第5章简单控制系统的设计PPT讲稿.ppt

第5章简单控制系统的设计第1页，共40页，编辑于2022年，星期一本章要点本章要点1 1）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤；）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤；2 2）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数、控制参数的设计原则；被控参数、控制参数的设计原则；3 3）了解调节规律对控制质量的影响，熟悉调节规）了解调节规律对控制质量的影响，熟悉调节规律的选择方法；律的选择方法；4 4）掌握调节器作用方式的选择）掌握调节器作用方式的选择 5 5）熟悉执行器的选择方法及注意的问题；熟悉执行器的选择方法及注意的问题；6 6）掌握调节器参数的整定方法与实验技能，重点掌）掌握调节器参数的整定方法与实验技能，重点掌握调节器参数的整定方法。握调节器参数的整定方法。第2页，共40页，编辑于2022年，星期一5.1 简单控制系统设计概述简单控制系统设计概述简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。典型结构框图典型结构框图如下：如下：5.1.1 控制系统设计的任务及其开发步骤控制系统设计的任务及其开发步骤如上图所示，简单过程控制系统主要由如上图所示，简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表被控过程、过程检测和控制仪表组成组成 过程控制系统设计的过程控制系统设计的主要任务主要任务就在于如何确定合理的控制方案、选择正确的就在于如何确定合理的控制方案、选择正确的参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等 其中，其中，控制方案的确定控制方案的确定、仪表的选型仪表的选型和和调节器调节器的参数整定是过程控制系统的参数整定是过程控制系统设计的重要内容。设计的重要内容。第3页，共40页，编辑于2022年，星期一过程控制系统开发的主要步骤叙述如下：过程控制系统开发的主要步骤叙述如下：1 1熟悉控制系统的技术要求或性能指标熟悉控制系统的技术要求或性能指标控制系统的技术要求或性能指标是由用户或被控过程的设计制造单位提出的。控制系统的技术要求或性能指标是由用户或被控过程的设计制造单位提出的。是控制方案设计的主要依据之一。是控制方案设计的主要依据之一。2建立控制系统的数学模型建立控制系统的数学模型控制系统的数学模型是控制系统理论分析和设计的基础。控制系统的数学模型是控制系统理论分析和设计的基础。系统控制方案确定的合理与否在很大程度上取决于系统数学模型的精度。系统控制方案确定的合理与否在很大程度上取决于系统数学模型的精度。3 3确定控制方案确定控制方案 系统的控制方案包括系统的控制方案包括系统的构成系统的构成、控制方式控制方式和和控制规律控制规律的确定，是控制系统的确定，是控制系统设计的关键。设计的关键。控制方案的确定要依据控制方案的确定要依据被控过程的特性被控过程的特性、技术指标技术指标和控制任务和控制任务的要求，还要考虑的要求，还要考虑方案的简单性方案的简单性、经济性经济性及及技术实施技术实施的可行性等，并且要进的可行性等，并且要进行反复研究与比较行反复研究与比较，方可确定。，方可确定。4根据系统的动态和静态特性进行分析与综合根据系统的动态和静态特性进行分析与综合 在确定了系统控制方案的基础上，根据在确定了系统控制方案的基础上，根据要求的技术指标要求的技术指标和系统的和系统的动、静态特性动、静态特性进行分析与综合，以确定各组成环节的有关参数。进行分析与综合，以确定各组成环节的有关参数。第4页，共40页，编辑于2022年，星期一5系统仿真与实验研究系统仿真与实验研究 系统仿真与实验研究是检验系统理论分析与系统仿真与实验研究是检验系统理论分析与综合正确与否的重要步骤。综合正确与否的重要步骤。其中其中Matlab语言语言是进行系统仿真的有效工具。是进行系统仿真的有效工具。6工程化设计工程化设计 工程化设计的主要内容包括工程化设计的主要内容包括测量方式与测量点测量方式与测量点的确定的确定、仪器仪表的选型与定购仪器仪表的选型与定购、控制室及仪控制室及仪表盘的设计表盘的设计、仪表供电与供气系统的设计仪表供电与供气系统的设计、信信号连锁与安全保护系统的设计号连锁与安全保护系统的设计、电缆的敷设电缆的敷设以以及及保证系统正常运行的有关软件的设计保证系统正常运行的有关软件的设计等。等。7工程安装工程安装 工程安装是依据施工图对控制系统的具体实施。工程安装是依据施工图对控制系统的具体实施。8控制器的参数调整控制器的参数调整 控制器的参数调整是在控制方案设计合理、仪控制器的参数调整是在控制方案设计合理、仪器仪表工作正常、系统安装正确无误的前提下器仪表工作正常、系统安装正确无误的前提下，使系统运行在最佳状态的重要步骤。，使系统运行在最佳状态的重要步骤。一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示 第5页，共40页，编辑于2022年，星期一5.1.2 5.1.2 设计中需要注意的有关问题设计中需要注意的有关问题 1认真熟悉过程特性认真熟悉过程特性 深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一。2明确各生产环节之间的约束关系明确各生产环节之间的约束关系 生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个生产环节和工艺设备生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互影响的关系。之间通常都存在相互制约、相互影响的关系。3重视对测量信号的预处理重视对测量信号的预处理 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系统的控制质量。尽量在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产生的系统误差减少由不可避免的随即干扰而产生的系统误差 4注意系统的安全保护注意系统的安全保护 一个好的过程控制系统首先必须保证安全可靠地运行，尤其当系统处在高一个好的过程控制系统首先必须保证安全可靠地运行，尤其当系统处在高危险环境下运行时，应设计多层次、多级别的安全保护系统。危险环境下运行时，应设计多层次、多级别的安全保护系统。总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具体分析，才能获得预期的效果。体分析，才能获得预期的效果。第6页，共40页，编辑于2022年，星期一5.2 控制方案的确定控制方案的确定控制方案的确定主要包括控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。、反作用的确定等内容。5.2.1 5.2.1 被控参数的选取被控参数的选取 被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则：具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则：1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数。2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。所谓间接参数作为被控参数。3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果。难以保证对产品质量的控制效果。4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素售后服务等因素。对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。第7页，共40页，编辑于2022年，星期一5.2.2 5.2.2 控制参数的选择控制参数的选择 5.2.2.1 过程特性对控制质量的影响过程特性对控制质量的影响 1.干扰通道特性对控制质量的影响干扰通道特性对控制质量的影响对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为 假设假设为一单容过程，其传递函数为为一单容过程，其传递函数为 若单容过程具有纯时延时间若单容过程具有纯时延时间则：则：则：则：分析干扰通道特性对控制质量的影响如下分析干扰通道特性对控制质量的影响如下:(式式1)(式式2)(式式3)(1)干扰通道干扰通道 的影响：的影响：由式由式2可知当可知当越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。在系统设计时应尽可能选择静态增益在系统设计时应尽可能选择静态增益 小的干扰通道，以减小干扰对被控参数小的干扰通道，以减小干扰对被控参数的影响。当的影响。当无法被改变时，应当增强控制作用或采用干扰补偿的方法。无法被改变时，应当增强控制作用或采用干扰补偿的方法。第8页，共40页，编辑于2022年，星期一(2)(2)干扰通道干扰通道 的影响的影响由式由式2可知，可知，为惯性环节，对干扰为惯性环节，对干扰 具有具有“滤波滤波”作用，作用，越大，越大，“滤波滤波”效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越小，因而越有利于系统控制质量的提高。小，因而越有利于系统控制质量的提高。(3)(3)干扰通道干扰通道 的影响的影响由式由式3可知，可知，的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间 因此，因此，的存在并不影响系统的控制质量。的存在并不影响系统的控制质量。(4)(4)干扰进入系统位置的影响干扰进入系统位置的影响 假定假定不是在不是在 之后，而是在之后，而是在 之前进入系统，则有之前进入系统，则有(式式4)将式将式4与式与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看，入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看，这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。是不利的。因此需要权衡它们的利弊。第9页，共40页，编辑于2022年，星期一2.控制通道特性对控制质量的影响控制通道特性对控制质量的影响(1)控制通道控制通道 的影响的影响 在调节器增益在调节器增益 一定的条件下，当控制通道静态增益一定的条件下，当控制通道静态增益 越大时，则控制作用越大时，则控制作用越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增越大越大益益 一定一定越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的稳定性、快速性和稳态误差稳定性、快速性和稳态误差三方三方面的要求。面的要求。(2)控制通道控制通道 的影响的影响 如果控制通道的时间常数如果控制通道的时间常数 太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当 太小，则调太小，则调节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应使控制通道的时间常数使控制通道的时间常数 既不能太大也不能太小。既不能太大也不能太小。(3)控制通道控制通道 的影响的影响 控制通道纯滞后时间控制通道纯滞后时间 产生的原因：产生的原因：一是由信号传输滞后所致；一是由信号传输滞后所致；第10页，共40页，编辑于2022年，星期一二是由信号的测量变送滞后所致；二是由信号的测量变送滞后所致；三是执行器的动作滞后所致。三是执行器的动作滞后所致。控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制质量下降。从系统的质量下降。从系统的频率特性频率特性分析可知，控制通道纯滞后的存在，会增加开环分析可知，控制通道纯滞后的存在，会增加开环频率特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。因此，无论如何，应减小控制频率特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。因此，无论如何，应减小控制通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。(4)控制通道时间常数匹配的影响控制通道时间常数匹配的影响 实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。以三阶为例以三阶为例 相应的临界稳定增益相应的临界稳定增益 为为的大小完全取决于的大小完全取决于 三个时间常数的相对比值三个时间常数的相对比值 可以证明：可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是 有利的。有利的。也就是说：也就是说：在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益 就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。系统传函为：系统传函为：第11页，共40页，编辑于2022年，星期一5.2.2.2 控制参数的确定控制参数的确定 简单控制系统控制参数选择的简单控制系统控制参数选择的一般性原则一般性原则如下：如下：1)选择结果应使控制通道的静态增益选择结果应使控制通道的静态增益 尽可能大，时间常数尽可能大，时间常数 选择适当。选择适当。2)控制通道的纯时延时间控制通道的纯时延时间 应尽可能小应尽可能小,和和的比值一般应小于的比值一般应小于0.3。3)干扰通道的静态增益干扰通道的静态增益 应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数 应尽可能大，其个数应尽可能大，其个数尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。4)当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。5)在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素 第12页，共40页，编辑于2022年，星期一5.2.3 5.2.3 被控参数的测量与变送被控参数的测量与变送 在控制系统中，测量变送环节的作用是将被控参数转换为统一的标准信号在控制系统中，测量变送环节的作用是将被控参数转换为统一的标准信号反馈给调节器。该环节的特性可近似表示为反馈给调节器。该环节的特性可近似表示为其中其中为测量及变送环节的输出，为测量及变送环节的输出，为被控参数信号为被控参数信号 分别为测量及变送环节的静态增益、时间常数和纯时延时间。分别为测量及变送环节的静态增益、时间常数和纯时延时间。测量及变送环节是一个带有纯时延的惯性环节，因而当测量及变送环节是一个带有纯时延的惯性环节，因而当 不为零时不为零时它的输出不能及时地反映被测信号的变化，二者之间必然存在动态偏差。它的输出不能及时地反映被测信号的变化，二者之间必然存在动态偏差。而且这种动态偏差并不会因为检测仪表的精度等级的提高而减小或消除。而且这种动态偏差并不会因为检测仪表的精度等级的提高而减小或消除。下图是测量变送环节在阶跃信号作用和速度信号作用时的响应曲线下图是测量变送环节在阶跃信号作用和速度信号作用时的响应曲线:从图中可以看到只要从图中可以看到只要 存在，存在，动态偏差就会必然存在。动态偏差就会必然存在。第13页，共40页，编辑于2022年，星期一为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能选择快速测量仪表，为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能选择快速测量仪表，并且注意以下几点问题：并且注意以下几点问题：1)应尽可能做到对测量仪表的正确安装，这是因为安装不当会引起不必要的应尽可能做到对测量仪表的正确安装，这是因为安装不当会引起不必要的测量误差，降低仪表的测量精度；测量误差，降低仪表的测量精度；2)对测量信号应进行滤波和线性化处理；对测量信号应进行滤波和线性化处理；3)对纯滞后要尽可能进行补偿；对纯滞后要尽可能进行补偿；4)对时间常数对时间常数 的影响要尽可能消除。为了克服其影响，在系统设计时，的影响要尽可能消除。为了克服其影响，在系统设计时，可以尽量选用快速测量仪表，也可以在测量变送环节的输出端串联微分环节可以尽量选用快速测量仪表，也可以在测量变送环节的输出端串联微分环节 测量变送环节输出端串联微分环节的示意图：测量变送环节输出端串联微分环节的示意图：输出与输入关系输出与输入关系 若选择若选择，则在理论上可以完全消除，则在理论上可以完全消除 的影响。的影响。在工程上，常将微分环节置于调节器之后。一方面，这对于克服在工程上，常将微分环节置于调节器之后。一方面，这对于克服 的影响，的影响，与串联在测量变送环节之后是等效的；另一方面，还可以加快系统对给定值与串联在测量变送环节之后是等效的；另一方面，还可以加快系统对给定值变化时的动态响应。变化时的动态响应。第14页，共40页，编辑于2022年，星期一5.2.4 5.2.4 调节规律对调节质量的影响及其选择调节规律对调节质量的影响及其选择 在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为比例、积分和微分调节规律，在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为比例、积分和微分调节规律，简称简称PID。它具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等许多优点。它具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等许多优点。5.2.4.1 调节规律对调节质量的影响调节规律对调节质量的影响 1比例（比例（P）调节规律的影响）调节规律的影响 调节器的输出信号调节器的输出信号u与输入偏差信号与输入偏差信号e成比例关系：成比例关系：其中，其中，u为调节器的输出，为调节器的输出，e为调节器的输入，为调节器的输入，为比例增益。为比例增益。在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系的比例关系其中，其中，称为比例带，称为比例带 当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：1)比例调节是一种有差调节，即当调节器采用比例调节规律时，不可避免地比例调节是一种有差调节，即当调节器采用比例调节规律时，不可避免地会使系统存在稳态误差。这是因为比例调节器是利用偏差实现控制的，它会使系统存在稳态误差。这是因为比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。只能使系统输出近似跟踪给定值。2)比例调节系统的稳态误差随比例带的增大而增大，若要减小误差，则要减比例调节系统的稳态误差随比例带的增大而增大，若要减小误差，则要减小比例带，即需要增大调节器的放大倍数小比例带，即需要增大调节器的放大倍数这样往往会降低系统稳定性这样往往会降低系统稳定性 第15页，共40页，编辑于2022年，星期一其控制效果图如下：其控制效果图如下：3)对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。变化的系统。4)增大比例调节的增益增大比例调节的增益 不仅可以减小系统的不仅可以减小系统的稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：系系统统传传函函这里这里与与相比，减小了相比，减小了 倍，倍，越大，越大，减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但 的增大则的增大则会使系统的稳定性下降。会使系统的稳定性下降。第16页，共40页，编辑于2022年，星期一2.积分（积分（I）调节规律的影响）调节规律的影响在积分调节（简称在积分调节（简称I调节）中，调节器的输出信号调节）中，调节器的输出信号u与输入偏差信号与输入偏差信号e的积分成的积分成正比关系正比关系:当被控系统在负载扰动下的调节过程结束后，系统的静差虽然已不存在，当被控系统在负载扰动下的调节过程结束后，系统的静差虽然已不存在，但调节阀却会停留在新的开度上不变。但调节阀却会停留在新的开度上不变。积分调节是积分调节是牺牲了动态品质而使稳态性能得到改善的。牺牲了动态品质而使稳态性能得到改善的。积分调节可得如下结论：积分调节可得如下结论：1)采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。2)与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，组成所谓的组成所谓的PI调节器，调节器，PI调节器的输入调节器的输入/输出关系为：输出关系为：其中其中为积分时间。为积分时间。PI调节器的传递函数为调节器的传递函数为 PI调节器的阶跃响应曲线如右图调节器的阶跃响应曲线如右图第17页，共40页，编辑于2022年，星期一从上页图可以看出：从上页图可以看出：PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。但是，由于差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。但是，由于PI调节给系统增加调节给系统增加了相位滞后，与单纯比例调节相比，了相位滞后，与单纯比例调节相比，PI调节的稳定性相对变差。此外，积分调调节的稳定性相对变差。此外，积分调节还有另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节器就会不停地积分使输出增加节还有另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节器就会不停地积分使输出增加（或减小），从而导致调节器输出进入深度饱和，调节器失去调节作用。因此（或减小），从而导致调节器输出进入深度饱和，调节器失去调节作用。因此，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。3.微分（微分（D）调节规律的影响）调节规律的影响微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入/输出关系为输出关系为 微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据变化趋势提前动作。根据变化趋势提前动作。但微分时间的选择，对系统质量的影响具有但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。两面性。当当微分时间较小微分时间较小时，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小振荡时，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小振荡程度，从而能改善系统的质量；程度，从而能改善系统的质量；当当微分时间较大微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生振荡。响应产生振荡。还要说明的是：还要说明的是：单纯的微分调节器是不能工作的。单纯的微分调节器是不能工作的。第18页，共40页，编辑于2022年，星期一4.PD调节规律的影响调节规律的影响 PD调节器的调节规律为调节器的调节规律为:其中其中为微分时间为微分时间运用控制理论的知识分析运用控制理论的知识分析PD调节规律，可以得出以下结论：调节规律，可以得出以下结论：1）PD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，为零，微分部分不为零，微分部分不起作用，起作用，PD调节变成了调节变成了P调节。调节。2）PD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。3）PD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。4）PD调节的调节的不足不足：首先，：首先，PD调节一般只适用于时间常数较大或多容过调节一般只适用于时间常数较大或多容过程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。5.PID调节规律的影响调节规律的影响 PID调节器的调节规律为调节器的调节规律为:其相应的传递函数为其相应的传递函数为:的意义分别的意义分别与与PI、PD调节器相同调节器相同第19页，共40页，编辑于2022年，星期一由传递函数可知，由传递函数可知，PID是比例、积分、微分调节规律的线性组合是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了，它吸取了比例调节的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功比例调节的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功能等优点而弥补了三者的不足，是一种比较理想的复合调节规律。从控制理能等优点而弥补了三者的不足，是一种比较理想的复合调节规律。从控制理论的观点分析可知，与论的观点分析可知，与PD相比，相比，PID提高了系统的无差度；与提高了系统的无差度；与PI相比，相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，PID兼顾了静态和动兼顾了静态和动态两方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。态两方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：可以看到，可以看到，如果不加控制，过程将缓慢地到达如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当采用比例控制后，则加快一个新的稳态值；当采用比例控制后，则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积分控制作用后，则消除了稳态误差，但却容易分控制作用后，则消除了稳态误差，但却容易使过程产生振荡；在增加微分作用以后则可以使过程产生振荡；在增加微分作用以后则可以减小振荡的程度和响应时间。减小振荡的程度和响应时间。虽然虽然PID调节器的调节效果比较理想，但是调节器的调节效果比较理想，但是PID调节器要整定调节器要整定三个参数才能使系统整定得最佳。三个参数才能使系统整定得最佳。第20页，共40页，编辑于2022年，星期一5.2.4.2 调节规律的选择调节规律的选择 选择调节规律的一般性原则。选择调节规律的一般性原则。1)当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分调节；当当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分调节；当工艺容许有静差时，应选用工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求无静差时，应选用调节；当工艺要求无静差时，应选用PID调节；调节；2)当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差时，应选用时，应选用P调节；调节；3)当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时，当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时，应选用应选用PI调节，调节，4)当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧烈时，简当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧烈时，简单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制方案；单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制方案；5)若将广义过程的传递函数表示为若将广义过程的传递函数表示为 时，则可根据时，则可根据 的比值来的比值来选择调节规律：选择调节规律：当当时，可选用时，可选用P或或PI调节规律；调节规律；当当 时，可选用时，可选用PID调节规律；调节规律；当当 时，应采用其他控制方式。时，应采用其他控制方式。第21页，共40页，编辑于2022年，星期一5.2.4 5.2.4 执行器的选择执行器的选择 执行器执行器是过程控制系统的重要组成部分，其特性好坏直接影响系统的控制质量是过程控制系统的重要组成部分，其特性好坏直接影响系统的控制质量 1.执行器的选型执行器的选型 在过程控制中，使用最多的是在过程控制中，使用最多的是气动执行器气动执行器，其次是，其次是电动执行器电动执行器。应根据生产过。应根据生产过程的特点、对执行器推力的需求以及被控介质的具体情况和保证安全等因素加程的特点、对执行器推力的需求以及被控介质的具体情况和保证安全等因素加以选择并且确定。以选择并且确定。2.气动执行器气开、气关的选择气动执行器气开、气关的选择 气动执行器分气气动执行器分气开、气关开、气关两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零时使生产处于安全状态的原则确定；其次，在保证安全的前提下，还应根据是时使生产处于安全状态的原则确定；其次，在保证安全的前提下，还应根据是否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。3.调节阀尺寸的选择调节阀尺寸的选择 调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，它的选择对系统的正常运行影响很大调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，它的选择对系统的正常运行影响很大 在正常工况下一般要求调节阀开度应处于在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%-85%之间，具体应根据实际需要之间，具体应根据实际需要的流通能力的大小进行选择。的流通能力的大小进行选择。4.调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择 通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统总的放大倍数总的放大倍数近似线性近似线性的目的的目的 第22页，共40页，编辑于2022年，星期一5.2.5 5.2.5 调节器正调节器正/反作用方式的选择反作用方式的选择把被控过程和调节器分为正作用与反作用两种类型把被控过程和调节器分为正作用与反作用两种类型 名称正负正作用被控过程的静态增益正正作用调节器的静态增益 负气开式调节阀的静态增益正测量变送环节的静态增益 正各类增益符号的选择：各类增益符号的选择：确定各调节器正负的基本原则确定各调节器正负的基本原则构成系统开环传递函数静态增构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正益的乘积必须为正 首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定 调节器正反作用类型的确定方法：调节器正反作用类型的确定方法：的正负；的正负；然后根据被控过程特性确定其属于正、反哪一种类型，以确定然后根据被控过程特性确定其属于正、反哪一种类型，以确定 的正负；的正负；最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定调节器调节器 正负，进而确定调节器的正反作用类型。正负，进而确定调节器的正反作用类型。第23页，共40页，编辑于2022年，星期一5.3 调节器的参数整定调节器的参数整定调节器参数整定的任务是调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度调节器的比例度、积分时间、积分时间 以及微分时间以及微分时间 的大小。的大小。在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率 为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足 系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。参数整定的方法可以分为三类，即理论计算整定法、工程整定法和自整定法参数整定的方法可以分为三类，即理论计算整定法、工程整定法和自整定法理论计算整定法理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法、频主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法、频率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等，经过理论计算确定调节器参率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值。数的数值。这种方法只有理论指导意义。这种方法只有理论指导意义。工程整定法工程整定法主要是依靠工程经验，直接在过程控制系统的实际运行中进行。主要是依靠工程经验，直接在过程控制系统的实际运行中进行。自整定法自整定法是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统,进行自进行自动整定控制回路中的动整定控制回路中的PID参数。参数。第24页，共40页，编辑于2022年，星期一5.3.1 5.3.1 调节器参数整定的理论基础调节器参数整定的理论基础 1.控制系统的稳定性与衰减指数控制系统的稳定性与衰减指数 简单控制系统，在干扰简单控制系统，在干扰 作用下，闭环控制系统的传递函数为作用下，闭环控制系统的传递函数为 其中其中为系统的开环传递函数。为系统的开环传递函数。闭环系统的特征方程为闭环系统的特征方程为 一般形式为一