第一篇 简单控制PPT讲稿.ppt

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1、第一篇第一篇 简单控制简单控制第1页，共111页，编辑于2022年，星期二1-11-1过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标一、一、单项性能指标单项性能指标衰减率、超调量、稳态误差、调节时间衰减率、超调量、稳态误差、调节时间二、二、时间时间积分指标积分指标 IEIE、IAEIAE、ISEISE、ITAEITAE小结：小结：1 1 单项指标用若干特征参数评价系统优劣；单项指标用若干特征参数评价系统优劣；2 2 积分指标用误差积分综合评价系统优劣；积分指标用误差积分综合评价系统优劣；3 3 根据具体生产过程的实际选用不同的指标；根据具体生产过程的实际选用不同的指标；4 4 通常将衰减率和积分

2、指标结合，首先满足衰减率。通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。第2页，共111页，编辑于2022年，星期二1-21-2被控对象的动态特性被控对象的动态特性一、基本概念一、基本概念二、典型对象动态特性二、典型对象动态特性三、工业过程动态特性的特点三、工业过程动态特性的特点无振荡、稳定、有迟延、非线性无振荡、稳定、有迟延、非线性第3页，共111页，编辑于2022年，星期二典型自衡对象传递函数表达式典型自衡对象传递函数表达式典型非自衡对象传递函数表达式典型非自衡对象传递函数表达式第4页，共111页，编辑于2022年，星期二一、一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求过程数学模型的表达形式与对

3、模型的要求二、建立数学模型的两个基本方法二、建立数学模型的两个基本方法机理建模法机理建模法测试建模法测试建模法三、阶跃响应确定传递函数三、阶跃响应确定传递函数1 阶跃响应获取应注意的问题阶跃响应获取应注意的问题2 确定自衡对象传递函数确定自衡对象传递函数3 确定非自衡对象传递函数确定非自衡对象传递函数1-3 过程数学模型及其建立方法过程数学模型及其建立方法第5页，共111页，编辑于2022年，星期二控制器控制器广义被控对象广义被控对象给定值给定值被调量被调量稳态稳态稳态稳态动态动态第6页，共111页，编辑于2022年，星期二控制要求控制要求安全性安全性积极性积极性稳定性稳定性评价指标评价指标稳

4、定性稳定性准确性准确性快速性快速性第7页，共111页，编辑于2022年，星期二控制器广义对象+-给定给定被调量被调量y1y3yessts单项性能指标单项性能指标衰减率衰减率:=超调量超调量:=稳态误差稳态误差:ess=y-r调节时间调节时间:ts(进入稳态值进入稳态值5%5%范围内范围内）r第8页，共111页，编辑于2022年，星期二单项性能指标单项性能指标衰减率衰减率:反映了系统稳定性反映了系统稳定性超调量超调量:反映了动态准确性反映了动态准确性稳态误差稳态误差ess:反映了静态准确性反映了静态准确性调节时间调节时间ts:反映了快速型反映了快速型一般一般 对定值系统衰减率要求为对定值系统衰减

5、率要求为75%75%对随动系统衰减率要求为对随动系统衰减率要求为90%90%第9页，共111页，编辑于2022年，星期二不振不振荡荡衰减衰减衰减衰减等幅等幅系系统统振振荡荡1041衰减比衰减比90206 612282800.3660.2210衰减指数衰减指数10.3440.2160阻尼系数阻尼系数10.90.750衰减率衰减率讨论：讨论：（对二阶系统）（对二阶系统）第10页，共111页，编辑于2022年，星期二-小结：小结：衰减率越大，则系统振荡频率越低；衰减率越大，则系统振荡频率越低；第11页，共111页，编辑于2022年，星期二各种积分指标：各种积分指标：IE（误差积分）（误差积分）优点：

6、简单，也称为线性积分准则优点：简单，也称为线性积分准则 局限：不能抑制响应等幅波动局限：不能抑制响应等幅波动IAE（绝对误差积分）（绝对误差积分）特点：抑制响应等幅波动特点：抑制响应等幅波动ISE（平方误差积分）（平方误差积分）优点：抑制响应等幅波动和大误差优点：抑制响应等幅波动和大误差局限：不能反映微小误差对系统的影响局限：不能反映微小误差对系统的影响ITAE（时间与绝对误差乘积积分）（时间与绝对误差乘积积分）优点：着重惩罚过度时间过长优点：着重惩罚过度时间过长 第12页，共111页，编辑于2022年，星期二12Fh 有自平衡单容对象有自平衡单容对象第13页，共111页，编辑于2022年，星

7、期二有自平衡双容对象有自平衡双容对象第14页，共111页，编辑于2022年，星期二Fh无自平衡单容对象无自平衡单容对象第15页，共111页，编辑于2022年，星期二1 被控被控对对象数学模型的表达形式象数学模型的表达形式按模型按模型结结构划分：构划分：输入输出模型输入输出模型状态空间模型状态空间模型连续系统模型连续系统模型离散系统模型离散系统模型按系统的连续性划分：按系统的连续性划分：2 被控被控对对象数学模型的利用方式象数学模型的利用方式 离离线线方式：方式：数学模型只是在数学模型只是在进进行控制系行控制系统时间统时间或或调试调试整定整定阶阶段中段中发挥发挥作用作用 在在线线方式：方式：数学

8、模型作数学模型作为为一个一个组组成部分嵌入控制系成部分嵌入控制系统统中，具有中，具有实时实时性。性。3 对对被控被控对对象数学模型的要求象数学模型的要求 一般不要求非常准确。一般不要求非常准确。闭环闭环控制本身具有一定的控制本身具有一定的鲁鲁棒性。棒性。第16页，共111页，编辑于2022年，星期二机理建模：机理建模：物质平衡方程物质平衡方程能量平衡方程能量平衡方程动量平衡方程动量平衡方程 输入输出微分方程输入输出微分方程 传递函数传递函数 在工作点附近线性化处理在工作点附近线性化处理第17页，共111页，编辑于2022年，星期二测试建模：测试建模：用阶跃响应曲线建模（开环）用阶跃响应曲线建模

9、（开环）用脉冲响应曲线建模（开环）用脉冲响应曲线建模（开环）用正弦响应建模（闭环）用正弦响应建模（闭环）其他辨识方法建模其他辨识方法建模飞升曲线飞升曲线第18页，共111页，编辑于2022年，星期二1 阶跃响应获取应注意的问题阶跃响应获取应注意的问题（1）合理选择阶跃扰动的幅度）合理选择阶跃扰动的幅度(一般约为额定负荷的一般约为额定负荷的10%20%)（2）实际阀门只能以有限速度移动）实际阀门只能以有限速度移动一般认为阶跃信号是在一般认为阶跃信号是在t1/2时加入时加入（3）试验前确保被控对象处于稳定工况）试验前确保被控对象处于稳定工况考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。考虑过程的非线性特性

10、，应进行多次测试。（4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。第19页，共111页，编辑于2022年，星期二2 确定自衡对象传递函数确定自衡对象传递函数典型自衡典型自衡过过程：程：一一阶惯阶惯性性环节环节用有理分式表示的传递函数用有理分式表示的传递函数选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点：选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点：对被控对象的验前知识的掌握对被控对象的验前知识的掌握对建立数学模型准确性的要求对建立数学模型准确性的要求 二阶或二阶或n阶惯性环节阶惯性

11、环节第20页，共111页，编辑于2022年，星期二（1）确定）确定参数参数的作图法的作图法 t1/2处为扰动起点；处为扰动起点；在在s型响应曲线找拐点，并作切线；型响应曲线找拐点，并作切线；记交点记交点a、b和和cab 起点到起点到a的距离为的距离为；a点到点到c点的距离为点的距离为T；c第21页，共111页，编辑于2022年，星期二（2）确定）确定参数的两点法参数的两点法 将响应曲线标幺将响应曲线标幺 取取y*(t1)=0.39，取，取y*(t2)=0.63，记，记t1和和t2 取取验证验证第22页，共111页，编辑于2022年，星期二（3）确定）确定参数的两点方法参数的两点方法 将响应曲线

12、标幺并去掉纯迟延的到将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到y*(t)取取y*(t1)=0.4，取，取y*(t2)=0.8，记，记t1和和t2若若0.320.46，则为高阶对象，则为高阶对象见表见表1-1（p.28)第23页，共111页，编辑于2022年，星期二n t1/t21 0.3172 0.463 0.5344 0.5845 0.6186 0.6407 0.666 n t1/t28 0.6849 0.69910 0.71211 0.72412 0.73413 0.74814 0.751 表表1-1 高阶对象中高阶对象中n与比值与比值t1/t2的关系的关系第24页，共111页，编辑于2022年，星期

13、二（4）确定有理分式参数的方法（面）确定有理分式参数的方法（面积积方法）方法）定义定义根据拉氏变换的终值定理，可知根据拉氏变换的终值定理，可知 又定义又定义则有：则有：h(t)是单位阶跃响应是单位阶跃响应第25页，共111页，编辑于2022年，星期二依次类推，可得到一个线性方程组：依次类推，可得到一个线性方程组：求解该方程组就可得到求解该方程组就可得到a0an和和b0bm的值的值第26页，共111页，编辑于2022年，星期二3由由阶跃阶跃响响应应确定非自衡确定非自衡过过程近似程近似传递传递函数函数一阶积分环节的多容过程一阶积分环节的多容过程非自衡过程传递函数为：非自衡过程传递函数为：一阶积分环

14、节的纯迟延过程一阶积分环节的纯迟延过程*当对象的阶数当对象的阶数n6时，一般多容过程传递函数描述时，一般多容过程传递函数描述第27页，共111页，编辑于2022年，星期二（1）一阶积分的多容过程）一阶积分的多容过程阶跃响应为阶跃响应为第28页，共111页，编辑于2022年，星期二当当y*(t)0时时 ，记记tta有：有：tanT Tta/n 渐近线方程：渐近线方程：当当t0时，时，y*(t)0h h不能直接不能直接得到结果得到结果可以直接得可以直接得到结果到结果第29页，共111页，编辑于2022年，星期二当当ttanT时，时，y(ta)=y1(ta),值为值为：由渐近线方程有：由渐近线方程有

15、：*故故y(ta)/oh与与n为单值关系为单值关系n n1 12 23 34 45 56 6y(ty(ta a)/0h)/0h0 0368368 0 02712710 02242240 01951950 01751750 0161161表表1-2第30页，共111页，编辑于2022年，星期二n、Ta、T参数的确定：参数的确定：n由由y(ty(ta a)/)/0h0h的的值经查值经查表表1-2确定；确定；Tta/n；非自衡过程非自衡过程第31页，共111页，编辑于2022年，星期二（2）有）有迟迟延的一延的一阶积阶积分分对对象象需要确定两个参数需要确定两个参数(T和和)。在在y（t）上作渐进线，

16、取）上作渐进线，取ta=。渐近线方程：渐近线方程：第32页，共111页，编辑于2022年，星期二第二章第二章 比例积分微分控制及其调节过程比例积分微分控制及其调节过程2-1 基本概念基本概念2-2 比例调节比例调节2-3 积分调节积分调节2-4 比例积分调节比例积分调节2-5 比例积分微分调节比例积分微分调节第33页，共111页，编辑于2022年，星期二2-1 基本概念基本概念控制器控制器PID广义被控对象广义被控对象给定值给定值r r被调量被调量y yeu 统计表明生产过程统计表明生产过程80%的控制可以用的控制可以用PID控制器构成单回路控制器构成单回路反馈控制系统进行控制（简单控制系统）

17、。反馈控制系统进行控制（简单控制系统）。PID控制是比例积分微分控制的简称。控制是比例积分微分控制的简称。是一种负反馈控制。是一种负反馈控制。即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用是对输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳是对输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。定。控制器包括求偏差和控制器包括求偏差和PID运算运算第34页，共111页，编辑于2022年，星期二1典型的典型的传递传递函数函数为为：实际实际PID理想理想PID其中：其中：KC：比例系数比例系数TI I：积分时间积分时间TD

18、D：微分时间微分时间KD D：微分增益微分增益第35页，共111页，编辑于2022年，星期二2PID调节的优点调节的优点原理简单原理简单（适用和实现方便）（适用和实现方便）适应性强适应性强（应用面宽）（应用面宽）鲁棒性强鲁棒性强（对过程变化不敏感）（对过程变化不敏感）3调节器偏差的定义调节器偏差的定义按仪表制造业的规定：按仪表制造业的规定：调节器偏差调节器偏差=测量值测量值-给定值，即给定值，即控制系统偏差的定义：控制系统偏差的定义：第36页，共111页，编辑于2022年，星期二4.4.调节器正反作用定义：调节器正反作用定义：正作用：正作用：e (e)u，即，即KC为负为负反作用：反作用：e

19、(e)u)u，即，即KC为正为正设置正反作用的目的：使控制系统构成负反馈系统设置正反作用的目的：使控制系统构成负反馈系统PID广义被控对象广义被控对象给定值给定值r r被调量被调量y yeu控制器（调节器）控制器（调节器）第37页，共111页，编辑于2022年，星期二5正反作用的判断方法正反作用的判断方法(六边形法六边形法):e（r-y）e(y-r)(y-r)PIDr ry yeu-y对象对象K为负，控制器作用应使为负，控制器作用应使u正作用正作用例：过热蒸汽温度控制系统例：过热蒸汽温度控制系统第38页，共111页，编辑于2022年，星期二2-2 比例调节比例调节1.比例调节规律（比例调节规律

20、（P）KC为比例增益，为比例带为比例增益，为比例带。的物理意义：使调节阀开度改变的物理意义：使调节阀开度改变100%（即从全关到全开）所需要的被（即从全关到全开）所需要的被调量的变化范围。调量的变化范围。u0是偏差是偏差e=0时，的调节器输出初始值。时，的调节器输出初始值。*比例作用的线性关系只在一定范围其作用比例作用的线性关系只在一定范围其作用第39页，共111页，编辑于2022年，星期二2.调节过程：调节过程：Kc给定值给定值r r被调量被调量y yeu-（调节量扰动下（调节量扰动下）MATLAB演示第40页，共111页，编辑于2022年，星期二1001000 0o oQ Q0 0Q Q1

21、 11 10 0p0时，杠杆失去平衡，逆时针转动，带时，杠杆失去平衡，逆时针转动，带动阀杆向下移动，关小阀门，气体较少的通动阀杆向下移动，关小阀门，气体较少的通过阀门，导致阀后压力下降。阀杆的移动速过阀门，导致阀后压力下降。阀杆的移动速度与压力偏差成正比度与压力偏差成正比当压力逐步恢复到当压力逐步恢复到p=p0时，阀门停在一个时，阀门停在一个新位置。新位置。改变针形阀的开度可改变积分速度改变针形阀的开度可改变积分速度KI(1/TI)的大小。的大小。2.调节过程：调节过程：r ry yeu-第45页，共111页，编辑于2022年，星期二3.积分调节的特点积分调节的特点 无差调节无差调节 调节作用

22、不及时调节作用不及时TI太大太大TI适当适当TI太小太小TI过小过小积分调节一般不能单独使用积分调节一般不能单独使用。积分作用使系统稳定性变差。积分作用使系统稳定性变差。TI 调节作用增强调节作用增强外扰作用下输出响应外扰作用下输出响应第46页，共111页，编辑于2022年，星期二4.TI变化对系统控制性能指标的影响变化对系统控制性能指标的影响定扰下：定扰下：TI KI KI I I（外扰同）（外扰同）衰减率衰减率 稳态误差稳态误差e essss=0=0超调量超调量 振荡频率振荡频率 r ry yeu-TI增加增加扰动扰动外扰下外扰下内扰下：内扰下：TI KI I衰减率衰减率 稳态误差稳态误差

23、e essss=0=0超调量超调量 振荡频率振荡频率 第47页，共111页，编辑于2022年，星期二5.与与P调节比较调节比较黑线为二阶对象比例调节黑线为二阶对象比例调节红线为二阶对象积分调节红线为二阶对象积分调节系统稳定性下降（加了一个位于原点的开环极点）系统稳定性下降（加了一个位于原点的开环极点）静态：无稳态误差；动态：由于调节不及时静态：无稳态误差；动态：由于调节不及时较大较大在相同的稳定裕度下，在相同的稳定裕度下，振荡频率低，调节过程加长。，振荡频率低，调节过程加长。静态：静态：I调节优于调节优于P调节，动态：调节，动态：P调节优于调节优于I调节调节第48页，共111页，编辑于2022

24、年，星期二结结 论论 积分调节虽然可消除稳态误差，但调节缓慢，动态超积分调节虽然可消除稳态误差，但调节缓慢，动态超调量加大，而且使系统的稳定性变差。工业上不单独使调量加大，而且使系统的稳定性变差。工业上不单独使用积分调节作用。用积分调节作用。第49页，共111页，编辑于2022年，星期二2-4 比例积分调节比例积分调节1.比例比例积分调节规律（积分调节规律（PI）第50页，共111页，编辑于2022年，星期二TTCC冷冷水水Q蒸蒸汽汽D冷冷凝凝水水热热水水QPI调节调节2.调节过程：调节过程：第51页，共111页，编辑于2022年，星期二给定值给定值r r被调量被调量y yeu-第52页，共1

25、11页，编辑于2022年，星期二对对PI调节的理解调节的理解第53页，共111页，编辑于2022年，星期二3 比例积分调节的特点比例积分调节的特点无差调节（吸收了积分规律的优点）无差调节（吸收了积分规律的优点）调节及时调节及时（吸收了比例规律的优点）（吸收了比例规律的优点）浮动调节浮动调节第54页，共111页，编辑于2022年，星期二4.对系统控制性能指标的影响（定扰下）对系统控制性能指标的影响（定扰下）（KC不变）不变）TI KIKI衰减率衰减率 稳态误差稳态误差e essss=0=0超调量超调量 振荡频率振荡频率 （TI不变）不变）KC 衰减率衰减率 稳态误差稳态误差e essss超调量超

26、调量 振荡频率振荡频率 外扰下，同定扰外扰下，同定扰第55页，共111页，编辑于2022年，星期二对系统控制性能指标的影响（内扰下）对系统控制性能指标的影响（内扰下）（KC不变）不变）TI KIKI衰减率衰减率 稳态误差稳态误差e essss=0=0超调量超调量 振荡频率振荡频率 （TI不变）不变）KC 衰减率衰减率 稳态误差稳态误差e essss超调量超调量 振荡频率振荡频率 第56页，共111页，编辑于2022年，星期二5.与与P调节比较调节比较在在P调节的基础上加入积分，将使系统的稳定性下调节的基础上加入积分，将使系统的稳定性下降，为保持控制系统原来的衰减率，降，为保持控制系统原来的衰减

27、率，PI调节器比例带必调节器比例带必须适当加大，须适当加大，第57页，共111页，编辑于2022年，星期二6.积分饱和现象积分饱和现象 定义：在有积分作用的调节器系统中，当调节器输出达到上限或下定义：在有积分作用的调节器系统中，当调节器输出达到上限或下限值后，被调量偏差较长时间仍然无法消除，而调节器还是要试图校限值后，被调量偏差较长时间仍然无法消除，而调节器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，积分作用使调节器将进入饱和状正这个偏差，结果经过一段时间后，积分作用使调节器将进入饱和状态，这种现象称为积分饱和。态，这种现象称为积分饱和。危害：调节器进入饱和状态后，当被调量偏差极性发生反转时，

28、危害：调节器进入饱和状态后，当被调量偏差极性发生反转时，调节量输出需反向变化，但由于积分饱和，将导致调节滞后，即调节量输出需反向变化，但由于积分饱和，将导致调节滞后，即调节器输出不能及时反向调节，使系统稳定性下降，超调量增大，调节器输出不能及时反向调节，使系统稳定性下降，超调量增大，调节品质变差。调节品质变差。处理措施：采用抗积分饱和措施。处理措施：采用抗积分饱和措施。第58页，共111页，编辑于2022年，星期二给定值给定值r r被调量被调量y yeu-阀门阀门TTCC冷冷水水Q蒸蒸汽汽D冷冷凝凝水水热热水水Qy yur r调节滞后调节滞后第59页，共111页，编辑于2022年，星期二2-5

29、 比例积分微分调节比例积分微分调节1.微分调节（微分调节（D D）1euKD0.632 KDTD/KD微分调节是仅根据偏差的变化速度来产生控制信号，微分调节是仅根据偏差的变化速度来产生控制信号，偏差不变则没有控制输出。因此微分调节不单独使用偏差不变则没有控制输出。因此微分调节不单独使用第60页，共111页，编辑于2022年，星期二2.比例微分调节（比例微分调节（PDPD）单位阶跃响应单位阶跃响应1uKD/0.632(KD-1)/TD/KDe1/第61页，共111页，编辑于2022年，星期二3.比例微分调节特点比例微分调节特点相同衰减率下相同衰减率下 TD微分调节作用增强；微分调节作用增强；有差

30、调节，稳态误差与比例调节；有差调节，稳态误差与比例调节；超前调节，适当的微分可以减小超调量，也能减少振荡倾向一样。超前调节，适当的微分可以减小超调量，也能减少振荡倾向一样。MATLAB演示第62页，共111页，编辑于2022年，星期二4.比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID）MATLAB演示第63页，共111页，编辑于2022年，星期二I调节调节PI调节调节P调节调节PD调节调节PID调节调节相同衰减率下，各调节规律比较相同衰减率下，各调节规律比较PID的调节效果最好（从超调量、过度过程时间、稳态误差），的调节效果最好（从超调量、过度过程时间、稳态误差），PI其次，其次，PD次之（

31、有差），次之（有差），P再次之，再次之，I调节最差调节最差 MATLAB演示第64页，共111页，编辑于2022年，星期二 虽然虽然PID的调节效果最好，并不意味着所有的系统都是合理的调节效果最好，并不意味着所有的系统都是合理的，因为它有三个参数要整定，如果整定不合适，则可能导的，因为它有三个参数要整定，如果整定不合适，则可能导致系统不稳定，适得其反。使用何种调节规律一般可按：致系统不稳定，适得其反。使用何种调节规律一般可按：先先比例比例 ，再积分，然后才把微分加，再积分，然后才把微分加*对象时间常数大或迟延时间长，应引入对象时间常数大或迟延时间长，应引入D作用，若系统允作用，若系统允许有残差

32、，则可选许有残差，则可选PD调节；系统要求无差，则选调节；系统要求无差，则选PID规律。规律。*对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统要求无差，则使用对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统要求无差，则使用PI调节。（如锅炉水位控制等）调节。（如锅炉水位控制等）*对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统不要求无差，对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统不要求无差，则使用则使用P调节。（如锅炉高加水位控制等）调节。（如锅炉高加水位控制等）第65页，共111页，编辑于2022年，星期二*对象时间常数或迟延时间很长，受扰动影响也很大，简单对象时间常数或迟延时间很长，受扰动影响也很大，简单控制系统

33、已不能满足要求，应设计复杂控制系统。（如汽控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。（如汽温控制系统）温控制系统）若广义对象的传递函数可近视表示为典型的自衡过程若广义对象的传递函数可近视表示为典型的自衡过程，选择选择P或或PI调节调节，选择选择PD或或PID调节调节，用复，用复杂杂控制。控制。第66页，共111页，编辑于2022年，星期二第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定3-1 控制系统整定的基本要求控制系统整定的基本要求3-2 衰减频率特性法定性分析衰减频率特性法定性分析 3-3 工程整定方法工程整定方法3-4 参数自整定参数自整定第67页，共111页，编辑于2022年，星

34、期二3-1 控制系统整定的基本要求控制系统整定的基本要求PID广义被控对象广义被控对象给定值给定值r r被调量被调量y yeu 控制系统的控制系统的任务任务是指在控制系统的结构已经确定、是指在控制系统的结构已经确定、控制控制设备设备与控制对象等都处在正常状态的情况下与控制对象等都处在正常状态的情况下,通过通过调整调节器的参数调整调节器的参数（、T TI I、T TD D)，使其与被控对象特性，使其与被控对象特性相匹配，以达到最佳的控制效果。相匹配，以达到最佳的控制效果。第68页，共111页，编辑于2022年，星期二1.参数整定参数整定调整调节器参数的过程称为参数整定。当调节器的参数被整定调整调

35、节器参数的过程称为参数整定。当调节器的参数被整定到使控制系统达到最佳控制效果时，称为最佳整定参数。到使控制系统达到最佳控制效果时，称为最佳整定参数。2.参数整定的依据参数整定的依据性能指标性能指标1）单项性能指标：）单项性能指标：衰减率衰减率、超调量、过渡过程时间。、超调量、过渡过程时间。=0.75适应于大部分允许有一些超调的工业过程。适应于大部分允许有一些超调的工业过程。=1适用于被控对象的惯性较大，且不允许有过调的控制系统。适用于被控对象的惯性较大，且不允许有过调的控制系统。2）误差积分指标：）误差积分指标：IE、IAE、ISE、ITAE等。等。第69页，共111页，编辑于2022年，星期

36、二 在实际系统整定过程中，常将两种指标综合起来使用。在实际系统整定过程中，常将两种指标综合起来使用。一般先改变某些调节器参数（如比例带）使系统获得一般先改变某些调节器参数（如比例带）使系统获得规定的衰减率，然后再改变另外的参数使系统满足积分指规定的衰减率，然后再改变另外的参数使系统满足积分指标。经过多次反复调整，使系统在规定的衰减率下使选定标。经过多次反复调整，使系统在规定的衰减率下使选定的某一误差指标最小，从而获得调节器的最佳整定参数。的某一误差指标最小，从而获得调节器的最佳整定参数。第70页，共111页，编辑于2022年，星期二3.调节器参数整定的方法调节器参数整定的方法1）理论计算整定法

37、：（根轨迹法、频率特性法）理论计算整定法：（根轨迹法、频率特性法）基于数基于数学模型通过计算直接求得调节器的整定参数，整定过程复杂，学模型通过计算直接求得调节器的整定参数，整定过程复杂，且往往由于被控对象是近似的，故所求得的整定参数不可靠。且往往由于被控对象是近似的，故所求得的整定参数不可靠。2）工程整定法：临界比例带法、衰减曲线法、图表整定）工程整定法：临界比例带法、衰减曲线法、图表整定法。这写方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节法。这写方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似最佳整定参数，因而在工程种得到广泛的应用。器的近似最佳整定参数，因而在工程种得到广泛的应用。第71页，共

38、111页，编辑于2022年，星期二3-2 衰减频率特性法定性分析衰减频率特性法定性分析 从控制理从控制理论论得知，得知，对对于二于二阶阶系系统统，其特征方程，其特征方程若有一若有一对对共共轭轭复根：复根：对应对应的系的系统阶跃统阶跃响响应应衰减率衰减率为为 其中其中，称，称为为系系统统相相对稳对稳定度定度在根平面上有在根平面上有-GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)1.衰减频率特性和稳定度判据衰减频率特性和稳定度判据 第72页，共111页，编辑于2022年，星期二-ABO当当频频率从率从，折，折线线AOB上的任一点可表示上的任一点可表示为为将将s的的值带值带入系入系统统开开环传递环传

39、递函数函数得到系得到系统统的开的开环环衰减衰减频频率特性率特性对应对应的推广乃氏的推广乃氏稳稳定性判据定性判据稳稳定度判据定度判据为为：在复平面在复平面AOB折折线线右右侧侧有有p个极点，那么当个极点，那么当频频率从率从时时逆逆时针时针包包围围（-1，j0）的圈数）的圈数为为p，则闭环系统衰减率满足规定要求则闭环系统衰减率满足规定要求若若第73页，共111页，编辑于2022年，星期二若若在复平面在复平面AOB折折线线右右侧侧无极点，无极点，变变化化时时，不包不包围围（-1，j0），），则闭环则闭环系系统统衰减率衰减率满满足足规规定要求定要求通通过过（-1，j0），），则闭环则闭环系系统统衰减率

40、衰减率满满足足规规定要求定要求包包围围（-1，j0），），则闭环则闭环系系统统衰减率衰减率满满足足规规定要求定要求当频率从当频率从-ABO第74页，共111页，编辑于2022年，星期二1.衰衰减减频频率特性法整定率特性法整定调节调节器参数器参数设满足设满足的特征方程为的特征方程为即：即：求得以上满足幅值条件和相位条件的所组成的方程组便可求得以上满足幅值条件和相位条件的所组成的方程组便可得到调节器的整定参数及振荡频率。得到调节器的整定参数及振荡频率。第75页，共111页，编辑于2022年，星期二1）单单参数参数调节调节器的参数整定器的参数整定其中其中s s是由相是由相频频特性求得的。特性求得的。

41、求解方程组：求解方程组：（1）比例调节器）比例调节器:GC(ms,j)=KC（2）积分调节器）积分调节器:求解方程组：求解方程组：结论结论由频率特性方程组可得到：由频率特性方程组可得到：单参数调节器唯一整定参数单参数调节器唯一整定参数第76页，共111页，编辑于2022年，星期二P调节和调节和I调节的相频特性调节的相频特性:对同一对象：对同一对象：相对稳定度相对稳定度m越小，系统振荡频率越高；越小，系统振荡频率越高；P调节的振荡频率比调节的振荡频率比I调节的振荡频率高。调节的振荡频率高。m=0m=0.221m=0.366-/2-01 12 24 46 65 53 3第77页，共111页，编辑于

42、2022年，星期二2）双参数调节器的参数整定）双参数调节器的参数整定（1）PI调节调节由由频频率特性方程率特性方程组组，因此得到的解是多，因此得到的解是多组组解解 解三个变量解三个变量=0=0=0.75=0.75=0.9=0.9T TI I=常数常数(a)有自平衡能力的多容对象有自平衡能力的多容对象;(b)无自平衡能力的多容对象无自平衡能力的多容对象=0.75=0.9=0s0s0s1s1第78页，共111页，编辑于2022年，星期二PD控制系统的等衰减率曲线控制系统的等衰减率曲线(n-1)阶对象n阶对象(b)Td=T(a)（2）PD调节调节由由频频率特性方程率特性方程组组，因此得到的解是多，因

43、此得到的解是多组组解解 解三个变量解三个变量第79页，共111页，编辑于2022年，星期二PI调调节节PD调节调节第80页，共111页，编辑于2022年，星期二 综上分析可看到，用这种理论的整定方法整定调节器综上分析可看到，用这种理论的整定方法整定调节器参数，当调节器的参数超过一个时，整定是非常麻烦的，参数，当调节器的参数超过一个时，整定是非常麻烦的，计算量很大实用价值不高。但它可建立调节器整定参数与计算量很大实用价值不高。但它可建立调节器整定参数与被控对象动态特性参数之间的关系，为工程整定的经验公被控对象动态特性参数之间的关系，为工程整定的经验公式提供理论依据。式提供理论依据。第81页，共1

44、11页，编辑于2022年，星期二3-3 工程整定方法工程整定方法1.动态特性参数法（离线整定、开环整定）动态特性参数法（离线整定、开环整定）自衡对象：自衡对象：非自衡对象：非自衡对象：齐勒格齐勒格(Ziegler)-尼科尔斯尼科尔斯(Nichols)整定公式（整定公式（=0.75=0.75）T TD DT TI IPPIPID规律规律参数参数第82页，共111页，编辑于2022年，星期二 齐勒格齐勒格-尼科尔斯整定公式比较粗糙，经过不断改进，尼科尔斯整定公式比较粗糙，经过不断改进，广为流传的是科恩广为流传的是科恩-库恩公式（自衡对象库恩公式（自衡对象=0.75）第83页，共111页，编辑于20

45、22年，星期二 随着仿真技术的发展，又有以积分指标为辅助系统性能随着仿真技术的发展，又有以积分指标为辅助系统性能指标的调节器最佳参数整定公式，如教材表指标的调节器最佳参数整定公式，如教材表3.2（针对自衡对（针对自衡对象）象）第84页，共111页，编辑于2022年，星期二2.稳定边界法（临界比例带法）闭环试验法稳定边界法（临界比例带法）闭环试验法T TD DT TI IPPIPID规律规律参数参数Tcr 使调节器为纯比例规律，使调节器为纯比例规律，且比例带较大；且比例带较大；使系统闭环，待稳定后，使系统闭环，待稳定后，逐步减小比例带，当系统逐步减小比例带，当系统出现等幅震荡时，计下出现等幅震荡

46、时，计下GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)查表查表3.3第85页，共111页，编辑于2022年，星期二注意：注意：适于临界稳定时振幅不大，周期较长（适于临界稳定时振幅不大，周期较长（Tcr30s）的系统，）的系统，对象的对象的和和T T较小不适用；较小不适用；T较大的单容对象因采用较大的单容对象因采用P调节时，调节时，系统永远稳定，也不适用系统永远稳定，也不适用对于非自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率对于非自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75对于自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率对于自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.9,因此除了因此

47、除了在阻塞流情况下需要进行流量修正外，在非阻塞流时，只有球在阻塞流情况下需要进行流量修正外，在非阻塞流时，只有球阀和蝶阀在阀和蝶阀在D/d1.5时，才需要修正。时，才需要修正。3）气体流量系数修正（可压缩流体）气体流量系数修正（可压缩流体）4）管件形状修正）管件形状修正第103页，共111页，编辑于2022年，星期二1.调节阀结构特性调节阀结构特性快开阀快开阀直线阀直线阀抛物线阀抛物线阀等百分比阀等百分比阀4-3 调节阀结构特性和流量特性调节阀结构特性和流量特性结构特性：结构特性：第104页，共111页，编辑于2022年，星期二 *调节阀全关时，仍然有约调节阀全关时，仍然有约5%的流量，这是为

48、了防止卡的流量，这是为了防止卡瑟；瑟；线性线性PID *实际应用中常采用等百分比阀，因为对象特性往往是实际应用中常采用等百分比阀，因为对象特性往往是非线性的，即：非线性的，即：K(Q Q)第105页，共111页，编辑于2022年，星期二2 调节阀的流量特性调节阀的流量特性 1）理想流量特性）理想流量特性在调节阀前后差压固定时，有在调节阀前后差压固定时，有 即理想流量特性就是阀门的结构特性即理想流量特性就是阀门的结构特性根据根据Qp1p2第106页，共111页，编辑于2022年，星期二2）工作流量特性）工作流量特性（1）串联管系调节阀工作流量特性串联管系调节阀工作流量特性全开阀阻比：全开阀阻比：

49、pep p流流量量特特性性畸畸变变流量特性：流量特性：第107页，共111页，编辑于2022年，星期二（2）并联管系调节阀工作流量特性）并联管系调节阀工作流量特性 pQQeQ阀全开流量比阀全开流量比：流量特性：流量特性：流量特性畸变见流量特性畸变见p.81图图4.20第108页，共111页，编辑于2022年，星期二小结小结*在理想情况下，阀门流量特性就是阀门结构特性。在理想情况下，阀门流量特性就是阀门结构特性。*串联在管道中的阀门流量特性串联在管道中的阀门流量特性发生畸生畸变，随随S100减小，减小，调节范范围减小，减小，调节性能性能变差。差。*并联在管道中的阀门流量特性并联在管道中的阀门流量

50、特性发生畸生畸变，随随S100 减小，减小，调节范范围减小，减小，调节性能性能变差。差。*在在设计管段管段时，管道中其他部件引起的差，管道中其他部件引起的差压应尽量小，尽量小，这样可可使使流量特性流量特性发生畸生畸变较少。少。第109页，共111页，编辑于2022年，星期二4-4 气动调节阀选型气动调节阀选型1.调节阀结构形式的选择调节阀结构形式的选择2.调节阀气开、气关形式的选择调节阀气开、气关形式的选择选用原则：断气后，调节阀所处的位置应保证系统安全选用原则：断气后，调节阀所处的位置应保证系统安全3.调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择 1）从改善控制系统控制质量考虑）从改善控制系统控