调节器的调节规律解读ppt课件.ppt

3.1-调节器的调节规律调节器的调节规律 Automation Instrumentations and Process ControlTN1为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第3章章 调节器调节器 Controller 调调节节器器的的作作用用是是把把测测量量值值和和给给定定值值进进行行比比较较，得得出出被被调调量量的的偏偏差差之之后后，根根据据一一定定的的调调节节规规律律产产生生控控制制信信号，推动执行机构，对生产过程对象进行自动调节。号，推动执行机构，对生产过程对象进行自动调节。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.1 调节器的调节规律调节器的调节规律基本基本调节调节规律规律(控制规律控制规律)p 最简单的最简单的调节调节律：位式律：位式调节调节 二位二位调节调节和多位和多位调节调节。p 连续变化调节连续变化调节律律:PID调节调节律律 比例比例调节调节（P），积分），积分调节调节（I），微分），微分调节调节（D），），以及以及PID组合。组合。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.1.1 两位式调节器两位式调节器一一种种最最简简单单的的调调节节器器，根根据据被被调调量量偏偏差差符符号号的的正正、负负，输出为只有两种：输出为只有两种：100%、0，或最大输出量、最小输入量。，或最大输出量、最小输入量。0 偏差信号偏差信号100%调节器输出调节器输出两位式调节的特性两位式调节的特性使使用用这这种种调调节节器器的的执执行行器器仅仅有有两两种种状状态态。例例如如，控控制制电电能能的电磁开关，控制流量的电磁阀。的电磁开关，控制流量的电磁阀。0 偏差信号偏差信号umax调节器输出调节器输出两位式调节的特性两位式调节的特性umin为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 槽内装有电极，作为液位的槽内装有电极，作为液位的测量装置。电极的一端与继电测量装置。电极的一端与继电器的线圈器的线圈 J 相接；另一端正好相接；另一端正好处于液位给定值的位置。处于液位给定值的位置。导电流体导电流体经装有电磁阀经装有电磁阀 V的的管线进入贮槽，再由出料管流管线进入贮槽，再由出料管流出。出。电极电极导电流体导电流体双位控制律：双位控制律：当当液位低液位低于给定，电极与流体不接触，继电器于给定，电极与流体不接触，继电器J断开断开，电，电磁阀磁阀V全开全开，流体流入贮槽，流体流入贮槽，H上升上升。当当液液位位高高于给定，电极与流体接触，继电器于给定，电极与流体接触，继电器J接通，电磁接通，电磁阀阀V全关，流体不再进入贮槽，全关，流体不再进入贮槽，H下降。下降。如此反复循环。如此反复循环。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能储槽液位控制储槽液位控制-具有中间区具有中间区具有中间区的双位控制律：具有中间区的双位控制律：当液位低于给定当液位低于给定yL，下磁浮，下磁浮子闭合，继电器子闭合，继电器J断开，电磁阀断开，电磁阀V全开，流体流入贮槽，全开，流体流入贮槽，H上升。上升。但是注意：当液位高于但是注意：当液位高于yL，电，电磁阀磁阀V继续全开。继续全开。当液体高于给定当液体高于给定yH，上磁浮，上磁浮子闭合，继电器子闭合，继电器J接通，电磁阀接通，电磁阀V全关，流体不再进入贮槽，全关，流体不再进入贮槽，H下降。下降。但是注意：当液位低于但是注意：当液位低于yH，电磁阀，电磁阀V继续全关。继续全关。如此反复循环。如此反复循环。yHyL位式磁位式磁浮子液浮子液位传感位传感器器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能两位式调节两位式调节-特点特点p 优点：优点：结构简单，成本较低，且易于实现。结构简单，成本较低，且易于实现。p 缺点：缺点：执行部件的动作频繁，系统运动部件（继电器、电磁阀）易执行部件的动作频繁，系统运动部件（继电器、电磁阀）易于损坏，降低了控制于损坏，降低了控制 系统的可靠性。系统的可靠性。被控变量处在震荡过程，控制质量低。被控变量处在震荡过程，控制质量低。p 应用：应用：适适用用于于某某些些对对控控制制质质量量要要求求不不高高的的应应用用场场合合。如如：空空气气压压缩缩机贮罐的压力控制、恒温箱、电烘箱的温度控制等。机贮罐的压力控制、恒温箱、电烘箱的温度控制等。要获得平稳的连续变化的调节，必须采用别的调节器。要获得平稳的连续变化的调节，必须采用别的调节器。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 3.1.2.1 比例比例(P)调节器调节器 调节器调节器输出随输入信号输出随输入信号x(t)成比例变化成比例变化:y(t)=Kc x(t)传递函数：传递函数：能迅速反映误差，从而减小误差，但不能消除稳态误差；能迅速反映误差，从而减小误差，但不能消除稳态误差；Kc大大，稳态误差小，但影响系统的动态特性，使稳定性下降。稳态误差小，但影响系统的动态特性，使稳定性下降。3.1.2 PID调节器调节器(Proportional Integral Derivative Controllers)使使输输出出值值能能连连续续变变化化的的调调节节器器，通通过过采采用用比比例例，微微分分、积积分分等等算算法法提提高高调调节节质质量量。它它的的结结构构简简单单，参参数数易易于于调调整整，是是控制系统中经常采用的控制算法。控制系统中经常采用的控制算法。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能o Kc 对动态特性的影响对动态特性的影响 在干扰作用下的闭环响应：在干扰作用下的闭环响应：比例比例(P)调节器调节器-Kc为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能o 适用于干扰较小、不频繁，对象滞后较小而时间常数较大，适用于干扰较小、不频繁，对象滞后较小而时间常数较大，控制精确度要求不高的场合。控制精确度要求不高的场合。例例:电动比例控制器电动比例控制器水加热器温度控制系统水加热器温度控制系统比例比例(P)调节器调节器-应用应用为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能11组合仪表符号组合仪表符号为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 3.1.2.2 积分积分(I)调节器调节器 调节器调节器输出随输入信号输出随输入信号的积分的积分成比例变化成比例变化:理想理想I时域模型时域模型:传递函数：传递函数：积分积分(I)调节器调节器控制作用随误差积累而增大，控制作用随误差积累而增大，只要有足够的时间，积分作用只要有足够的时间，积分作用将能完全消除误差将能完全消除误差;单单纯纯的的积积分分调调节节的的动动作作过过于于迟迟缓缓，因因而而在在改改善善静静态态准准确确度度的的同同时时，往往往往使使调调节节的的动动态态品品质质变变坏坏，过过渡渡过过程程时时间间延延长长，一一般不单独使用般不单独使用。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 3.1.2.3 比例积分比例积分(PI)调节器调节器 同同时时使使用用上上面面的的两两种种调调节节规规律律，把把比比例例作作用用的的及及时时性性与与积积分分作作用用消消除除静静差差的的优优点点结结合合起起来来，组组成成“比比例例+积积分分”作作用用的的调调节器。节器。理想理想PI时域模型时域模型:传递函数：传递函数：比例积分比例积分(PI)调节器调节器 PI 控制规律结合了比例控制与积分控制的优点，既能快速控制规律结合了比例控制与积分控制的优点，既能快速响应，克服干扰；又能消除系统的响应，克服干扰；又能消除系统的稳态误差稳态误差。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能比例积分比例积分-开环阶跃响应特性开环阶跃响应特性当当输输入入是是单单位位阶阶跃跃时时，理理想想比例积分控制器的输出。比例积分控制器的输出。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能积分时间积分时间Ti对过渡过程的影响对过渡过程的影响积分时间积分时间Ti 过大，积分作过大，积分作用太弱，消除余差的过程很用太弱，消除余差的过程很慢（见曲线慢（见曲线 b)；只有当只有当 Ti 适当时，过渡过适当时，过渡过程能较快地衰减，而且没有程能较快地衰减，而且没有余差（见曲线余差（见曲线c）；）；积分时间积分时间Ti 太小，控制器太小，控制器的输出变化太快，使过渡过的输出变化太快，使过渡过程振荡太剧烈，系统的稳定程振荡太剧烈，系统的稳定性大大下降（见曲线性大大下降（见曲线 d)。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 3.1.2.4 微分微分(D)调节器调节器调节器输出随输入信号调节器输出随输入信号的微分的微分成比例变化成比例变化:理想理想D时域模型时域模型:传递函数：传递函数：微分微分(D)调节器调节器o 依据偏差的变化速率进行控制，依据偏差的变化速率进行控制，在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生调节作用，的趋势，产生调节作用，力图抑制被控量的变化力图抑制被控量的变化。o 偏差变化速度越大，偏差变化速度越大，调节调节器输出越大。对固定不变的偏差，器输出越大。对固定不变的偏差，调节调节器输出为零。器输出为零。o 可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，还能加快系统的动态响应可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，还能加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能改善系统的动态性能。o 对静态偏差毫无抑制能力，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规对静态偏差毫无抑制能力，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，组成律结合起来，组成PD调节器或调节器或PID调节器。调节器。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 微分调节微分调节-开环阶跃响应特性开环阶跃响应特性实际上的工业控制器采用的实际上的工业控制器采用的都是采用一种近似的微分作都是采用一种近似的微分作用：在阶跃输入的瞬间，输用：在阶跃输入的瞬间，输出突然升到一个较大的值，出突然升到一个较大的值，然后按指数规律衰减至零。然后按指数规律衰减至零。理想微分作用：在阶跃理想微分作用：在阶跃输入的瞬间，输出突然升输入的瞬间，输出突然升到无穷大。到无穷大。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 3.1.2.5 比例积分微分比例积分微分(PID)调节器调节器 将将比比例例、积积分分、微微分分三三种种调调节节规规律律结结合合在在一一起起，只只要要三三项项作作用用的的强强度度配配合合适适当当，既既可可达达到到快快速速敏敏捷捷，又又可可达达到到平平稳稳准准确，可得到满意的调节效果。确，可得到满意的调节效果。理想理想PID时域模型时域模型:传递函数：传递函数：比例比例积分积分微分微分(PID)调节器调节器 在在PID调节器中，微分作用主要用来加快系统的动作速度，调节器中，微分作用主要用来加快系统的动作速度，减小超调，克服振荡；积分作用主要用以消除静差。减小超调，克服振荡；积分作用主要用以消除静差。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能实际实际PID-开环阶跃响应特性开环阶跃响应特性为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能p 比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成。比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成。p 由于在由于在 PID 控制器中，比例度控制器中，比例度、积分时间、积分时间 Ti，和微分时，和微分时间间 TD 三个参数都是可调的，所以，只要这三个参数选择的合三个参数都是可调的，所以，只要这三个参数选择的合适，就可以获得良好的控制质量。适，就可以获得良好的控制质量。p PID控制选用通用的控制器，可实现三作用控制规律。控制选用通用的控制器，可实现三作用控制规律。若将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器；若将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器；若将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器；若将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器；若将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控制若将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控制器器PID调节器调节器-特点特点