单回路反馈控制系统精.ppt

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1、单回路反馈控制系统第1页，本讲稿共21页单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统1.1 1.1 单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成1.2 1.2 被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择1.3 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 1.4 控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择1.5 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质

2、量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 1.7 系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法1.8 1.8 单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质

3、量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第第1章章教学进程教学进程教学进程教学进程第2页，本讲稿共21页1.6 1.6 1.6 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制质量：控制质量：系统的稳定性系统的稳定性系统的静态误差系统的静态误差系统的动态误差系统的动态误差PID 三作用控制器三作用控制器PID：Proportional Integral DerivativePID控制：对偏差

4、信号对偏差信号 (t)进行比例、积分和微分运进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律算变换后形成的一种控制规律。教学进程教学进程教学进程教学进程第3页，本讲稿共21页其中：Kpe(t)比例控制项，比例控制项，Kp 为比例系数为比例系数 积分控制项，积分控制项，T Ti 为积分时间常数为积分时间常数；微分控制项，微分控制项，d 为微分时间常数为微分时间常数；1.6 1.6 1.6 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 PID PID

5、控制器，控制器，控制器，控制器，3 3个可调整的参数：个可调整的参数：个可调整的参数：个可调整的参数：比例度比例度比例度比例度（P P）、）、）、）、积分时间积分时间积分时间积分时间TiTi（I I）、微分时间）、微分时间）、微分时间）、微分时间TdTd（D D）PIDPID控制的传递函数：控制的传递函数：教学进程教学进程教学进程教学进程第4页，本讲稿共21页1.6 1.6 1.6 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 PID控制是控制工程

6、中控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为技术成熟、理论完善、应用最为广泛广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型结构一套完整的控制方法和典型结构。在很多情形下，在很多情形下，PID PID 控制并不一定需要全部的三项控控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P P、PIPI、PD PD 或或PID PID 控制控制。显然，比例控制部分是必不可少的。显然，比例控制部分是必不可少的。PID PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大不

7、仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数多数数学模型难以确定的工业过程数学模型难以确定的工业过程也可应用也可应用。PID PID 控制控制参数整定方便，结构灵活参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果控制中取得了满意的应用效果。教学进程教学进程教学进程教学进程第5页，本讲稿共21页1.6.11.6.1 控制器参数对系统静态误差的影响控制器参数对系统静态误差的影响控制器参数对系统静态误差的影响控制器参数对系统静态误差的影响R(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)P35 P35 图图图图1-291-29F(s)Go(s)E(s)Gc(s)教学进程教学

8、进程教学进程教学进程第6页，本讲稿共21页终值定理：P35 P35 式式式式1-581-581.6.11.6.1 控制器参数对系统静态误差的影响控制器参数对系统静态误差的影响控制器参数对系统静态误差的影响控制器参数对系统静态误差的影响结论结论：当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍数当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍数成反比，即与比例度成正比，比例度成反比，即与比例度成正比，比例度越大，余越大，余差越大；差越大；控制器引入积分作用，可消除余差；控制器引入积分作用，可消除余差；微分作用对余差没有影响。微分作用对余差没有影响。教学进程教学进程教学进程教学进程第7页，本讲稿共21页1.6.2

9、1.6.2 对系统动态误差的影响对系统动态误差的影响对系统动态误差的影响对系统动态误差的影响（1 1）比例放大倍数）比例放大倍数）比例放大倍数）比例放大倍数KK的影响：的影响：的影响：的影响：Kc Kc 0 0，相当于开路，相当于开路，相当于开路，相当于开路 Kc Kc 控制精度提高（余差减小），系统稳定性变差控制精度提高（余差减小），系统稳定性变差控制精度提高（余差减小），系统稳定性变差控制精度提高（余差减小），系统稳定性变差 矛盾矛盾矛盾矛盾只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。只有原系统稳定裕量

10、充分大时才采用纯比例控制。0ty(t)KcKc增大增大增大增大P36 P36 图图图图1-311-31比例控制器：比例控制器：比例控制器：比例控制器：教学进程教学进程教学进程教学进程第8页，本讲稿共21页（2 2）TiTi的影响：的影响：的影响：的影响：比例作用基础上叠加对偏差的积分输出比例作用基础上叠加对偏差的积分输出比例作用基础上叠加对偏差的积分输出比例作用基础上叠加对偏差的积分输出 消除余差消除余差消除余差消除余差 TiTi小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振小，积分作用强，消除余差的能

11、力强，但是，系统振荡加剧，衰减比变小；荡加剧，衰减比变小；荡加剧，衰减比变小；荡加剧，衰减比变小；TiTi大，积分作用弱，消除余差的能力弱。大，积分作用弱，消除余差的能力弱。大，积分作用弱，消除余差的能力弱。大，积分作用弱，消除余差的能力弱。1.6.21.6.2 对系统动态误差的影响对系统动态误差的影响对系统动态误差的影响对系统动态误差的影响 PIPI控制器：控制器：控制器：控制器：0ty(t)TiTi减小减小减小减小P25 P25 图图图图1-281-28教学进程教学进程教学进程教学进程第9页，本讲稿共21页（3 3）微分时间）微分时间）微分时间）微分时间TdTd ：也是和比例作用配合，也是

12、和比例作用配合，也是和比例作用配合，也是和比例作用配合，P P、PIPI、PDPD、PIDPID 微分输出与偏差变化速度成正比，微分输出与偏差变化速度成正比，微分输出与偏差变化速度成正比，微分输出与偏差变化速度成正比，“超前超前超前超前”调节作用调节作用调节作用调节作用 TdTd大，微分作用大，控制系统灵敏，大，微分作用大，控制系统灵敏，大，微分作用大，控制系统灵敏，大，微分作用大，控制系统灵敏，但稳定性变差但稳定性变差但稳定性变差但稳定性变差P P、I I、D D三参数相互配合三参数相互配合控制器参数整定控制器参数整定 PDPD控制器：控制器：控制器：控制器：1.6.21.6.2 对系统动态

13、误差的影响对系统动态误差的影响对系统动态误差的影响对系统动态误差的影响教学进程教学进程教学进程教学进程第10页，本讲稿共21页1.6.31.6.3 控制规律的选择控制规律的选择控制规律的选择控制规律的选择 （1 1）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器；）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器；）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器；）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器；（2 2）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用比例比例比例比例-微分控制器；微分

14、控制器；微分控制器；微分控制器；（3 3）对于精度要求高的，要加入积分规律，）对于精度要求高的，要加入积分规律，）对于精度要求高的，要加入积分规律，）对于精度要求高的，要加入积分规律，PIPI；（4 4）较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差小、）较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差小、）较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差小、）较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差小、被控对象的时间滞后较大的，被控对象的时间滞后较大的，被控对象的时间滞后较大的，被控对象的时间滞后较大的，PIDPID控制规律选择原则：控制规律选择原则：控制规律选择原则：控制规律选择原则：工业常见控制器有：工业常见控制器有

15、：工业常见控制器有：工业常见控制器有：P P、PIPI、PDPD、PIDPID教学进程教学进程教学进程教学进程第11页，本讲稿共21页单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统1.1 1.1 单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成1.2 1.2 被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择1.3 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 1.4 控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选

16、择控制阀的选择1.5 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 1.7 系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法1.8 1.8 单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运

17、和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第第1章章教学进程教学进程教学进程教学进程第12页，本讲稿共21页1.71.7系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法1.7.11.7.1系统的关联及其影响系统的关联及其影响系统的关联及其影响系统的关联及其影响 如同一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量相互影响如同一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量相互影响如同一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量

18、相互影响如同一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量相互影响所谓关联，就是系统之间彼此相互有影响所谓关联，就是系统之间彼此相互有影响所谓关联，就是系统之间彼此相互有影响所谓关联，就是系统之间彼此相互有影响TCLC提馏段温度与塔底液位控制系统提馏段温度与塔底液位控制系统家中煤气供量，高峰期互相影响家中煤气供量，高峰期互相影响家中煤气供量，高峰期互相影响家中煤气供量，高峰期互相影响 教学进程教学进程教学进程教学进程第13页，本讲稿共21页由此可见，这两套控制系统存在着相互关联。由此可见，这两套控制系统存在着相互关联。由此可见，这两套控制系统存在着相互关联。由此可见，这两套控制系统存在着相互关联。系

19、统的关联在很大程度上影响控制系统的性能，要非系统的关联在很大程度上影响控制系统的性能，要非系统的关联在很大程度上影响控制系统的性能，要非系统的关联在很大程度上影响控制系统的性能，要非常注意常注意常注意常注意1.7.11.7.1系统的关联及其影响系统的关联及其影响系统的关联及其影响系统的关联及其影响关联关联关联关联蒸汽阀开大，蒸汽量增加，温度上升，蒸汽阀开大，蒸汽量增加，温度上升，蒸汽阀开大，蒸汽量增加，温度上升，蒸汽阀开大，蒸汽量增加，温度上升，但同时由于蒸发量增大，塔釜液位会下降；但同时由于蒸发量增大，塔釜液位会下降；但同时由于蒸发量增大，塔釜液位会下降；但同时由于蒸发量增大，塔釜液位会下降

20、；同样，液位阀开大，采出量增加，液位下降，同时由于同样，液位阀开大，采出量增加，液位下降，同时由于同样，液位阀开大，采出量增加，液位下降，同时由于同样，液位阀开大，采出量增加，液位下降，同时由于被加热的液体减少，温度会增加。被加热的液体减少，温度会增加。被加热的液体减少，温度会增加。被加热的液体减少，温度会增加。教学进程教学进程教学进程教学进程第14页，本讲稿共21页1.7.21.7.2 分析系统关联的方法分析系统关联的方法分析系统关联的方法分析系统关联的方法相对增益方法相对增益方法相对增益方法相对增益方法Gc1(s)Gcn(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)u1(s)un(s)

21、ji教学进程教学进程教学进程教学进程第15页，本讲稿共21页相对增益的计算：相对增益的计算：j i j i 通道通道通道通道第一次计算只有第第一次计算只有第第一次计算只有第第一次计算只有第j j个操纵变量变化，其它各操纵变量均维持不变的增益：个操纵变量变化，其它各操纵变量均维持不变的增益：个操纵变量变化，其它各操纵变量均维持不变的增益：个操纵变量变化，其它各操纵变量均维持不变的增益：第二次计算其它各操纵变量都变化（处于闭环控制）的增益：第二次计算其它各操纵变量都变化（处于闭环控制）的增益：第二次计算其它各操纵变量都变化（处于闭环控制）的增益：第二次计算其它各操纵变量都变化（处于闭环控制）的增益

22、：于是，于是，于是，于是，j i j i 通道的相对增益为：通道的相对增益为：通道的相对增益为：通道的相对增益为：相对增益定义：相对增益定义：相对增益定义：相对增益定义：相互关联程度1.7.21.7.2 分析系统关联的方法分析系统关联的方法分析系统关联的方法分析系统关联的方法教学进程教学进程教学进程教学进程第16页，本讲稿共21页（5 5）ij1，其它回路闭合对本通道有影响，即，其它回路闭合对本通道有影响，即，其它回路闭合对本通道有影响，即，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变小，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变小

23、，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变小，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变小，负关联负关联负关联负关联。（。（。（。（ijij越大关联越大）越大关联越大）越大关联越大）越大关联越大）（3 3）ij1，其它回路闭合对本通道有影响，即，其它回路闭合对本通道有影响，即，其它回路闭合对本通道有影响，即，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变大，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变大，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变大，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种

24、关联使得本回路增益变大，正关联正关联正关联正关联。（。（。（。（ijij越小关联越大）越小关联越大）越小关联越大）越小关联越大）（4 4）ij=0，其它回路开环时，其它回路开环时，其它回路开环时，其它回路开环时，uiui对对对对yiyi没有影响，没有影响，没有影响，没有影响，j i j i 通道的控制回路通道的控制回路通道的控制回路通道的控制回路不能构成不能构成不能构成不能构成1.7.21.7.2 分析系统关联的方法分析系统关联的方法分析系统关联的方法分析系统关联的方法教学进程教学进程教学进程教学进程第17页，本讲稿共21页相对增益矩阵相对增益矩阵相对增益矩阵相对增益矩阵A A 布里斯托尔阵列

25、布里斯托尔阵列布里斯托尔阵列布里斯托尔阵列1.7.21.7.2 分析系统关联的方法分析系统关联的方法分析系统关联的方法分析系统关联的方法（6 6）ij =，只有在其它回路开环时，才能用，只有在其它回路开环时，才能用，只有在其它回路开环时，才能用，只有在其它回路开环时，才能用uiui控制控制控制控制yiyi，即此通道，即此通道，即此通道，即此通道的控制回路才能成立。的控制回路才能成立。的控制回路才能成立。的控制回路才能成立。可见，可根据可见，可根据可见，可根据可见，可根据ijij对对对对1 1的偏离程度大小判断关联程度的偏离程度大小判断关联程度的偏离程度大小判断关联程度的偏离程度大小判断关联程度

26、ij偏离偏离偏离偏离1 1越大，系统间相互关联越厉害越大，系统间相互关联越厉害越大，系统间相互关联越厉害越大，系统间相互关联越厉害 每行（列）相对增益之和为每行（列）相对增益之和为每行（列）相对增益之和为每行（列）相对增益之和为1 1。已知各通道的开环增益已知各通道的开环增益已知各通道的开环增益已知各通道的开环增益KK教学进程教学进程教学进程教学进程第18页，本讲稿共21页1.7.31.7.3 削弱或消除系统间关联的方法削弱或消除系统间关联的方法削弱或消除系统间关联的方法削弱或消除系统间关联的方法关键：关键：关键：关键：深入仔细分析关联的产生深入仔细分析关联的产生深入仔细分析关联的产生深入仔细

27、分析关联的产生方法：方法：方法：方法：通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析 （1 1）按照变量配对，若）按照变量配对，若）按照变量配对，若）按照变量配对，若 均在均在均在均在1 1的附近，说明关联不大，此时，可的附近，说明关联不大，此时，可的附近，说明关联不大，此时，可的附近，说明关联不大，此时，可

28、采用控制系统参数整定的方法，即拉开工作频率范围，可以削弱关采用控制系统参数整定的方法，即拉开工作频率范围，可以削弱关采用控制系统参数整定的方法，即拉开工作频率范围，可以削弱关采用控制系统参数整定的方法，即拉开工作频率范围，可以削弱关联的影响；联的影响；联的影响；联的影响；（2 2）若相对增益都离）若相对增益都离）若相对增益都离）若相对增益都离1 1较远，说明彼此关联较厉害，必须从控制较远，说明彼此关联较厉害，必须从控制较远，说明彼此关联较厉害，必须从控制较远，说明彼此关联较厉害，必须从控制系统设计入手解决，如采用解耦控制方案；系统设计入手解决，如采用解耦控制方案；系统设计入手解决，如采用解耦控

29、制方案；系统设计入手解决，如采用解耦控制方案；（3 3）相对增益有些离）相对增益有些离）相对增益有些离）相对增益有些离1 1远，有些在远，有些在远，有些在远，有些在1 1附近，可采用重新变量配对，附近，可采用重新变量配对，附近，可采用重新变量配对，附近，可采用重新变量配对，再进行处理再进行处理再进行处理再进行处理 。教学进程教学进程教学进程教学进程第19页，本讲稿共21页例子：例子：例子：例子：离心泵输出管线上的流量和压力控制控制系统离心泵输出管线上的流量和压力控制控制系统离心泵输出管线上的流量和压力控制控制系统离心泵输出管线上的流量和压力控制控制系统 PC FC 流流流流量量量量和和和和压压

30、压压力力力力控控控控制制制制系系系系统统统统存存存存在在在在关关关关联联联联，可可可可采采采采用用用用控控控控制制制制器器器器参参参参数数数数整整整整定定定定的的的的方方方方法法法法，拉开各自的工作频率。拉开各自的工作频率。拉开各自的工作频率。拉开各自的工作频率。若若若若流流流流量量量量控控控控制制制制重重重重要要要要，可可可可使使使使流流流流量量量量控控控控制制制制器器器器敏敏敏敏感感感感些些些些（减减减减小小小小比比比比例例例例度度度度，减减减减小小小小微微微微分分分分时时时时间间间间），这这这这样样样样，系系系系统统统统出出出出现现现现扰扰扰扰动动动动，流流流流量量量量系系系系统统统统快快快快速速速速调调调调整整整整，然然然然后后后后，压压压压力力力力系系系系统统统统再再再再缓缓缓缓慢慢慢慢控控控控制制制制。反反反反之之之之亦然。亦然。亦然。亦然。1.7.31.7.3 削弱或消除系统间关联的方法削弱或消除系统间关联的方法削弱或消除系统间关联的方法削弱或消除系统间关联的方法教学进程教学进程教学进程教学进程第20页，本讲稿共21页作业作业 4课本课本P54 1.3P54 1.3 教学进程教学进程教学进程教学进程 第21页，本讲稿共21页