程中已經(jīng)不包在系統(tǒng)的特征方程中已經(jīng)不包含含 項(xiàng)，說明項(xiàng)，說明Smith補(bǔ)償器消除了補(bǔ)償器消除了純延遲對(duì)控制品質(zhì)的影響。純延遲對(duì)控制品質(zhì)的影響。sde分子上的分子上的 項(xiàng)，說明被調(diào)量的響項(xiàng)，說明被調(diào)量的響應(yīng)要比設(shè)定值的變化滯后應(yīng)要比設(shè)定值的變化滯后 時(shí)間。時(shí)間。sdesppppsppcsppcdddesgKsgKesgKsGesgKsGsRsY)()()()(1)()()()(ppcsppcgKsGesgKsGd)(1)()(缺點(diǎn)缺點(diǎn)：（1）對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的誤差十分）對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的誤差十分敏感。限制了它的應(yīng)用。敏感。限制了它的應(yīng)用。（2）Smith補(bǔ)償器只能補(bǔ)償設(shè)定值擾動(dòng)，補(bǔ)償器只能補(bǔ)償設(shè)定值擾動(dòng)，對(duì)外界干擾無補(bǔ)償能力。對(duì)外界干擾無補(bǔ)償能力。原因：外界擾動(dòng)的作用點(diǎn)在原因：外界擾動(dòng)的作用點(diǎn)在Smith補(bǔ)償補(bǔ)償器之后。器之后。解決措施：增加一個(gè)反饋環(huán)節(jié)解決措施：增加一個(gè)反饋環(huán)節(jié)-)()