第五章简单控制系统的设计及参数整定方法.ppt

武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第五章第五章 简单控制系统的设计及参数整定方法简单控制系统的设计及参数整定方法魏 莉 机电工程学院测控系1武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表2武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表简单控制系统简单控制系统 一个调节器，一个调节阀，控制一个被控一个调节器，一个调节阀，控制一个被控参数单回路闭环控制系统，典型结构框图如下参数单回路闭环控制系统，典型结构框图如下图示。图示。调节器GC（S）调节阀GV（S）被控过程GP（S）干扰通道Gf（S）F(S)测量变送H（S）R(S)-E(S)U(S)Q(S)C(S)Z(S)3武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表单回路控制系统特点单回路控制系统特点结构简单、投资少、易于整定和投运；结构简单、投资少、易于整定和投运；可满足一般生产过程的工艺要求；可满足一般生产过程的工艺要求；占控制回路的占控制回路的80%80%以上，应用广泛；以上，应用广泛；适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。4武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表5武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第一节第一节 过程控制系统设计概述过程控制系统设计概述一一.对过程控制系统的一般要求对过程控制系统的一般要求稳：稳：控制系统必须是稳定的，且有一定控制系统必须是稳定的，且有一定 的稳定裕量。的稳定裕量。准：准：系统被控参数的实际运行状况与希系统被控参数的实际运行状况与希 望状况的偏差要小，控制精度要高。望状况的偏差要小，控制精度要高。快：快：系统从一种工作状态向另一种工作系统从一种工作状态向另一种工作 状态过渡时间要短，即衰减振荡短。状态过渡时间要短，即衰减振荡短。工程上三者往往相互矛盾，如要精度高则平稳受影响，要平稳则快速性受削弱，一般应满足最重要要求，分清主次。6武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表过控系统组成过控系统组成:被控过程；控制仪表；检测仪表等。被控过程；控制仪表；检测仪表等。主要工作主要工作:确定控制方案；确定控制方案；选择检测方法；选择检测方法；选择检测仪表；选择检测仪表；选择控制仪表选择控制仪表;参数整定。参数整定。二二.过程控制系统设计的基本方法与步骤过程控制系统设计的基本方法与步骤7武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表控制系统设计的步骤控制系统设计的步骤:1.熟悉系统的技术要求或性能指标熟悉系统的技术要求或性能指标2.建立系统的数学模型建立系统的数学模型 过程的数模是理论分析和深入设计的基础和依据。过程的数模是理论分析和深入设计的基础和依据。3.控制方案的确定控制方案的确定 含系统组成和控制方式含系统组成和控制方式,确定方案的依据是被控过程的特确定方案的依据是被控过程的特性性,技术指标技术指标,控制任务的要求控制任务的要求,方案要简单经济可行方案要简单经济可行,要有比较。要有比较。4.根据系统的静动态特性进行理论分析和综合根据系统的静动态特性进行理论分析和综合 由技术指标由技术指标,系统的静动态特性系统的静动态特性,确定调节规律和参数整定。确定调节规律和参数整定。分析方法分析方法:频率法频率法,根轨迹法根轨迹法,优化设计等。优化设计等。分析工具分析工具:计算机仿真等。计算机仿真等。5.设备选型设备选型6.实验验证实验验证8武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表t 内容包括内容包括t方案设计：方案设计：即系统组成和控制方式，是设计的核心，方案不即系统组成和控制方式，是设计的核心，方案不合理，选何种仪表都无作用合理，选何种仪表都无作用。t工程设计工程设计：指仪表选型，控制室和仪表盘设计，供电供气系：指仪表选型，控制室和仪表盘设计，供电供气系统的设计，信号连锁和系统保护。统的设计，信号连锁和系统保护。t工程安装与仪表调校。工程安装与仪表调校。t调节器参数整定调节器参数整定：设置调节器参数，使系统运行在最佳状态：设置调节器参数，使系统运行在最佳状态。t 核心内容核心内容t控制方案设计；控制方案设计；t调节器参数整定。调节器参数整定。三三.过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容9武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1 认真熟悉过程特性认真熟悉过程特性 要了解过程特性要了解过程特性,熟悉工艺流程特点要求熟悉工艺流程特点要求,这是方这是方案的重要依据。案的重要依据。2 要明确过程中各个生产环节的关系要明确过程中各个生产环节的关系3.测量信号的预先处理测量信号的预先处理 一般测量信号作反馈用较重要一般测量信号作反馈用较重要,但是现场信号但是现场信号,故噪故噪声大声大,要进行滤波或线性化或温度补偿等预处理。要进行滤波或线性化或温度补偿等预处理。4.系统的安全保护系统的安全保护 安全可靠安全可靠,尤其是在高温高压尤其是在高温高压,易燃易爆易燃易爆,强腐蚀等强腐蚀等环境下环境下,要选符合要求的仪表和设备。要选符合要求的仪表和设备。四四.系统设计中需注意的几个问题系统设计中需注意的几个问题10武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第二节第二节 过程特性对控制质量的过程特性对控制质量的 影响及控制方案的确定影响及控制方案的确定一一.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调节器GC（S）调节阀GV（S）被控过程GP（S）干扰通道Gf（S）F(S)测量变送H（S）R(S)-E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)干扰与系统输出的传递关系干扰与系统输出的传递关系11武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表系统输出与干扰的传递函数系统输出与干扰的传递函数:C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)设干扰通道设干扰通道Gf(S)为一单容过程为一单容过程,即即 Gf(S)=Kf/(Tf S+1)则有则有 C(S)/F(S)=1/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)Kf/(Tf S+1)或有延时或有延时f 时时 C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)exp(-f S)12武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.静态增益静态增益Kf :Kf越大越大,扰动引起输出越大扰动引起输出越大,设计时应减小设计时应减小Kf,如办不到如办不到,应应增强控制作用增强控制作用,或采用扰动补偿。或采用扰动补偿。2.时间常数时间常数Tf :Gf(S)是一个惯性环节是一个惯性环节,对扰动对扰动F(S)有一定的滤波作用有一定的滤波作用,Tf 越越大大,效果越明显效果越明显,故故Tf 越大越大,扰动对被控参数的动态影响越小。扰动对被控参数的动态影响越小。3.延时延时f :相当于扰动推迟一段时间进入系统相当于扰动推迟一段时间进入系统,对控制质量无影响对控制质量无影响4.F(S)进入系统的位置的影响进入系统的位置的影响如如F(S)在在GP(S)之前进入系统之前进入系统:则则C(S)/F(S)=1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)Gf(S)GP(S).或或C(S)/F(S)=1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)1KfTf S+1KPTP S+1又多了一个滤波器又多了一个滤波器13武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表调节器GC（S）调节阀GV（S）被控过程GP（S）F1(S)测量变送H（S）R(S)-E(S)C(S)Y(S)F2(S)F3(S)14武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表控制通道控制通道:其作用总是力图使被控参数与给定值相一致其作用总是力图使被控参数与给定值相一致扰动通道扰动通道:其作用总是力图使被控参数与给定值相偏离其作用总是力图使被控参数与给定值相偏离二二 .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15武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.静态增益静态增益KO:调节器的调节器的KC一定时一定时:KO越大控制作用越强越大控制作用越强,抗扰能力越强抗扰能力越强,稳态误差越小稳态误差越小,被控参数对控制被控参数对控制作用反应越灵敏。作用反应越灵敏。KO越大意味着系统的静态增益越大越大意味着系统的静态增益越大,对系统的闭环稳定性不利。对系统的闭环稳定性不利。设计时应综合考虑稳定性快速性和稳态误差三方面设计时应综合考虑稳定性快速性和稳态误差三方面:改变改变KC使开环增益使开环增益KOKC合适合适,当当KO越大越大,KC越小越小,降低调节器要求降低调节器要求2.时间常数时间常数TO:TO较大较大,调节器对被控参数的调节作用就不及时调节器对被控参数的调节作用就不及时,过渡过程加长过渡过程加长 TO过小过小,控制作用过于灵敏控制作用过于灵敏,引起振荡引起振荡,设计时应设计时应TO较小较小,或增加微或增加微分分16武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表3.纯时延纯时延:信号传输信号传输,测量变送等产生测量变送等产生,对系统影响不利对系统影响不利,既不能及时发现被控参数既不能及时发现被控参数的变化的变化,又不能使控制作用及时产生效应又不能使控制作用及时产生效应,使动态偏差增大使动态偏差增大,超调增加超调增加,相角相角滞后稳定性降低滞后稳定性降低,应尽量减小应尽量减小 过控中用过控中用O/TO反映控制的难易程度反映控制的难易程度,O/TO0.3易控易控,O/TO0.5难控难控17武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表4.时间常数匹配时间常数匹配:设广义被控过程传递函数为设广义被控过程传递函数为:(由被控过程由被控过程,测量元件测量元件,调节阀等一阶惯性环节串接）调节阀等一阶惯性环节串接）GO(S)=K(T1S+1)(T2S+1)(T3S+1)则临界稳定增益为则临界稳定增益为:KO=2+T1/T2+T2/T3+T3/T2+T2/T1+T3/T1+T1/T3 KO的大小取决于的大小取决于T1,T2,T3的相对比值的相对比值,计算可知计算可知:时间常时间常数错开越多，开环增益就允许提高的越多，对系统的控制质数错开越多，开环增益就允许提高的越多，对系统的控制质量越有利，实际上，最大时间常数对应过程核心设备，不易量越有利，实际上，最大时间常数对应过程核心设备，不易改变，可选择小时间常数的测量仪表和具有小时间常数的调改变，可选择小时间常数的测量仪表和具有小时间常数的调节阀。节阀。18武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表控制方案控制方案选被控参数选被控参数(控制哪一个参数控制哪一个参数)选控制参数选控制参数(操纵变量操纵变量)测量和变送测量和变送选调节阀和执行器选调节阀和执行器确定调节规律确定调节规律 确定控制方案确定控制方案:借助于实际工程经验以及理借助于实际工程经验以及理论分析和计算。论分析和计算。三三 .控制方案的确定控制方案的确定19武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表(1)应选取对产品的质量和产量应选取对产品的质量和产量,安全生产安全生产,经济运行有经济运行有决决 定性作用的定性作用的,可直接测量的工艺参数作为被控参数。可直接测量的工艺参数作为被控参数。(2)对难以直接测量的被控参数对难以直接测量的被控参数,应选取一个与直接参数应选取一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数(精馏塔精馏塔)。(3)用间接参数作为被控参数时用间接参数作为被控参数时,该参数应对产品质量有该参数应对产品质量有足够的控制灵敏度足够的控制灵敏度(4)考虑工艺过程的合理性和选用仪器仪表的性能价格考虑工艺过程的合理性和选用仪器仪表的性能价格比比一般情况下一般情况下,对于一个已经运行的生产过程对于一个已经运行的生产过程,被控参数是确定的被控参数是确定的,实际上已无多大选择余地实际上已无多大选择余地1、系统被控参数的选取、系统被控参数的选取20武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表21武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表根据过程特性对系统控制质量影响的分析根据过程特性对系统控制质量影响的分析,选择操纵变量选择操纵变量(1)选择结果应使静态增益选择结果应使静态增益KO应尽可能大一些应尽可能大一些,时间常数时间常数TO适当小一些适当小一些,由生产过程由生产过程,系统技术指标系统技术指标,调节器参数整定范调节器参数整定范围围,用自控理论分析计算来确定。用自控理论分析计算来确定。(2)纯时延时间纯时延时间O应尽量小应尽量小,O/TO要小于要小于0.3，此比值过大，此比值过大时时,不能用简单控制系统。不能用简单控制系统。(3)扰动通道的静态增益扰动通道的静态增益Kf要尽可能小要尽可能小,时间常数时间常数Tf要尽可能要尽可能大大,扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数,靠近执行器靠近执行器,可抑制扰动对被控参数的动态影响。可抑制扰动对被控参数的动态影响。(4)错开广义被控过程的时间常数错开广义被控过程的时间常数(5)考虑工艺操作的合理可行性和经济性考虑工艺操作的合理可行性和经济性2、控制参数、控制参数(操纵变量操纵变量)的选择的选择22武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表测量变送的传递函数测量变送的传递函数:Y(S)/X(S)=Km/(TmS+1)exp(-mS)亦即纯延时惯性环节，入出之间存在亦即纯延时惯性环节，入出之间存在动态偏差动态偏差，与仪，与仪表的精度等级无关。表的精度等级无关。x yxy阶跃响应tmm+Tm0mm+Tm0 x yxyt速度信号响应仪表的静态误差仪表的静态误差:是指稳态时测量值与真实值之间的偏差是指稳态时测量值与真实值之间的偏差为了减小动态误差为了减小动态误差,提高测量精度提高测量精度,应设法减小应设法减小m和和 Tm,在其他一定的情况下在其他一定的情况下,只能选快速测量仪表只能选快速测量仪表3、被控参数的测量及变送问题、被控参数的测量及变送问题23武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表有以下几个问题要注意有以下几个问题要注意:(1)正确安装测量仪表正确安装测量仪表(2)对测量信号进行滤波和线性化对测量信号进行滤波和线性化(3)对纯时延要尽可能进行补偿对纯时延要尽可能进行补偿Gm(S)exp(-mS)+G(S)+x(S)y(S)加补偿环节后加补偿环节后 x(S)Gm(S)=x(S)Gm(S)exp(-mS)+x(S)G(S)则G(S)=Gm(S)1-exp(-mS)构造构造G(S)即可即可24武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表(4)尽可能消除尽可能消除Tm影响影响 选用快速仪表选用快速仪表,但受一定的局限但受一定的局限,一般在测量变送环节输一般在测量变送环节输出端串接微分环节。出端串接微分环节。Km/(TmS+1)TDS+1x(S)Y(S)y(S)/x(S)=Km(TDS+1)/(TmS+1)若若TD=Tm则可消除则可消除Tm的影响的影响 实际工程中实际工程中,将此微分环节串于调节器之后将此微分环节串于调节器之后,除可消除除可消除Tm的的影响外影响外,还可起到加快系统对给定值变动时的动态响应的作用还可起到加快系统对给定值变动时的动态响应的作用(5)气动信号时延问题气动信号时延问题气动传输管道特性气动传输管道特性:G(S)=1/(TS+1)exp(-S)尽量缩短气路尽量缩短气路,增设继动器增设继动器,补偿补偿25武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表气动执行器多用，其次是电动执行器，应根据实际情况选择。气动执行器多用，其次是电动执行器，应根据实际情况选择。气动执行器有气开和气关两种形式，应在调节器输出为零或气气动执行器有气开和气关两种形式，应在调节器输出为零或气源中断时生产过程处于安全状态源中断时生产过程处于安全状态调节阀的开度和口径选择调节阀的开度和口径选择:口径过小口径过小,系统受大扰动时系统受大扰动时,即使全开即使全开,也会暂时失控；也会暂时失控；口径过大口径过大,阀门常处小开度阀门常处小开度,冲击使阀门受损失灵冲击使阀门受损失灵,正常工正常工况下况下,阀开度应在阀开度应在15%-85%之间。之间。调节阀的流量特性调节阀的流量特性:考虑通过阀的非线性流量特性补偿被控过程的非线性特性考虑通过阀的非线性流量特性补偿被控过程的非线性特性电动执行器一般是电开形式电动执行器一般是电开形式4、调节阀、调节阀(执行器执行器)的选择的选择 26武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表关于正反作用关于正反作用被控过程的正反作用被控过程的正反作用正作用：正作用：输入量输入量时时,输出量输出量,KP为正为正反作用：反作用：输入量输入量时时,输出量输出量,KP为负为负如水池在出口流量一定时如水池在出口流量一定时,进口流量进口流量液位液位,为正作用为正作用如水池在入口流量一定时如水池在入口流量一定时,出口流量出口流量液位液位,为反作用为反作用5、调节器控制规律选择、调节器控制规律选择调节器的正反作用调节器的正反作用正作用正作用:反馈至输入端的测量值反馈至输入端的测量值 调节器的输出调节器的输出,KC为负为负反作用反作用:反馈至输入端的测量值反馈至输入端的测量值 调节器的输出调节器的输出,KC为正为正调节阀调节阀气开气开:KV为正为正气关气关:KV为负为负测量变送环节测量变送环节Km为正为正27武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表调节器正反作用确定：调节器正反作用确定：由安全确定气开气关由安全确定气开气关过程特性确定正反类型过程特性确定正反类型 确定测量变送环节极性确定测量变送环节极性确定调节器正反作用确定调节器正反作用系统正常工作系统正常工作:保证负反馈保证负反馈28武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表例例1:1:水槽液位控制系统水槽液位控制系统 “-”“+”“+”“+”29武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表例例2:2:加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 “-”“+”“+”“+”30武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第三节第三节 调节规律对控制质量的影响调节规律对控制质量的影响 及调节规律的选择及调节规律的选择 控制器的作用：控制器的作用：控制执行器，改变操纵变量控制执行器，改变操纵变量使被控变量符合生产要求。使被控变量符合生产要求。控制器在闭环控制系统中将检测变送环控制器在闭环控制系统中将检测变送环节传送过来的信息与被控变量的设定值比较节传送过来的信息与被控变量的设定值比较后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制规律进行运算，最终输出控制信号作用于执规律进行运算，最终输出控制信号作用于执行器上。行器上。31武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 过程控制一般是指连续控制系统，控制器的输出随过程控制一般是指连续控制系统，控制器的输出随时间的变化发生连续变化。不管是何种控制器，都有时间的变化发生连续变化。不管是何种控制器，都有其基本的调节规律。其基本的调节规律。调节规律的定义：调节规律的定义：是指控制器的输出信号与输入信号之是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。间的关系。控控制制器器的的输输入入信信号号e(t)：是是测测量量值值y(t)与与被被控控变变量量的的设定值之差设定值之差，即，即e(t)=r(t)-y(t)；控制器的输出信号控制器的输出信号u(t)：是送往执行机构的控制命令。是送往执行机构的控制命令。调节规律调节规律就是控制器的输出信号就是控制器的输出信号u(t)随输入信号随输入信号e(t)变化的规律。变化的规律。32武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表以以热热交交换换器器温温度度控控制制系系统统为为例例：设设热热交交换换器器出出口口温温度度正正常操作时应为常操作时应为85，载热体是蒸汽。，载热体是蒸汽。位式调节位式调节比例调节比例调节积分调节积分调节微分调节微分调节 33武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表一一.比例调节比例调节(Proportional Control(Proportional Control)调节器的输出调节器的输出:u=KC e Kc比例增益，衡量比例控制作用强弱的变量。比例增益，衡量比例控制作用强弱的变量。Kc越大，在相同偏差输入下，输出也越大。越大，在相同偏差输入下，输出也越大。控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延滞。控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延滞。在实际中，习惯上使用比例带在实际中，习惯上使用比例带表示比例控制作用的强弱。表示比例控制作用的强弱。比例带比例带:=1/KC 34武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.有差调节有差调节,存在静态误差存在静态误差,e为零为零,则则u=0,失去调节作用失去调节作用,只能只能被控参数有差跟踪给定值，动作速度快。被控参数有差跟踪给定值，动作速度快。2.静差随静差随而而,但稳定性但稳定性,动态变坏动态变坏3.不适合于给定值随时间变化的情况，会使跟踪误差随时间不适合于给定值随时间变化的情况，会使跟踪误差随时间增大而增大。增大而增大。4.关于关于KC KC增加增加,可减小静差可减小静差,降低系统惯性降低系统惯性,加快响应速度加快响应速度,但系但系统的稳定性下降。统的稳定性下降。C(S)/R(S)=KOKC/(1+KOKC)/TO/(1+KOKC)S+1=K/(TS+1)Kc越大，越大，则则T比比TO减小很多减小很多KCKO/(TOS+1)R(S)e(S)u(S)C(S)-35武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表5.关于比例带关于比例带比例调节不是输出与输入成比例，而是两者的变化量成比例。比例调节不是输出与输入成比例，而是两者的变化量成比例。比例带比例带：控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数之比的百分数 其中：其中：e e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；(Z Zmaxmax-Z Zminmin)为控制器输入信号的变化范围，为控制器输入信号的变化范围，即量程；即量程；u为控制器输为控制器输出信号的变化量，即控制命令；出信号的变化量，即控制命令；(umax-umin)为控制器输出信号为控制器输出信号变化范围。变化范围。36武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表X50%50%100%100%Y=2=1=0.5 横轴投影长度即为横轴投影长度即为,在此范围内是有比例作用的在此范围内是有比例作用的,若偏差太大超若偏差太大超出此范围出此范围,就不再有比例作用就不再有比例作用,输出变量像开关输出变量像开关,不是最大就是最小。不是最大就是最小。比例带的具体意义为：使控制器的输出变化满刻度时，相应的比例带的具体意义为：使控制器的输出变化满刻度时，相应的控制器输入变化量占输入信号变化范围的百分数。即要使输出控制器输入变化量占输入信号变化范围的百分数。即要使输出做全范围变化，输入信号必须改变全量程的百分之几。做全范围变化，输入信号必须改变全量程的百分之几。37武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表例题：一台比例作用的温度调节器，其温度的变化范围为例题：一台比例作用的温度调节器，其温度的变化范围为400-800，调节器的输出范围是，调节器的输出范围是4-20mA。当温度从当温度从600变化到变化到700时，调节器相应的输出从时，调节器相应的输出从8mA变为变为12mA，试求该调节试求该调节器的比例带。器的比例带。这说明在这个比例带下，温度全范围变化（相当于这说明在这个比例带下，温度全范围变化（相当于400 ）时，控制器的输出从最小变为最大，在此区间内，时，控制器的输出从最小变为最大，在此区间内，e和和u是成比是成比例的。例的。38武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表比例带对系统稳定性的影响比例带对系统稳定性的影响 小于临界值小于临界值等于临界值等于临界值偏小偏小适当适当偏偏大大太大太大39武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表进水出水设定值HSP调节阀浮子支点L1L2L3L4杠杆阀杆比例式液位调节原理比例增益比例增益KC=L1/L2比例带比例带 =1/KC用水多时实际水位必然要低于设定值，阀门才能开大用水多时实际水位必然要低于设定值，阀门才能开大用水少时实际水位必然要高于设定值，阀门才能关小用水少时实际水位必然要高于设定值，阀门才能关小静差Proportional Control Proportional Control 举例说明举例说明40武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表调节器的输出调节器的输出 在人工调节时有一个理所当然的原则在人工调节时有一个理所当然的原则,就是偏差不除决不罢休就是偏差不除决不罢休,只只要偏差存在就持续不断地调下去要偏差存在就持续不断地调下去,直到把偏差完全消除为止直到把偏差完全消除为止;非但如此非但如此,偏差存在的时间长偏差存在的时间长,说明扰动大说明扰动大,已经施加在对象上的调节动作还不足已经施加在对象上的调节动作还不足以抑制偏差以抑制偏差,需要更大的操作量需要更大的操作量,即操作量应和偏差对时间的积分成正即操作量应和偏差对时间的积分成正比。比。二二.积分调节积分调节(Integral Control)(Integral Control)只要偏差存在只要偏差存在,调节器的输出就不断增加调节器的输出就不断增加,e=0,不再增加但维不再增加但维持其输出。持其输出。1.无差调节无差调节,调节过程结束调节过程结束,静差就不存在静差就不存在2.积分常数积分常数SC大大,则效果则效果但稳定性降低但稳定性降低3.I比比P稳定性差稳定性差,因阶数增加因阶数增加,出比入滞后出比入滞后90041武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表PI的输出：的输出：u=KCe+(KC/TI)e dt =1/e+(1/TI)e dt 0t0t传递函数传递函数:GC(S)=U(S)/E(S)=1/1+1/(TIS)=1/(TIS+1)/(TIS)ettuTIKCe2KCe阶跃响应如左图阶跃响应如左图,在起始阶段在起始阶段P起作用起作用,之后之后,PI共同作用共同作用,把把P的快速性的快速性与与I的消的消除静差除静差相结合。相结合。积分作用的滞后特性积分作用的滞后特性:动态比动态比P差差积分饱和积分饱和:由于某些原因由于某些原因,e一直存在一直存在,使积分器深度饱和使积分器深度饱和,失去调节作用失去调节作用,这是这是不允许的不允许的,要防止。要防止。PI调节调节单独单独I调节无实用意义调节无实用意义,而是用而是用PI调节，将调节，将P的快速与的快速与I的无差结合。的无差结合。42武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 在一个纯比例控制的闭环系统中引入积分作用时，若保持控制在一个纯比例控制的闭环系统中引入积分作用时，若保持控制器的比例度器的比例度不变，则可从下图所示的曲线族中看到，随着不变，则可从下图所示的曲线族中看到，随着T TI I减小，减小，则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；稳定性下降；T TI I过小，可能导致系统不稳定。过小，可能导致系统不稳定。T TI I小，扰动作用下的最小，扰动作用下的最大偏差下降，振荡频率增加。大偏差下降，振荡频率增加。T TI I的影响的影响43武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表结论：结论：在比例控制系统中引入积分作用的优点是能够在比例控制系统中引入积分作用的优点是能够消除余差，然而降低了系统的稳定性；若要保持系消除余差，然而降低了系统的稳定性；若要保持系统原有的衰减比，必须相应加大控制器的比例带，统原有的衰减比，必须相应加大控制器的比例带，这会使系统的其它控制指标下降。因此，如果余差这会使系统的其它控制指标下降。因此，如果余差不是主要的控制指标，就没有必要引入积分作用。不是主要的控制指标，就没有必要引入积分作用。由于比例积分控制器具有比例和积分控制的优点，由于比例积分控制器具有比例和积分控制的优点，有比例带有比例带和和TI两个参数可供选择，因此适用范围比两个参数可供选择，因此适用范围比较宽广，多数控制系统都可以采用。较宽广，多数控制系统都可以采用。44武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 无论是无论是P还是还是I都是系统有偏差时才去处理都是系统有偏差时才去处理,最好是能最好是能预预测被调参数的变化趋势测被调参数的变化趋势,从而当机立断事先采取措施从而当机立断事先采取措施,防患于防患于未然未然,这种根据被调参数变化速度采取的动作叫微分作用。这种根据被调参数变化速度采取的动作叫微分作用。D调节的输出：调节的输出：u=SD d e/d t 同样同样,单纯单纯D调节也无多大实用价值，常和调节也无多大实用价值，常和P或或I结合结合,组成组成PD,PID 调节。调节。三三.微分调节微分调节(Differential Control)(Differential Control)45武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表输出输出 u=KC e+KCTD(de/dt)=1/e+TD(de/dt)传递函数传递函数 GC(S)=U(S)/E(S)=1/(1+TDS)因微分易引入高频噪声因微分易引入高频噪声,一般加低通滤波一般加低通滤波,则则 GC(S)=U(S)/E(S)=(1/)(1+TDS)/(TD/KD)S+1 KD为微分增益为微分增益,在在5-10之间之间,这样分母项时这样分母项时间常数是分子项的间常数是分子项的1/5-1/10，分析时可以忽略分，分析时可以忽略分母项时间常数的影响。母项时间常数的影响。1、PD调节调节46武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表0.632YDYP+YDYXttYPTD1.PD是有差调节是有差调节,稳态下稳态下D已不起作用已不起作用,只剩只剩P了了2.PD可提高系统稳定性可提高系统稳定性,抑制过渡过程最大超调抑制过渡过程最大超调3.PD可减小静差可减小静差,提高响应速度提高响应速度,因因D后可后可KC4.PD适合于时间常数大的过程适合于时间常数大的过程,不适合于不适合于Q,P等变化等变化剧烈的过程剧烈的过程,会使阀频繁开关振荡会使阀频繁开关振荡47武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与