第五章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)整定方法魏莉weili@機(jī)電工程學(xué)院測(cè)控系1編輯課件2編輯課件簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一個(gè)調(diào)節(jié)器，一個(gè)調(diào)節(jié)閥，控制一個(gè)被控參數(shù)單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，典型結(jié)構(gòu)框圖如以下圖示。調(diào)節(jié)器GC（S）調(diào)節(jié)閥GV（S）被控過(guò)程GP（S）干擾通道Gf（S）F(S)測(cè)量變送H（S）R(S)--E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)3編輯課件單回路控制系統(tǒng)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于整定和投運(yùn)；可滿足一般生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求；占控制回路的80%以上，應(yīng)用廣泛；適用于被控過(guò)程的純滯后與慣性不大、負(fù)荷與干擾變化比較平穩(wěn)或者工藝要求不太高的場(chǎng)合。4編輯課件5編輯課件第一節(jié)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述一.對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的一般要求穩(wěn)：控制系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，且有一定的穩(wěn)定裕量。準(zhǔn)：系統(tǒng)被控參數(shù)的實(shí)際運(yùn)行狀況與希望狀況的偏差要小，控制精度要高?？欤合到y(tǒng)從一種工作狀態(tài)向另一種工作狀態(tài)過(guò)渡時(shí)間要短，即衰減振蕩短。

工程上三者往往相互矛盾，如要精度高那么平穩(wěn)受影響，要平穩(wěn)那么快速性受削弱，一般應(yīng)滿足最重要要求，分清主次。6編輯課件過(guò)控系統(tǒng)組成:被控過(guò)程；控制儀表；檢測(cè)儀表等。主要工作:確定控制方案；選擇檢測(cè)方法；選擇檢測(cè)儀表；選擇控制儀表;參數(shù)整定。二.過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本方法與步驟7編輯課件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟:1.熟悉系統(tǒng)的技術(shù)要求或性能指標(biāo)2.建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型過(guò)程的數(shù)模是理論分析和深入設(shè)計(jì)的根底和依據(jù)。3.控制方案確實(shí)定含系統(tǒng)組成和控制方式,確定方案的依據(jù)是被控過(guò)程的特性,技術(shù)指標(biāo),控制任務(wù)的要求,方案要簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)可行,要有比較。4.根據(jù)系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行理論分析和綜合由技術(shù)指標(biāo),系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性,確定調(diào)節(jié)規(guī)律和參數(shù)整定。分析方法:頻率法,根軌跡法,優(yōu)化設(shè)計(jì)等。分析工具:計(jì)算機(jī)仿真等。5.設(shè)備選型6.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證8編輯課件內(nèi)容包括方案設(shè)計(jì)：即系統(tǒng)組成和控制方式，是設(shè)計(jì)的核心，方案不合理，選何種儀表都無(wú)作用。工程設(shè)計(jì)：指儀表選型，控制室和儀表盤(pán)設(shè)計(jì)，供電供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，信號(hào)連鎖和系統(tǒng)保護(hù)。工程安裝與儀表調(diào)校。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)行在最正確狀態(tài)。核心內(nèi)容控制方案設(shè)計(jì)；調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。三.過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容9編輯課件1認(rèn)真熟悉過(guò)程特性要了解過(guò)程特性,熟悉工藝流程特點(diǎn)要求,這是方案的重要依據(jù)。2要明確過(guò)程中各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)系3.測(cè)量信號(hào)的預(yù)先處理一般測(cè)量信號(hào)作反響用較重要,但是現(xiàn)場(chǎng)信號(hào),故噪聲大,要進(jìn)行濾波或線性化或溫度補(bǔ)償?shù)阮A(yù)處理。4.系統(tǒng)的平安保護(hù)平安可靠,尤其是在高溫高壓,易燃易爆,強(qiáng)腐蝕等環(huán)境下,要選符合要求的儀表和設(shè)備。四.系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的幾個(gè)問(wèn)題10編輯課件第二節(jié)過(guò)程特性對(duì)控制質(zhì)量的

影響及控制方案確實(shí)定一.干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響調(diào)節(jié)器GC（S）調(diào)節(jié)閥GV（S）被控過(guò)程GP（S）干擾通道Gf（S）F(S)測(cè)量變送H（S）R(S)--E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)干擾與系統(tǒng)輸出的傳遞關(guān)系11編輯課件系統(tǒng)輸出與干擾的傳遞函數(shù):C(S)/F(S)=Gf(S)/[1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)]設(shè)干擾通道Gf(S)為一單容過(guò)程,即Gf(S)=Kf/(TfS+1)那么有C(S)/F(S)={1/[1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)]}{Kf/(TfS+1)}或有延時(shí)τf時(shí)C(S)/F(S)={Gf(S)/[1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)]}exp(-τfS)12編輯課件1.靜態(tài)增益Kf:Kf越大,擾動(dòng)引起輸出越大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減小Kf,如辦不到,應(yīng)增強(qiáng)控制作用,或采用擾動(dòng)補(bǔ)償。2.時(shí)間常數(shù)Tf:Gf(S)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié),對(duì)擾動(dòng)F(S)有一定的濾波作用,Tf越大,效果越明顯,故Tf越大,擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響越小。3.延時(shí)τf:相當(dāng)于擾動(dòng)推遲一段時(shí)間進(jìn)入系統(tǒng),對(duì)控制質(zhì)量無(wú)影響4.F(S)進(jìn)入系統(tǒng)的位置的影響如F(S)在GP(S)之前進(jìn)入系統(tǒng):則C(S)/F(S)=1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)Gf(S)GP(S)..或C(S)/F(S)=1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)1KfTfS+1KPTPS+1又多了一個(gè)濾波器13編輯課件調(diào)節(jié)器GC（S）調(diào)節(jié)閥GV（S）被控過(guò)程GP（S）F1(S)測(cè)量變送H（S）R(S)--E(S)C(S)Y(S)F2(S)F3(S)14編輯課件控制通道:其作用總是力圖使被控參數(shù)與給定值相一致擾動(dòng)通道:其作用總是力圖使被控參數(shù)與給定值相偏離二.控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響15編輯課件1.靜態(tài)增益KO:調(diào)節(jié)器的KC一定時(shí):KO越大控制作用越強(qiáng),抗擾能力越強(qiáng),穩(wěn)態(tài)誤差越小,被控參數(shù)對(duì)控制作用反響越靈敏。KO越大意味著系統(tǒng)的靜態(tài)增益越大,對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性不利。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮穩(wěn)定性快速性和穩(wěn)態(tài)誤差三方面:改變KC使開(kāi)環(huán)增益KOKC適宜,當(dāng)KO越大,KC越小,降低調(diào)節(jié)器要求2.時(shí)間常數(shù)TO:TO較大,調(diào)節(jié)器對(duì)被控參數(shù)的調(diào)節(jié)作用就不及時(shí),過(guò)渡過(guò)程加長(zhǎng)TO過(guò)小,控制作用過(guò)于靈敏,引起振蕩,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)TO較小,或增加微分16編輯課件3.純時(shí)延το:信號(hào)傳輸,測(cè)量變送等產(chǎn)生,對(duì)系統(tǒng)影響不利,既不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)被控參數(shù)的變化,又不能使控制作用及時(shí)產(chǎn)生效應(yīng),使動(dòng)態(tài)偏差增大,超調(diào)增加,相角滯后穩(wěn)定性降低,應(yīng)盡量減小το過(guò)控中用τO/TO反映控制的難易程度,τO/TO≤0.3易控,τO/TO≥0.5難控17編輯課件4.時(shí)間常數(shù)匹配:設(shè)廣義被控過(guò)程傳遞函數(shù)為:(由被控過(guò)程,測(cè)量元件,調(diào)節(jié)閥等一階慣性環(huán)節(jié)串接〕GO(S)=K(T1S+1)(T2S+1)(T3S+1)那么臨界穩(wěn)定增益為:KO=2+T1/T2+T2/T3+T3/T2+T2/T1+T3/T1+T1/T3KO的大小取決于T1,T2,T3的相比照值,計(jì)算可知:時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)越多，開(kāi)環(huán)增益就允許提高的越多，對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量越有利，實(shí)際上，最大時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)過(guò)程核心設(shè)備，不易改變，可選擇小時(shí)間常數(shù)的測(cè)量?jī)x表和具有小時(shí)間常數(shù)的調(diào)節(jié)閥。18編輯課件控制方案選被控參數(shù)(控制哪一個(gè)參數(shù))選控制參數(shù)(操縱變量)測(cè)量和變送選調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行器確定調(diào)節(jié)規(guī)律確定控制方案:借助于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)以及理論分析和計(jì)算。三.控制方案確實(shí)定19編輯課件(1)應(yīng)選取對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量,平安生產(chǎn),經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有決定性作用的,可直接測(cè)量的工藝參數(shù)作為被控參數(shù)。(2)對(duì)難以直接測(cè)量的被控參數(shù),應(yīng)選取一個(gè)與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)(精餾塔)。(3)用間接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí),該參數(shù)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有足夠的控制靈敏度(4)考慮工藝過(guò)程的合理性和選用儀器儀表的性能價(jià)格比一般情況下,對(duì)于一個(gè)已經(jīng)運(yùn)行的生產(chǎn)過(guò)程,被控參數(shù)是確定的,實(shí)際上已無(wú)多大選擇余地1、系統(tǒng)被控參數(shù)的選取20編輯課件21編輯課件根據(jù)過(guò)程特性對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量影響的分析,選擇操縱變量(1)選擇結(jié)果應(yīng)使靜態(tài)增益KO應(yīng)盡可能大一些,時(shí)間常數(shù)TO適當(dāng)小一些,由生產(chǎn)過(guò)程,系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo),調(diào)節(jié)器參數(shù)整定范圍,用自控理論分析計(jì)算來(lái)確定。(2)純時(shí)延時(shí)間τO應(yīng)盡量小,τO/TO要小于0.3，此比值過(guò)大時(shí),不能用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。(3)擾動(dòng)通道的靜態(tài)增益Kf要盡可能小,時(shí)間常數(shù)Tf要盡可能大,擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離被控參數(shù),靠近執(zhí)行器,可抑制擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響。(4)錯(cuò)開(kāi)廣義被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)(5)考慮工藝操作的合理可行性和經(jīng)濟(jì)性2、控制參數(shù)(操縱變量)的選擇22編輯課件測(cè)量變送的傳遞函數(shù):Y(S)/X(S)={Km/(TmS+1)}exp(-τmS)亦即純延時(shí)慣性環(huán)節(jié)，入出之間存在動(dòng)態(tài)偏差，與儀表的精度等級(jí)無(wú)關(guān)。xyxy階躍響應(yīng)tτmτm+Tm0τmτm+Tm0xyxyt速度信號(hào)響應(yīng)儀表的靜態(tài)誤差:是指穩(wěn)態(tài)時(shí)測(cè)量值與真實(shí)值之間的偏差為了減小動(dòng)態(tài)誤差,提高測(cè)量精度,應(yīng)設(shè)法減小τm和Tm,在其他一定的情況下,只能選快速測(cè)量?jī)x表3、被控參數(shù)的測(cè)量及變送問(wèn)題23編輯課件有以下幾個(gè)問(wèn)題要注意:(1)正確安裝測(cè)量?jī)x表(2)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波和線性化(3)對(duì)純時(shí)延要盡可能進(jìn)行補(bǔ)償Gm(S)exp(-τmS)+Gθ(S)+x(S)y(S)加補(bǔ)償環(huán)節(jié)后x(S)Gm(S)=x(S)Gm(S)exp(-τmS)+x(S)Gθ(S)那么Gθ(S)=Gm(S){1-exp(-τmS)}構(gòu)造Gθ(S)即可24編輯課件(4)盡可能消除Tm影響選用快速儀表,但受一定的局限,一般在測(cè)量變送環(huán)節(jié)輸出端串接微分環(huán)節(jié)。Km/(TmS+1)TDS+1x(S)Y(S)y(S)/x(S)={Km(TDS+1)}/(TmS+1)假設(shè)TD=Tm那么可消除Tm的影響實(shí)際工程中,將此微分環(huán)節(jié)串于調(diào)節(jié)器之后,除可消除Tm的影響外,還可起到加快系統(tǒng)對(duì)給定值變動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的作用(5)氣動(dòng)信號(hào)時(shí)延問(wèn)題氣動(dòng)傳輸管道特性:G(S)={1/(TS+1)}exp(-τS)盡量縮短氣路,增設(shè)繼動(dòng)器,補(bǔ)償25編輯課件氣動(dòng)執(zhí)行器多用，其次是電動(dòng)執(zhí)行器，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇。氣動(dòng)執(zhí)行器有氣開(kāi)和氣關(guān)兩種形式，應(yīng)在調(diào)節(jié)器輸出為零或氣源中斷時(shí)生產(chǎn)過(guò)程處于平安狀態(tài)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度和口徑選擇:口徑過(guò)小,系統(tǒng)受大擾動(dòng)時(shí),即使全開(kāi),也會(huì)暫時(shí)失控；口徑過(guò)大,閥門(mén)常處小開(kāi)度,沖擊使閥門(mén)受損失靈,正常工況下,閥開(kāi)度應(yīng)在15%--85%之間。調(diào)節(jié)閥的流量特性:考慮通過(guò)閥的非線性流量特性補(bǔ)償被控過(guò)程的非線性特性電動(dòng)執(zhí)行器一般是電開(kāi)形式4、調(diào)節(jié)閥(執(zhí)行器)的選擇26編輯課件關(guān)于正反作用被控過(guò)程的正反作用正作用：輸入量↑↓時(shí),輸出量↑↓,KP為正反作用：輸入量↑↓時(shí),輸出量↓↑,KP為負(fù)如水池在出口流量一定時(shí),進(jìn)口流量↑液位↑,為正作用如水池在入口流量一定時(shí),出口流量↑液位↓,為反作用5、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律選擇調(diào)節(jié)器的正反作用正作用:反饋至輸入端的測(cè)量值↑↓調(diào)節(jié)器的輸出↑↓,KC為負(fù)反作用:反饋至輸入端的測(cè)量值↑↓調(diào)節(jié)器的輸出↓↑,KC為正調(diào)節(jié)閥氣開(kāi):KV為正氣關(guān):KV為負(fù)測(cè)量變送環(huán)節(jié)Km為正27編輯課件調(diào)節(jié)器正反作用確定：由安全確定氣開(kāi)氣關(guān)過(guò)程特性確定正反類型確定測(cè)量變送環(huán)節(jié)極性確定調(diào)節(jié)器正反作用系統(tǒng)正常工作:保證負(fù)反響28編輯課件例1:水槽液位控制系統(tǒng)“-〞“+〞“+〞“+〞29編輯課件例2:加熱爐溫度控制系統(tǒng)“-〞“+〞“+〞“+〞30編輯課件第三節(jié)調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制質(zhì)量的影響

及調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇控制器的作用：控制執(zhí)行器，改變操縱變量使被控變量符合生產(chǎn)要求。控制器在閉環(huán)控制系統(tǒng)中將檢測(cè)變送環(huán)節(jié)傳送過(guò)來(lái)的信息與被控變量的設(shè)定值比較后得到偏差，然后根據(jù)偏差按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，最終輸出控制信號(hào)作用于執(zhí)行器上。31編輯課件過(guò)程控制一般是指連續(xù)控制系統(tǒng)，控制器的輸出隨時(shí)間的變化發(fā)生連續(xù)變化。不管是何種控制器，都有其根本的調(diào)節(jié)規(guī)律。調(diào)節(jié)規(guī)律的定義：是指控制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系。

控制器的輸入信號(hào)e(t)：是測(cè)量值y(t)與被控變量的設(shè)定值之差，即e(t)=r(t)-y(t)；

控制器的輸出信號(hào)u(t)：是送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制命令。

調(diào)節(jié)規(guī)律就是控制器的輸出信號(hào)u(t)隨輸入信號(hào)e(t)變化的規(guī)律。32編輯課件以熱交換器溫度控制系統(tǒng)為例：設(shè)熱交換器出口溫度正常操作時(shí)應(yīng)為85℃，載熱體是蒸汽。位式調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)33編輯課件一.比例調(diào)節(jié)(ProportionalControl)調(diào)節(jié)器的輸出:u=KCe

Kc——比例增益，衡量比例控制作用強(qiáng)弱的變量。Kc越大，在相同偏差輸入下，輸出也越大?？刂破鞯妮敵鲎兓颗c輸入偏差成正比例，在時(shí)間上沒(méi)有延滯。在實(shí)際中，習(xí)慣上使用比例帶δ表示比例控制作用的強(qiáng)弱。比例帶:δ=1/KC

34編輯課件1.有差調(diào)節(jié),存在靜態(tài)誤差,e為零,那么u=0,失去調(diào)節(jié)作用,只能被控參數(shù)有差跟蹤給定值，動(dòng)作速度快。2.靜差隨δ↓而↓,但穩(wěn)定性↓,動(dòng)態(tài)變壞3.不適合于給定值隨時(shí)間變化的情況，會(huì)使跟蹤誤差隨時(shí)間增大而增大。4.關(guān)于KCKC增加,可減小靜差,降低系統(tǒng)慣性,加快響應(yīng)速度,但系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。C(S)/R(S)={KOKC/(1+KOKC)}/{[TO/(1+KOKC)]S+1}=K/(TS+1)Kc越大，那么T比TO減小很多KCKO/(TOS+1)R(S)e(S)u(S)C(S)--35編輯課件5.關(guān)于比例帶比例調(diào)節(jié)不是輸出與輸入成比例，而是兩者的變化量成比例。比例帶δ：控制器輸入的變化相對(duì)值與相應(yīng)的輸出變化相對(duì)值之比的百分?jǐn)?shù)其中：e為控制器輸入信號(hào)的變化量，即偏差信號(hào)；(Zmax-Zmin)為控制器輸入信號(hào)的變化范圍，即量程；Δu為控制器輸出信號(hào)的變化量，即控制命令；(umax-umin)為控制器輸出信號(hào)變化范圍。36編輯課件X50%50%100%100%Yδ=2δ=1δ=0.5橫軸投影長(zhǎng)度即為δ,在此范圍內(nèi)是有比例作用的,假設(shè)偏差太大超出此范圍,就不再有比例作用,輸出變量像開(kāi)關(guān),不是最大就是最小。比例帶的具體意義為：使控制器的輸出變化滿刻度時(shí)，相應(yīng)的控制器輸入變化量占輸入信號(hào)變化范圍的百分?jǐn)?shù)。即要使輸出做全范圍變化，輸入信號(hào)必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮住?7編輯課件例題：一臺(tái)比例作用的溫度調(diào)節(jié)器，其溫度的變化范圍為400-800℃，調(diào)節(jié)器的輸出范圍是4-20mA。當(dāng)溫度從600℃變化到700℃時(shí)，調(diào)節(jié)器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)?2mA，試求該調(diào)節(jié)器的比例帶。這說(shuō)明在這個(gè)比例帶下，溫度全范圍變化〔相當(dāng)于400℃〕時(shí)，控制器的輸出從最小變?yōu)樽畲?，在此區(qū)間內(nèi)，e和u是成比例的。38編輯課件比例帶對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響δ小于臨界值δ等于臨界值δ偏小δ適當(dāng)δ偏大δ太大39編輯課件進(jìn)水出水設(shè)定值HSP調(diào)節(jié)閥浮子支點(diǎn)L1L2L3L4杠桿閥桿比例式液位調(diào)節(jié)原理比例增益KC=L1/L2比例帶δ=1/KC用水多時(shí)實(shí)際水位必然要低于設(shè)定值，閥門(mén)才能開(kāi)大用水少時(shí)實(shí)際水位必然要高于設(shè)定值，閥門(mén)才能關(guān)小靜差ProportionalControl舉例說(shuō)明40編輯課件調(diào)節(jié)器的輸出在人工調(diào)節(jié)時(shí)有一個(gè)理所當(dāng)然的原那么,就是偏差不除決不罷休,只要偏差存在就持續(xù)不斷地調(diào)下去,直到把偏差完全消除為止;非但如此,偏差存在的時(shí)間長(zhǎng),說(shuō)明擾動(dòng)大,已經(jīng)施加在對(duì)象上的調(diào)節(jié)動(dòng)作還缺乏以抑制偏差,需要更大的操作量,即操作量應(yīng)和偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。二.積分調(diào)節(jié)(IntegralControl)只要偏差存在,調(diào)節(jié)器的輸出就不斷增加,e=0,不再增加但維持其輸出。1.無(wú)差調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束,靜差就不存在2.積分常數(shù)SC大,那么效果↑但穩(wěn)定性降低3.I比P穩(wěn)定性差,因階數(shù)增加,出比入滯后90041編輯課件PI的輸出：u=KCe+(KC/TI)∫edt

=1/δ{e+(1/TI)∫edt}0t0t傳遞函數(shù):GC(S)=U(S)/E(S)=1/δ{1+1/(TIS)}=1/δ{(TIS+1)/(TIS)}ΔettuTIKCΔe2KCΔe階躍響應(yīng)如左圖,在起始階段P起作用,之后,PI共同作用,把P的快速性與I的消除靜差相結(jié)合。積分作用的滯后特性:動(dòng)態(tài)比P差積分飽和:由于某些原因,Δe一直存在,使積分器深度飽和,失去調(diào)節(jié)作用,這是不允許的,要防止。PI調(diào)節(jié)單獨(dú)I調(diào)節(jié)無(wú)實(shí)用意義,而是用PI調(diào)節(jié)，將P的快速與I的無(wú)差結(jié)合。42編輯課件在一個(gè)純比例控制的閉環(huán)系統(tǒng)中引入積分作用時(shí)，假設(shè)保持控制器的比例度δ不變，那么可從以下圖所示的曲線族中看到，隨著TI減小，那么積分作用增強(qiáng)，消除余差較快，但控制系統(tǒng)的振蕩加劇，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；TI過(guò)小，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。TI小，擾動(dòng)作用下的最大偏差下降，振蕩頻率增加。TI的影響43編輯課件結(jié)論：在比例控制系統(tǒng)中引入積分作用的優(yōu)點(diǎn)是能夠消除余差，然而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；假設(shè)要保持系統(tǒng)原有的衰減比，必須相應(yīng)加大控制器的比例帶，這會(huì)使系統(tǒng)的其它控制指標(biāo)下降。因此，如果余差不是主要的控制指標(biāo)，就沒(méi)有必要引入積分作用。由于比例積分控制器具有比例和積分控制的優(yōu)點(diǎn)，有比例帶δ和TI兩個(gè)參數(shù)可供選擇，因此適用范圍比較寬廣，多數(shù)控制系統(tǒng)都可以采用。44編輯課件無(wú)論是P還是I都是系統(tǒng)有偏差時(shí)才去處理,最好是能預(yù)測(cè)被調(diào)參數(shù)的變化趨勢(shì),從而當(dāng)機(jī)立斷事先采取措施,防患于未然,這種根據(jù)被調(diào)參數(shù)變化速度采取的動(dòng)作叫微分作用。D調(diào)節(jié)的輸出：u=SDde/dt同樣,單純D調(diào)節(jié)也無(wú)多大實(shí)用價(jià)值，常和P或I結(jié)合,組成PD,PID調(diào)節(jié)。三.微分調(diào)節(jié)(DifferentialControl)45編輯課件輸出u=KCe+KCTD(de/dt)=1/δ{e+TD(de/dt)}傳遞函數(shù)GC(S)=U(S)/E(S)=1/δ(1+TDS)

因微分易引入高頻噪聲,一般加低通濾波,那么GC(S)=U(S)/E(S)=(1/δ){(1+TDS)}/{(TD/KD)S+1}KD為微分增益,在5--10之間,這樣分母項(xiàng)時(shí)間常數(shù)是分子項(xiàng)的1/5--1/10，分析時(shí)可以忽略分母項(xiàng)時(shí)間常數(shù)的影響。1、PD調(diào)節(jié)46編輯課件0.632YDYP+YDYXttYPTD1.PD是有差調(diào)節(jié),穩(wěn)態(tài)下D已不起作用,只剩P了2.PD可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,抑制過(guò)渡過(guò)程最大超調(diào)3.PD可減小靜差,提高響應(yīng)速度,因D↑后可δ↓KC↑4.PD適合于時(shí)間常數(shù)大的過(guò)程,不適合于Q,P等變化劇烈的過(guò)程,會(huì)使閥頻繁開(kāi)關(guān)振蕩47編輯課件輸出

u=KCe+S1∫edt+S2(de/dt)或u=1/δ(e+1/TI∫edt+TDde/dt)0t0t傳遞函數(shù)GC(S)=1/δ{1+1/(TIS)+TDS}=1/δ{(TITDS2+TIS+1)/(TIS)}2、PID調(diào)節(jié)48編輯課件PID調(diào)節(jié)是P,I和D的線性組合,結(jié)合了比例的快速性,積分的消除靜差和微分的預(yù)測(cè)性,要整定三個(gè)參數(shù)，比較困難PIDttttPID階躍作用時(shí)的響應(yīng),為正極性信號(hào)作用于正作用的調(diào)節(jié)器49編輯課件PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響比例度過(guò)小，即比例放大系數(shù)過(guò)大時(shí)，比例控制作用很強(qiáng)，系統(tǒng)有可能產(chǎn)生振蕩；積分時(shí)間過(guò)小時(shí)，積分控制作用很強(qiáng)，易引起振蕩；微分時(shí)間過(guò)大時(shí)，微分控制作用過(guò)強(qiáng)，易產(chǎn)生振蕩。50編輯課件PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響：比例〔P〕控制51編輯課件PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響：比例積分〔PI〕控制52編輯課件PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響：比例微分〔PD〕控制53編輯課件PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響：比例積分微分〔PID〕控制54編輯課件55編輯課件調(diào)節(jié)規(guī)律應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性,負(fù)荷變化,擾動(dòng)以及控制要求等具體情況來(lái)具體分析并考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行方便等因素來(lái)確定1.當(dāng)廣義控制通道時(shí)間常數(shù)或容積遲延較大時(shí)應(yīng)引入D調(diào)節(jié),假設(shè)允許有靜差,引入PD,不允許有靜差,選用PID。2.當(dāng)廣義控制通道時(shí)間常數(shù)較小,負(fù)荷變化不大,工藝允許有靜差時(shí),選P調(diào)節(jié),如儲(chǔ)罐壓力,液位等工業(yè)過(guò)程。四.調(diào)節(jié)規(guī)律確實(shí)定56編輯課件3.當(dāng)廣義控制通道時(shí)間常數(shù)較小,負(fù)荷變化不大,但工藝要求無(wú)靜差時(shí),選PI調(diào)節(jié),如管道壓力和流量控制等。4.當(dāng)廣義控制通道時(shí)間常數(shù)很大,而且純時(shí)延較大,負(fù)荷變化也劇烈時(shí),簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿足要求,要用復(fù)雜控制系統(tǒng)或其它控制方案。5.假設(shè)廣義過(guò)程的傳遞函數(shù)為GO(S)={KOexp(-τ0S)}/(TOS+1)τ0/TO＜0.2時(shí),選P或PI0.2＜τ0/TO＜1.0時(shí),選PD或PIDτ0/TO＞1.0時(shí),簡(jiǎn)單控制不能滿足要求,選串級(jí)或前饋--反響復(fù)合控制57編輯課件五.位式控制雙位控制是位式控制的最簡(jiǎn)單形式。雙位控制的規(guī)律是：當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，控制器的輸出最大（或最?。?；而當(dāng)測(cè)量值小于給定值時(shí)，則控制器的輸出為最?。ɑ蜃畲螅?。其偏差e與輸出u間的關(guān)系為：當(dāng)e>0或e<0時(shí)，e<0或e>0時(shí)，

雙位控制只有兩個(gè)輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行器也只有兩個(gè)極限位置，“開(kāi)”或“關(guān)”。而且從一個(gè)位置到另一個(gè)位置是極其迅速的，這種特性又稱繼電特性。

1、雙位控制58編輯課件是一個(gè)典型的雙位控制系統(tǒng)。它是利用電極式液位計(jì)來(lái)控制電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，從而使貯槽液位維持在給定值上下很小一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。

59編輯課件在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器假設(shè)要按上述規(guī)律動(dòng)作，那么執(zhí)行器動(dòng)作非常頻繁，這樣就會(huì)使系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件〔如上例中的繼電器、電磁閥等〕因動(dòng)作頻繁而損壞，因而很難保持雙位控制系統(tǒng)平安、可靠地工作。實(shí)際生產(chǎn)中被控變量與給定值之間總是允許有一定偏差，因此，實(shí)際應(yīng)用的雙位控制器都有一個(gè)中間區(qū)〔有時(shí)就是儀表的不靈敏區(qū)〕。帶中間區(qū)的雙位控制規(guī)律是：當(dāng)被控變量上升時(shí)，必須在測(cè)量值高于給定值某一數(shù)值后，閥門(mén)才“關(guān)〞〔或“開(kāi)〞〕；而當(dāng)被控變量下降時(shí)，必須在測(cè)量值低于給定值某一數(shù)值后，閥門(mén)才“開(kāi)〞〔或“關(guān)〞〕。在中間區(qū)域，閥門(mén)是不動(dòng)作的。這樣，就可以大大降低執(zhí)行器開(kāi)閉閥門(mén)的頻繁程度。2、具有中間區(qū)的雙位控制

60編輯課件圖中上面的曲線是控制器輸出〔例如通過(guò)電磁閥的流體流量Q〕與時(shí)間t的關(guān)系；下面的曲線是被控變量〔液位〕在中間區(qū)內(nèi)隨時(shí)間變化的曲線。當(dāng)液位低于下限值時(shí)，電磁閥是開(kāi)的，流體流量大于流出的流體流量，故液位上升。當(dāng)上升到上限值時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉，流體停止流入。由于此時(shí)內(nèi)流體仍在流出，故液位下降，直到液位下降至下限值時(shí)，電磁閥才重新開(kāi)啟，液位又開(kāi)始上升。因此，帶中間區(qū)的雙位控制過(guò)程是被控變量在它的上限值與下限值之間的等幅振蕩過(guò)程。61編輯課件雙位控制器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢較低、易于實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用很普遍。常見(jiàn)的雙位控制器有：帶電觸點(diǎn)的壓力表、帶電觸點(diǎn)的水銀溫度計(jì)、雙金屬片溫度計(jì)、動(dòng)圈式雙位批示調(diào)節(jié)儀等。在工業(yè)生產(chǎn)中，如對(duì)控制質(zhì)量要求不高，且允許進(jìn)行位式控制時(shí)，可采用雙位控制器構(gòu)成雙位控制系統(tǒng)。如空氣壓縮機(jī)貯罐的壓力控制，恒溫箱、電烘箱、管式加熱爐的溫度控制等就常采用雙位控制系統(tǒng)。62編輯課件3、三位控制

雙位控制的特點(diǎn)是：控制器只有最大與最小兩個(gè)輸出值；執(zhí)行器只有“開(kāi)〞與“關(guān)〞兩個(gè)極限位置。因此，對(duì)象中物料量或能量總是處于嚴(yán)重的不平衡狀態(tài)，被控變量總是劇烈振蕩，得不到比較平穩(wěn)的控制過(guò)程。為了改善這種特性，控制器的輸出可以增加一個(gè)中間值，即當(dāng)被控變量在某一個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，執(zhí)行器可以處于某一中間位置，以使系統(tǒng)中物料量或能量的不平衡狀態(tài)得到緩和，這就構(gòu)成了三位式控制規(guī)律。63編輯課件64編輯課件第四節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID調(diào)節(jié)器的比例度δ,積分時(shí)間TI，微分時(shí)間TD大小。整定的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過(guò)程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最正確控制效果。投運(yùn)步驟：檢測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行；調(diào)節(jié)閥手動(dòng)遙控；調(diào)節(jié)器投運(yùn)。待回路工況穩(wěn)定后，可投入自動(dòng)：把調(diào)節(jié)器PID參數(shù)值設(shè)置適宜位置，當(dāng)其偏差接近零時(shí)，即將調(diào)節(jié)器由手動(dòng)切換到自動(dòng)；假設(shè)還不夠理想，那么繼續(xù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，直到滿意為止。65編輯課件控制系統(tǒng)投運(yùn)：關(guān)鍵是自動(dòng)和手動(dòng)的切換要求：必須保證是無(wú)擾動(dòng)切換。手動(dòng)：通過(guò)控制器，手動(dòng)給出控制器的輸出，手動(dòng)輸出。手動(dòng)時(shí)，自動(dòng)輸出跟蹤手動(dòng)輸出。自動(dòng)：控制器根據(jù)偏差，自動(dòng)計(jì)算給出控制器的輸出，自動(dòng)輸出。自動(dòng)時(shí)，手動(dòng)輸出跟蹤自動(dòng)輸出。一般，儀表控制器帶有自動(dòng)/手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，計(jì)算機(jī)控制時(shí)，也必須設(shè)置這樣的開(kāi)關(guān)。66編輯課件控制系統(tǒng)整定1、整定的目的目前根本控制器一般均為PID控制器〔比例、積分、微分控制器〕。PID控制器整定，調(diào)節(jié)P、I、D參數(shù)，使得控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)到達(dá)滿意。一旦控制控制系統(tǒng)安裝到位，控制系統(tǒng)的品質(zhì)就取決于控制器的參數(shù)設(shè)置目的：選擇什么樣的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。常見(jiàn)的，如4：1衰減等，根據(jù)不同的實(shí)際情況，有所不同。67編輯課件2、整定方法兩類：理論計(jì)算和工程整定方法3、理論整定方法基于控制原理的計(jì)算方法〔時(shí)域法、頻域法、根軌跡法等〕，例子見(jiàn)教材。理論整定方法，必須要求各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，對(duì)于一般的實(shí)際問(wèn)題，難于滿足。另外，理論計(jì)算也比較煩瑣，工程上一般不采用。4、工程整定方法工程整定方法，經(jīng)驗(yàn)方法，簡(jiǎn)單、方便，工程實(shí)際中廣泛采用。68編輯課件調(diào)節(jié)器參數(shù)整定常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)衰減率ψ=0.75--0.90(衰減比為4:1--10:1)為主要指標(biāo),盡量滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,最大動(dòng)態(tài)偏差,過(guò)渡時(shí)間等其它指標(biāo)y1y3xt靜差衰減率ψ=(y1-y3)/y1=0.75--0.90衰減比n=y1/y3=4:1--10:169編輯課件這是一種閉環(huán)整定方法,無(wú)需測(cè)試過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性,方法簡(jiǎn)單方便,使用較多先TI=∞,TD=0,〔沒(méi)有積分、微分作用〕δ置于100%〔K==1〕,系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行2系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,對(duì)設(shè)定值施加一個(gè)階躍擾動(dòng),由大到小減小δ,直到系統(tǒng)輸出Y出現(xiàn)等幅振蕩,亦即臨界振蕩，記錄此時(shí)的δK和TK4

由δK和TK查表,表中數(shù)據(jù)是由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而來(lái)一.臨界比例度法3假設(shè)Y衰減振蕩，那么繼續(xù)減小δ；假設(shè)Y發(fā)散振蕩，那么應(yīng)增大δ70編輯課件tTKC(t)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律PPIPIDδ%TITD2δK2.2δK1.7δK0.85TK0.5TK0.125TK臨界比例度法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：有些實(shí)際系統(tǒng)不允許進(jìn)行等幅振蕩測(cè)試(如鍋爐給水和燃燒控制)，另外，對(duì)象也必須是二階以上系統(tǒng)，否那么，不能出現(xiàn)振蕩。71編輯課件無(wú)需出現(xiàn)等幅振蕩1先TI=∞,TD=0,δ置于較大,系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行2系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,對(duì)設(shè)定值施加一個(gè)階躍擾動(dòng),調(diào)整δ,直到系統(tǒng)出現(xiàn)衰減比為4:1或10:1的振蕩,記錄此時(shí)的δS和TS或Tr由δS和TS和Tr查表,表中數(shù)據(jù)是由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而來(lái)二.衰減曲線法72編輯課件C(t)tTSC(t)tTr衰減比ψ整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律PPIPID0.75δ%TITDδS1.2δS0.5TS0.8δS0.3TS0.1TS0.90PPIPIDδS1.2δS2Tr0.8δS1.2Tr0.4Tr優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)際應(yīng)用缺點(diǎn)：有時(shí)4：1衰減10：1衰減曲線不太好確定，只能近似

73編輯課件這是一種開(kāi)環(huán)整定方法,用廣義過(guò)程的階躍響應(yīng)特性曲線進(jìn)行參數(shù)整定GC(S)GV(S)GP(S)Gm(S)∫∫∫∫RSCSy(S)三.反響曲線法系統(tǒng)開(kāi)環(huán)、穩(wěn)定〔測(cè)量值等于給定值〕手動(dòng)操作控制器產(chǎn)生一個(gè)階躍輸出，它將作用于廣義對(duì)象上，記錄Y的曲線〔反響曲線〕此方法簡(jiǎn)單，但有些實(shí)際場(chǎng)合，不允許進(jìn)行開(kāi)環(huán)階躍實(shí)驗(yàn)74編輯課件對(duì)于無(wú)自衡的廣義過(guò)程,傳遞函數(shù)為:

GO(S)=(ε/S)exp(-τs)對(duì)于有自衡的廣義過(guò)程,傳遞函數(shù)為:

GO(S)={KO/(1+TOS)}exp(-τs)

={(1/ρ)/(1+TOS)}exp(-τs)y(t)ε=tgαty(t)τTOtKO=1/ρτ75編輯課件GC（S）1/δ（1+1/TIS）/δ(1+1/TIS+TDS)/δP調(diào)節(jié)規(guī)律δετ0.85ετTI2τTD0.5τPIPID1.1ετ3.3τ調(diào)節(jié)規(guī)律PPIPID(1+1/TIS+TDS)δ(1+1/TIS)δ1δGC(S)τ/TO≤0.2δTITD1/ρ●τ/TO1.1/ρ●τ/TO.85/ρ●τ/TO3.3τ2τ0.5τ0.2≤τ/TO≤1.5δTIτTO-0.08)(τTO+0.7)(2.6ρτTO-0.08)(τTO+0.6)(2.6ρτTO-0.15)(τTO+0.08)(2.6ρ0.8T00.81T0+0.19τTD0.25TIΨ=0.75無(wú)自衡Ψ=0.75有自衡76編輯課件1.P調(diào)節(jié)器

1/δ=1/KO[(τ/TO)-1+0.3333]2.PI調(diào)節(jié)器

1/δ=1/KO[0.9(τ/TO)-1+0.082]TI/TO=[3.33(τ/TO)+0.3(τ/TO)2]/[1+2.2(τ/TO)]3.PID調(diào)節(jié)器

1/δ=1/KO[1.35(τ/TO)-1+0.27]TI/TO=[2.5(τ/TO)+0.5(τ/TO)2]/[1+0.6(τ/TO)]TD/TO=[0.37(τ/TO)]/[1+0.2(τ/TO]以ψ=0.75為性能指標(biāo)反響曲線法之柯恩--庫(kù)恩整定公式77編輯課件絕對(duì)誤差積分IAE=∫│e(t)│dt0∞平方誤差積分ISE=∫e2(t)dt0∞時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積積分ITAE=∫t│e(t)│dt0∞以上述三個(gè)誤差積分極小化為準(zhǔn)那么,由計(jì)算機(jī)仿真,得到調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式:對(duì)于P調(diào)節(jié)KCKO=A(τ/TO)B對(duì)于I調(diào)節(jié)TO/TI=A(τ/TO)B對(duì)于D調(diào)節(jié)TD/TO=A(τ/TO)B其中KC=1/δ,A和B的數(shù)值查下表反響曲線法以積分誤差為準(zhǔn)那么78編輯課件判據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)作用ABIAEISEITAEIAEISEITAEIAEPPPPIPIPIPIDPPPPIPIPIPIDISEPIDPIDITAEPIDPID0.9021.4110.9040.9840.6081.3050.4920.8590.6741.4350.8781.4951.1010.5601.3570.4820.8420.381-0.985-0.917-1.084-0.986-0.707-0.959-0.739-0.977-0.680-0.921-0.7491.137-0.945-0.7711.006-0.947-0.7380.995反響曲線法以積分誤差為準(zhǔn)那么表格(定值)79編輯課件判據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)作用ABIAEITAEIAEITAEPIPIPIDPIDPI*PI*PI*DPI*D0.7581.020.5861.031.0860.7400.3480.9650.7960.3080.929-0.147-0.8550.914-0.130-0.869-0.861-0.323-0.916-0.165對(duì)于P調(diào)節(jié)KCKO=A(τ/TO)B對(duì)于I*調(diào)節(jié)TO/TI=A+B(τ/TO)對(duì)于D調(diào)節(jié)TD/TO=A(τ/TO)B對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)反響曲線法以積分誤差為準(zhǔn)那么表格(隨動(dòng))80編輯課件已知被控過(guò)程為二階慣性環(huán)節(jié)G(S)=1(5S+1)(2S+1)測(cè)量?jī)x表特性Gm(S)=10S+11調(diào)節(jié)閥特性GV(S)=1.0則廣義過(guò)程傳遞函數(shù)GP(S)=GV(S)G(S)Gm(S)=(5S+1)(2S+1)(10S+1)1實(shí)驗(yàn)得到階躍響應(yīng)曲線為近似帶純時(shí)延的一階慣性環(huán)節(jié)G'P(S)=20S+11e-2.5S舉例81編輯課件1反響曲線法τ/T0=2.5/20=0.125＜0.20,根據(jù)ψ=0.75的準(zhǔn)那么查表P調(diào)節(jié)δ=0.125即KC=8PI調(diào)節(jié)KC=7.5,TI=8.25PID調(diào)節(jié)KC=9.4,TI=5,TD=1.25P調(diào)節(jié)KC=8.3PI調(diào)節(jié)KC=7.3,TI=6.6PID調(diào)節(jié)KC=10.9,TI=5.85,TD=0.89柯--庫(kù)τ=2.5s，T0=20s，ρ=182編輯課件2臨界比例法在純比例時(shí),使