基本控制规律优秀PPT.ppt

基本限制规律基本限制规律 v位式限制位式限制v双位限制双位限制v具有中间区的双位限具有中间区的双位限制制v多位限制多位限制v比例限制比例限制v比例限制规律及其特比例限制规律及其特点点v比例度及其对限制过比例度及其对限制过程的影响程的影响1书目：书目：v积分限制积分限制v积分限制规律及其特点积分限制规律及其特点v比例积分限制规律与积分时比例积分限制规律与积分时间间v积分时间对系统过渡过程的积分时间对系统过渡过程的影响影响v微分限制微分限制v微分限制规律及其特点微分限制规律及其特点v实际的微分限制规律及微分实际的微分限制规律及微分时间时间v比例微分限制系统的过渡过比例微分限制系统的过渡过程程v比例积分微分限制比例积分微分限制概论概论3控制器的控制规律是指 控制器的输出信号与输入信号之间的关系。即 经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。在研究控制器的控制规律时在研究控制器的控制规律时p=f(e)=f(z-x)概论概论控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律位式控制（其中以双位控制比较常用）比例控制（Proportion）积分控制（Integration）微分控制（Differentiation）4第一节第一节 位式限制位式限制一、双位限制一、双位限制5理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为图5-1 理想双位控制特性图5-2 双位控制示例第一节第一节 位式限制位式限制6 将上图中的测量装置及继电器线路稍加变更，便可成为一个具有中间区的双位限制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变更时，限制机构不会动作，因此可以使限制机构开关的频繁程度大为降低，延长了限制器中运动部件的运用寿命。图5-3 实际的双位控制规律二、具有中间区的双位限制二、具有中间区的双位限制图5-4 具有中间区的双位控制过程第一节第一节 位式限制位式限制双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 结论结论被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。7第一节第一节 位式限制位式限制三、多位限制三、多位限制 对系统的限制效果较好，但会使限制装置的困难程度增加。图5-5 三位控制器特性图8 以电炉加热为例。三位式调整可以用两个继电器在的触点组成“升温加热”、“恒温调整”及“停止加热”三种输出状态。具体实现方法为接受协助加热器A和主加热器B两组加热器:当测量值低于下限设定值时，上、下限继电器均吸合，系统进入“升温加热”状态，此时A、B二组加热器同时加热，因此升温速度较快。当测量值到达下限设定值，但尚低于上限设定值时，下限继电器释放，断开协助加热器A的能源供应，升温速率随之下降，系统进入“恒温加热”状态。当测量值到达上限设定值时，下限继电器仍保持断开状态，上限继电器起先释放，断开主加热器B 能源供应。此时由于主辅加热器均失去能源供应，故温度渐渐下降，直至降到上限设定回差的下限时，上限继电器又吸合，接通主加热器B的能源供应，温度又渐渐上升，周而复始。由此可见三位式调整比二位式调整升温的速度快，进入恒温调整状态后温度的波动小，精度高。其次节其次节 比例限制比例限制(P(P限制）限制）9 在双位限制系统中，被控变量不行避开地会产生持续的等幅振荡过程，为了避开在双位限制系统中，被控变量不行避开地会产生持续的等幅振荡过程，为了避开这种状况，应当使限制阀的开度与被控变量的偏差成比例，依据偏差的大小，限制阀可这种状况，应当使限制阀的开度与被控变量的偏差成比例，依据偏差的大小，限制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。趋于稳定，达到平衡状态。图5-6 水槽液位控制其次节其次节 比例限制比例限制（9-4）10 一、比例限制规律及其特点比例控制器Kpep图5-7 比例控制器图5-8 简单比例控制系统示意图比例限制器事实上是一个放大倍数可调的放大量比例限制器事实上是一个放大倍数可调的放大量其次节其次节 比例限制比例限制如上图，依据相像三角形原理如上图，依据相像三角形原理所以，对于具有比例限制的限制器所以，对于具有比例限制的限制器（5-4）11其次节其次节 比例限制比例限制12 比例度比例度 是指限制器输入的变更相对值与相应的输是指限制器输入的变更相对值与相应的输出变更相对值之比的百分数。出变更相对值之比的百分数。（5-5）二、比例度及其对限制过程的影响二、比例度及其对限制过程的影响1.1.1.1.比例度比例度比例度比例度其次节其次节 比例限制比例限制举例一只比例作用的电动温度控制器,它的量程是 100200,电动控制器的输出是010mA,假如当指示值从140变化到160时,相应的控制器输出从3mA变化到8mA,这时的比例度为为 13其次节其次节 比例限制比例限制 当温度变更全量程的40%时,限制器的输出从0mA变更到10mA。在这个范围内,温度的变更和限制器的输出变更p是成比例的。但是当温度变更超过全量程的40%时(在上例中即温度变更超过40时),限制器的输出就不能再跟着变更了。这是因为限制器的输出最多只能变更100%。所以,比例度事实上就是使限制器输出变更全范围时,输入偏差变更量占满量程的百分数。说明说明1411比例度比例度 是指限制器输入的变更相对值与相应的输出变更相对是指限制器输入的变更相对值与相应的输出变更相对值之比的百分数。值之比的百分数。比例度示意图（5-5）其次节其次节 比例限制比例限制15图5-9 比例度与输入输出的关系即（5-6）将式（5-5）改写后得 对于一只具体的比例控制器，仪表的量程和控制器的输出范围都是固定的,令其次节其次节 比例限制比例限制对一只限制器来说，K是一个固定常数。将其代入式(5-6)，得式中 Kp值与值都可以用来表示比例限制作用的强弱。在单元组合式仪表中16其次节其次节 比例限制比例限制17左下图为简洁水槽的比例限制系统的过渡过程。左下图为简洁水槽的比例限制系统的过渡过程。图5-10 简单水槽的比例控制过程液位起先下降液位起先下降作用在限制阀上的信号作用在限制阀上的信号进水量增加进水量增加偏差的变更曲线偏差的变更曲线图5-11 比例度对过渡过程的影响在在t=tt=t0 0时时，系系统统外外加一个干扰作用加一个干扰作用其次节其次节 比例限制比例限制优点：反应快，限制刚好优点：反应快，限制刚好缺点：存在余差缺点：存在余差 若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。结论结论18第三节第三节 积分限制（积分限制（I I限制）限制）一、积分限制规律及其特点一、积分限制规律及其特点19 当对限制质量有更高要求时，就须要在比例限制的基础上，再加上能消退余差的积分限制作用。积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，即（5-7）图5-12 积分控制规律对上式微分,可得当输入偏差是常数A时第三节第三节 积分限制积分限制结结论论 积积分分控控制制作作用用输输出出信信号号的的大大小小不不仅仅取取决决于于偏偏差差信信号号的的大小大小,而且主要取决于偏差存在的时间长短。而且主要取决于偏差存在的时间长短。积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。积分控制作用在最后达到稳定时，偏差等于零。积分控制作用在最后达到稳定时，偏差等于零。20第三节第三节 积分限制积分限制图5-13 液位限制系统图5-14 积分限制过程21第三节第三节 积分限制积分限制 二、比例积分限制规律与积分时间二、比例积分限制规律与积分时间比例积分限制规律可用下式表示（5-8）图5-15 比例积分控制规律22第三节第三节 积分限制积分限制23由于则（5-9）若偏差是幅值为A的阶跃干扰在时间t=TI时，有第三节第三节 积分限制积分限制三、积分时间对系统过渡过程的影响三、积分时间对系统过渡过程的影响图5-16 积分时间对过渡过程的影响 积积分分时时间间对对过过渡渡过过程程的的影响具有两重性影响具有两重性 当缩短积分时间当缩短积分时间,加强积分加强积分控制作用时控制作用时,一方面克服余差的一方面克服余差的能力增加。另一方面会使过程能力增加。另一方面会使过程振荡加剧振荡加剧,稳定性降低。积分时稳定性降低。积分时间越短间越短,振荡倾向越强烈振荡倾向越强烈,甚至甚至会成为不稳定的发散振荡。会成为不稳定的发散振荡。24比例积分限制器对于多数系统都可接受，比例度和积分时间两个参数均可调整。当对象滞后很大时，可能限制时间较长、最大偏差也较大；负荷变更过于猛烈时，由于积分动作缓慢，使限制作用不刚好，此时可增加微分作用。25第四节第四节 微分限制微分限制一、微分限制规律及其特点一、微分限制规律及其特点26优点优点具有超前控制功能。具有超前控制功能。图9-17 微分控制的动态特性具有微分控制规律的控制器具有微分控制规律的控制器（9-20）第四节第四节 微分限制（微分限制（D D限制）限制）二、实际的微分限制规律及微分时间二、实际的微分限制规律及微分时间微分作用的特点微分作用的特点在偏差存在但不变更时在偏差存在但不变更时,微分作用都没有输出。微分作用都没有输出。实际微分限制规律是由两部分组成：比例作用与近似微分作用，其比例度是固定不变的，恒等于100%，所以认为：实际的微分限制器是一个比例度为 100%的比例微分限制器。微分作用微分作用微分作用微分作用27第四节第四节 微分限制微分限制图5-18 实际微分器输出变化曲线当输入是一幅值为 A的阶跃信号时可见，t=0时,p=KDA；t=时,p=A。微分限制器在阶跃信号的作用下,输出p一起先就马上上升到输入幅值A的KD倍,然后再渐渐下降,到最终就只有比例作用A了。微分放大倍数KD确定了微分限制器在阶跃作用瞬间的最大输出幅度。28第四节第四节 微分限制微分限制 微分时间TD是表征微分作用强弱的一个重要参数，它确定了微分作用的衰减快慢，且它是可以调整的。在t=T时,整个微分限制器的输出为取 时则29第四节第四节 微分限制微分限制 三、比例微分限制系统的过渡过程三、比例微分限制系统的过渡过程当比例作用和微分作用结合时,构成比例微分控制规律（9-27）比比例例微微分分控控制制器器的的输输出出p等等于于比比例例作作用用的的输输出出pP与与微微分分作作用用的的输输出出pD之之和和。改改变变比比例例度度(或或Kp)和和微微分分时时间间 TD分分别别可可以以改改变变比比例例作作用用的的强强弱弱和和微微分分作作用用的强弱。的强弱。说明：说明：30第四节第四节 微分限制微分限制图5-19 微分时间对过渡过程的影响 微分作用具有抑制振荡的效果，可以提高系统的稳定性,削减被控变量的波动幅度,并降低余差。微分作用也不能加得过大。微分限制具有“超前”限制作用。31第四节第四节 微分限制微分限制四、比例积分微分限制（四、比例积分微分限制（PIDPID限制）限制）同时具有比例、积分、微分三种限制作用的限制器称为比例积分微分限制器。（9-28）32第四节第四节 微分限制微分限制图9-20 PID控制器输出特性 比例度、积分时间 TI和微分时间 TD。三个可调参数适用场合 对象滞后较大、负荷变化较快、不允许有余差的情况。控制规律 比例控制、积分控制、微分控制。33第五节第五节 模糊限制模糊限制v模糊限制（fuzzy control），也称模糊逻辑限制（fuzzy logic control），是一种以模糊集合，模糊逻辑和模糊运算为基础的计算机先进限制技术。v一个模糊限制系统的性能优劣，主要取决于模糊限制器的结构、所接受的规则、合成推理算法以及模糊决策的方法等因素。v模糊限制器的基本结构如图所示例题分析例题分析 1.目目前前,在在化化工工生生产产过过程程中中的的自自动动限限制制系系统统,常常用用限限制制器器的的限限制制规规律律有有位位式式限限制制、比比例例限限制制、比例积分限制、比例微分限制和比例积分微分限制。试综述它们的特点及运用场合。比例积分限制、比例微分限制和比例积分微分限制。试综述它们的特点及运用场合。解：解：解：解：列表分析如下:（a）（b）（c）（d）34控制规律输入e与输出p(或p)的关系式阶跃作用下的响应（阶跃幅值为A）优缺点适用场合位式P=pmax(e0)P=pmin(e0)结构简单;价格便宜;控制质量不高;被控变量会振荡 对象容量大,负荷变化小,控制质量要求不高,允许等幅振荡 比例（P）p=Kpe(a)图结构简单;控制及时;参数整定方便;控制结果有余差 对象容量大,负荷变化不大、纯滞后小,允许有余差存在,例如一些塔釜液位、贮槽液位、冷凝器液位和次要的蒸汽压力控制系统等 比例积分PI式(5-8)(b)图能消除余差;积分作用控制缓慢;会使系统稳定性变差 对象滞后较大,负荷变化较大,但变化缓慢,要求控制结果无余差。此种规律广泛应用于压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象 35控制规律输入e与输出p(或p)的关系式阶跃作用下的响应（阶跃幅值为A）优缺点适用场合比例微分PD式(5-11)(c)图响应快、偏差小、能增加系统稳定性;有超前控制作用,可以克服对象的惯性;控制结果有余差对象滞后大,负荷变化不大,被控变量变化不频繁,控制结果允许有余差存在 比例积分微分PID式(5-12)(d)图控制质量高;无余差;参数整定较麻烦 对象滞后大;负荷变化较大,但不甚频繁;对控制质量要求高。例如精馏塔、反应器、加热炉等温度控制系统及某些成分控制系统 36