第五章简单控制系统的设计及参数整定方法优秀PPT.ppt

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1、第五章简单控制系统的设计及参数整定方法1第一页，本课件共有99页第二页，本课件共有99页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)Y(S)第三页，本课件共有99页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

2、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。第四页，本课件共有99页第五页，本课件共有99页第一节第一节 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：控制系控制系统必必须是是稳定的，且有一定定的，且有一定 的的稳定裕量。定裕量。准：准：系系统被控参数的被控参数的实际运行状况与希运行状况与希 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

3、要高。快：快：系系统从一种工作状从一种工作状态向另一种工作向另一种工作 状状态过渡渡时间要短，即衰减振要短，即衰减振荡短。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。第六页，本课件共有99页过控系控系统组成成:被控被控过程；控制程；控制仪表；表；检测仪表等。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；方法；选择检测仪表；表；选择控制控制仪表表;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第七页，本课件共有99页控制系统设计的步骤控制系统设计的步骤:1.熟悉系熟悉系统

4、的技的技术要求或性能指要求或性能指标2.建立系建立系统的数学模型的数学模型 过程的数模是理程的数模是理论分析和深入分析和深入设计的基的基础和依据。和依据。3.控制方案的确定控制方案的确定 含系含系统组成和控制方式成和控制方式,确定方案的依据是被控确定方案的依据是被控过程的特性程的特性,技技术指指标,控制任控制任务的要求的要求,方案要方案要简单经济可行可行,要有比要有比较。4.根据系根据系统的静的静动态特性特性进行理行理论分析和分析和综合合 由技由技术指指标,系系统的静的静动态特性特性,确定确定调节规律和参数整定。律和参数整定。分析方法分析方法:频率法率法,根根轨迹法迹法,优化化设计等。等。分析

5、工具分析工具:计算机仿真等。算机仿真等。5.设备选型型6.实验验证第八页，本课件共有99页t 内容包括内容包括t方案方案设计：即系即系统组成和控制方式，是成和控制方式，是设计的核心，方案不的核心，方案不合理，合理，选何种何种仪表都无作用表都无作用。t工程工程设计：指：指仪表表选型，控制室和型，控制室和仪表表盘设计，供，供电供气系供气系统的的设计，信号信号连锁和系和系统保保护。t工程安装与工程安装与仪表表调校。校。t调节器参数整定器参数整定：设置置调节器参数，使系器参数，使系统运行在最佳状运行在最佳状态。t 核心内容核心内容t控制方案控制方案设计；t调节器参数整定。器参数整定。三三.过程控制系统

6、设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容第九页，本课件共有99页1 认真熟悉真熟悉过程特性程特性 要了解要了解过程特性程特性,熟悉工熟悉工艺流程特点要求流程特点要求,这是方案是方案的重要依据。的重要依据。2 要明确要明确过程中各个生程中各个生产环节的关系的关系3.测量信号的量信号的预先先处理理 一般一般测量信号作反量信号作反馈用用较重要重要,但是但是现场信号信号,故噪故噪声大声大,要要进行行滤波或波或线性化或温度性化或温度补偿等等预处理。理。4.系系统的安全保的安全保护 安全可靠安全可靠,尤其是在高温高尤其是在高温高压,易燃易爆易燃易爆,强腐腐蚀等等环境下境下,要要选符合要求的符合要求的仪表和

7、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第十页，本课件共有99页第二节第二节 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)干干扰与系与系统输出的出的传递关系关系第十一页，本课件共有99页系系统输出与干出与干扰的的传递函数函数:C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)设干干扰通道通道Gf(S)为一

8、一单容容过程程,即即 Gf(S)=Kf/(Tf S+1)则有有 C(S)/F(S)=1/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)Kf/(Tf S+1)或有延或有延时f 时 C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)exp(-f S)第十二页，本课件共有99页1.静静态增益增益Kf :Kf越大越大,扰动引起引起输出越大出越大,设计时应减小减小Kf,如如办不到不到,应增增强控制作用控制作用,或采用或采用扰动补偿。2.时间常数常数Tf :Gf(S)是一个是一个惯性性环节,对扰动F(S)有一定的有一定的滤波作用波作用,Tf 越越大大,效果越明效果越明显,故故Tf 越大

9、越大,扰动对被控参数的被控参数的动态影响越小。影响越小。3.延延时f :相当于相当于扰动推推迟一段一段时间进入系入系统,对控制控制质量无影响量无影响4.F(S)进入系入系统的位置的影响的位置的影响如如F(S)在在GP(S)之前之前进入系入系统: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又多了一个又多了一个滤波器波器第十三页，本课件共有99页调节器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

10、(S)F3(S)第十四页，本课件共有99页控制通道控制通道:其作用其作用总是力是力图使被控参数与使被控参数与给定定值相一致相一致扰动通道通道:其作用其作用总是力是力图使被控参数与使被控参数与给定定值相偏离相偏离二二.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第十五页，本课件共有99页1.静静态增益增益KO:调节器的器的KC一定一定时:KO越大控制作用越越大控制作用越强,抗抗扰能力越能力越强,稳态误差越小差越小,被控参数被控参数对控制作用反控制作用反应越灵敏。越灵敏。KO越大意味着系越大意味着系统的静的静态增益越大增益越大,对系系统的的闭环稳定性不利。定性不利。设计时应综合考合考虑

11、稳定性快速性和定性快速性和稳态误差三方面差三方面:改改变KC使开使开环增益增益KOKC合适合适,当当KO越大越大,KC越小越小,降低降低调节器要求器要求2.时间常数常数TO:TO较大大,调节器器对被控参数的被控参数的调节作用就不及作用就不及时,过渡渡过程加程加长 TO过小小,控制作用控制作用过于灵敏于灵敏,引起振引起振荡,设计时应TO较小小,或增加微分或增加微分第十六页，本课件共有99页3.纯时延延:信号信号传输,测量量变送等送等产生生,对系系统影响不利影响不利,既不能及既不能及时发现被控参数被控参数的的变化化,又不能使控制作用及又不能使控制作用及时产生效生效应,使使动态偏差增大偏差增大,超超

12、调增加增加,相角相角滞后滞后稳定性降低定性降低,应尽量减小尽量减小 过控中用控中用O/TO反映控制的反映控制的难易程度易程度,O/TO0.3易控易控,O/TO0.5难控控第十七页，本课件共有99页4.时间常数匹配常数匹配:设广广义被控被控过程程传递函数函数为:(由被控由被控过程程,测量元件量元件,调节阀等一等一阶惯性性环节串接）串接）GO(S)=K(T1S+1)(T2S+1)(T3S+1)则临界界稳定增益定增益为: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的相的相对比比值,计算可知算可知:时间常数常数错开越多，

13、开开越多，开环增益就允增益就允许提高的越多，提高的越多，对系系统的控制的控制质量量越有利，越有利，实际上，最大上，最大时间常数常数对应过程核心程核心设备，不易改，不易改变，可，可选择小小时间常数的常数的测量量仪表和具有小表和具有小时间常数的常数的调节阀。第十八页，本课件共有99页控制方案控制方案选被控参数被控参数(控制哪一个参数控制哪一个参数)选控制参数控制参数(操操纵变量量)测量和量和变送送选调节阀和和执行器行器确定确定调节规律律 确定控制方案确定控制方案:借助于借助于实际工程工程经验以及理以及理论分析和分析和计算。算。三三.控制方案的确定控制方案的确定第十九页，本课件共有99页(1)应选取

14、取对产品的品的质量和量和产量量,安全生安全生产,经济运行有决运行有决 定性作定性作用的用的,可直接可直接测量的工量的工艺参数作参数作为被控参数。被控参数。(2)对难以直接以直接测量的被控参数量的被控参数,应选取一个与直接参数有取一个与直接参数有单值函函数关系的数关系的间接参数作接参数作为被控参数被控参数(精精馏塔塔)。(3)用用间接参数作接参数作为被控参数被控参数时,该参数参数应对产品品质量有足量有足够的的控制灵敏度控制灵敏度(4)考考虑工工艺过程的合理性和程的合理性和选用用仪器器仪表的性能价格比表的性能价格比一般情况下一般情况下,对于一个已于一个已经运行的生运行的生产过程程,被控参数是确定的

15、被控参数是确定的,实际上已无多大上已无多大选择余地余地1、系统被控参数的选取、系统被控参数的选取第二十页，本课件共有99页第二十一页，本课件共有99页根据根据过程特性程特性对系系统控制控制质量影响的分析量影响的分析,选择操操纵变量量(1)选择结果果应使静使静态增益增益KO应尽可能大一些尽可能大一些,时间常数常数TO适适当小一些当小一些,由生由生产过程程,系系统技技术指指标,调节器参数整定范器参数整定范围,用用自控理自控理论分析分析计算来确定。算来确定。(2)纯时延延时间O应尽量小尽量小,O/TO要小于要小于0.3，此比，此比值过大大时,不不能用能用简单控制系控制系统。(3)扰动通道的静通道的静

16、态增益增益Kf要尽可能小要尽可能小,时间常数常数Tf要尽可能大要尽可能大,扰动进入系入系统的位置的位置应尽可能尽可能远离被控参数离被控参数,靠近靠近执行器行器,可抑制可抑制扰动对被控参被控参数的数的动态影响。影响。(4)错开广开广义被控被控过程的程的时间常数常数(5)考考虑工工艺操作的合理可行性和操作的合理可行性和经济性性2、控制参数、控制参数(操纵变量操纵变量)的选择的选择第二十二页，本课件共有99页测量量变送的送的传递函数函数:Y(S)/X(S)=Km/(TmS+1)exp(-mS)亦即亦即纯延延时惯性性环节，入出之，入出之间存在存在动态偏差偏差，与，与仪表表的精度等的精度等级无关。无关。

17、x yxy阶跃响应tmm+Tm0mm+Tm0 x yxyt速度信号响应仪表的静表的静态误差差:是指是指稳态时测量量值与真与真实值之之间的偏差的偏差为了减小了减小动态误差差,提高提高测量精度量精度,应设法减小法减小m和和 Tm,在其他一定的情况下在其他一定的情况下,只能只能选快速快速测量量仪表表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第二十三页，本课件共有99页有以下几个问题要注意有以下几个问题要注意:(1)正确安装正确安装测量量仪表表(2)对测量信号量信号进行行滤波和波和线性化性化(3)对纯时延要尽可能延要尽可能进行行补偿Gm(S)exp(-mS)+G(S)+x(S)y(S)加加

18、补偿环节后后 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)即可即可第二十四页，本课件共有99页(4)尽可能消除尽可能消除Tm影响影响 选用快速用快速仪表表,但受一定的局限但受一定的局限,一般在一般在测量量变送送环节输出端出端串接微分串接微分环节。Km/(TmS+1)TDS+1x(S)Y(S)y(S)/x(S)=Km(TDS+1)/(TmS+1)若若TD=Tm则可消除可消除Tm的影响的影响 实际工程中工程中,将此微分将此微分环节串于串于调节器之后器之后,除可消除除可消除Tm的的影响外影响外,还可起到加快系可起到

19、加快系统对给定定值变动时的的动态响响应的作用的作用(5)气气动信号信号时延延问题气气动传输管道特性管道特性:G(S)=1/(TS+1)exp(-S)尽量尽量缩短气路短气路,增增设继动器器,补偿第二十五页，本课件共有99页气气动执行器多用，其次是行器多用，其次是电动执行器，行器，应根据根据实际情况情况选择。气气动执行器有气开和气关两种形式，行器有气开和气关两种形式，应在在调节器器输出出为零或气源中断零或气源中断时生生产过程程处于安全状于安全状态调节阀的开度和口径的开度和口径选择:口径口径过小小,系系统受大受大扰动时,即使全开即使全开,也会也会暂时失控；失控；口径口径过大大,阀门常常处小开度小开度

20、,冲冲击使使阀门受受损失灵失灵,正常工正常工况下况下,阀开度开度应在在15%-85%之之间。调节阀的流量特性的流量特性:考考虑通通过阀的非的非线性流量特性性流量特性补偿被控被控过程的非程的非线性特性性特性电动执行器一般是行器一般是电开形式开形式4、调节阀、调节阀(执行器执行器)的选择的选择 第二十六页，本课件共有99页关于正反作用关于正反作用被控被控过程的正反作用程的正反作用正作用：正作用：输入量入量时,输出量出量,KP为正正反作用：反作用：输入量入量时,输出量出量,KP为负如水池在出口流量一定如水池在出口流量一定时,进口流量口流量液位液位,为正作用正作用如水池在入口流量一定如水池在入口流量一

21、定时,出口流量出口流量液位液位,为反作用反作用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器的正反作用正作用正作用:反反馈至至输入端的入端的测量量值 调节器的器的输出出,KC为负反作用反作用:反反馈至至输入端的入端的测量量值 调节器的器的输出出,KC为正正调节阀气开气开:KV为正正气关气关:KV为负测量量变送送环节Km为正正第二十七页，本课件共有99页调节器正反作用确定：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程特性确定正反类型型 确定确定测量量变送送环节极性极性确定确定调节器正反作用器正反作用系系统正常工作正常工作:保保证负反反馈第二十八页，本课件共

22、有99页例例1:1:水槽液位控制系水槽液位控制系统“-”“+”“+”“+”第二十九页，本课件共有99页例例2:2:加加热炉温度控制系炉温度控制系统“-”“+”“+”“+”第三十页，本课件共有99页第三节第三节 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，改变操纵变量使控制执行器，改变操纵变量使被控变量符合生产要求。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节传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后得到偏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

23、定的控制规律进行运算，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行器上。最终输出控制信号作用于执行器上。第三十一页，本课件共有99页 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，都有其基本的调节规化发生连续变化。不管是何种控制器，都有其基本的调节规律。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间的关是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。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设定值之差定值之

24、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)变变化的规律。化的规律。第三十二页，本课件共有99页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常操操作作时应为时应为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 第三十三页，本课件共有99页一一.比例调节比例调节(Proportional Control(Prop

25、ortional Control)调节器的器的输出出: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。比例比例带:=1/KC 第三十四页，本课件共有99页1.有差有差调节,存在静存在静态误差差,e为零零,则u=0,失去失去调节作用作用,只能被控只能被控参数有差跟踪参

26、数有差跟踪给定定值，动作速度快。作速度快。2.静差随静差随而而,但但稳定性定性,动态变坏坏3.不适合于不适合于给定定值随随时间变化的情况，会使跟踪化的情况，会使跟踪误差随差随时间增大增大而增大。而增大。4.关于关于KC KC增加增加,可减小静差可减小静差,降低系降低系统惯性性,加快响加快响应速度速度,但系但系统的的稳定性下降。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T比比TO减小很多减小很多KCKO/(TOS+1)R(S)e(S)u(S)C(S)-第三十五页，本课件共有99页5.关于比例关于比例带比例比例调节不是

27、不是输出与出与输入成比例，而是两者的入成比例，而是两者的变化量成比例。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之比的：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为控制器输出信号的变为控制器输出信号的变化量，即控制命令；化量，即控制命令；(umax-umin)为控制器输出信号变化范围。为控制器输出信号变化范围。第三十六页，本课件共有99页

28、X50%50%100%100%Y=2=1=0.5 横横轴投影投影长度即度即为,在此范在此范围内是有比例作用的内是有比例作用的,若偏差太大超出此范若偏差太大超出此范围,就就不再有比例作用不再有比例作用,输出出变量像开关量像开关,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。第三十七页，本课件共有99

29、页例题：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，）时，控制器的输出从最小变为最大，在此区间内，控制器的输出从最小变为最大，在此区间内，e和和u是成比例的。是成比例的。第三十八页，本课件共有99页比例带对系统稳定性的影响比

30、例带对系统稳定性的影响 小于小于临界界值等于等于临界界值偏小偏小适当适当偏偏大大太大太大第三十九页，本课件共有99页进水出水设定值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比例比例带 =1/KC用水多用水多时实际水位必然要低于水位必然要低于设定定值，阀门才能开大才能开大用水少用水少时实际水位必然要高于水位必然要高于设定定值，阀门才能关小才能关小静差ProportionalControlProportionalControl举例例说明明第四十页，本课件共有99页调节器的器的输出出 在人工在人工调节时有一个理所当然的原有一个理所当然的原则,就是偏

31、差不除决不就是偏差不除决不罢休休,只只要偏差存在就持要偏差存在就持续不断地不断地调下去下去,直到把偏差完全消除直到把偏差完全消除为止止;非但如此非但如此,偏差存在的偏差存在的时间长,说明明扰动大大,已已经施加在施加在对象上的象上的调节动作作还不足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,即操作量即操作量应和偏差和偏差对时间的的积分成正分成正比。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,调节器的器的输出就不断增加出就不断增加,e=0,不再增加但不再增加但维持持其其输出。出。1.无差无差调节,调节过

32、程程结束束,静差就不存在静差就不存在2.积分常数分常数SC大大,则效果效果但但稳定性降低定性降低3.I比比P稳定性差定性差,因因阶数增加数增加,出比入滞后出比入滞后900第四十一页，本课件共有99页PI的的输出：出：u=KCe+(KC/TI)e dt =1/e+(1/TI)e dt 0t0t传递函数函数:GC(S)=U(S)/E(S)=1/1+1/(TIS)=1/(TIS+1)/(TIS)ettuTIKCe2KCe阶跃响响应如左如左图,在起始在起始阶段段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的消除静差的消除静差相相结合。合。积分作用的滞后特性分作用的滞后特

33、性:动态比比P差差积分分饱和和:由于某些原因由于某些原因,e一直存在一直存在,使使积分器深度分器深度饱和和,失去失去调节作用作用,这是不允是不允许的的,要防止。要防止。PI调节调节单独独I调节无无实用意用意义,而是用而是用PI调节，将，将P的快速与的快速与I的无差的无差结合。合。第四十二页，本课件共有99页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，系统的稳

34、定性下则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；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，扰动作用下的最大偏差下降，振荡小，扰动作用下的最大偏差下降，振荡频率增加。频率增加。T TI I的影响的影响第四十三页，本课件共有99页结论：结论：在比例控制系统中引入积分作用的优点是能够消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；若要保持系统原除余差，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，这会使有的衰减比，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。

35、因此，如果余差不是主要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。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，因此适用范围比较两个参数可供选择，因此适用范围比较宽广，多数控制系统都可以采用。宽广，多数控制系统都可以采用。第四十四页，本课件共有99页 无无论是是P还是是I都是系都是系统有偏差有偏差时才去才去处理理,最好是能最好是能预测被被调参数的参数的变化化趋势,从而当机立断事先采取措施从而当机立断事先采取措施,防患于未然防患于未然,这种

36、根据被种根据被调参数参数变化速度采取的化速度采取的动作叫微分作用。作叫微分作用。D调节的的输出：出：u=SD d e/d t 同同样,单纯D调节也无多大也无多大实用价用价值，常和，常和P或或I结合合,组成成PD,PID 调节。三三.微分调节微分调节(Differential Control)(Differential Control)第四十五页，本课件共有99页输出出 u=KC e+KCTD(de/dt)=1/e+TD(de/dt)传递函数函数 GC(S)=U(S)/E(S)=1/(1+TDS)因微分易引入高因微分易引入高频噪声噪声,一般加低通一般加低通滤波波,则 GC(S)=U(S)/E(S

37、)=(1/)(1+TDS)/(TD/KD)S+1 KD为微分增益微分增益,在在5-10之之间,这样分母分母项时间常常数是分子数是分子项的的1/5-1/10，分析，分析时可以忽略分母可以忽略分母项时间常数的影响。常数的影响。1、PD调节调节第四十六页，本课件共有99页0.632YDYP+YDYXttYPTD1.PD是有差是有差调节,稳态下下D已不起作用已不起作用,只剩只剩P了了2.PD可提高系可提高系统稳定性定性,抑制抑制过渡渡过程最大超程最大超调3.PD可减小静差可减小静差,提高响提高响应速度速度,因因D后可后可KC4.PD适合于适合于时间常数大的常数大的过程程,不适合于不适合于Q,P等等变化

38、化剧烈的烈的过程程,会使会使阀频繁开关振繁开关振荡第四十七页，本课件共有99页输出出 u=KCe+S1edt+S2(de/dt)或或 u=1/(e+1/TIedt+TDde/dt)0t0t传递函数函数 GC(S)=1/1+1/(TIS)+TDS =1/(TITDS2+TIS+1)/(TIS)2、PID调节调节第四十八页，本课件共有99页 PID调节是是P,I和和D的的线性性组合合,结合了比例的快速性合了比例的快速性,积分的消除静差和微分的分的消除静差和微分的预测性性,要整定三个参数，比要整定三个参数，比较困困难PIDttttPID阶跃作用时的响应,为正极性信号作用于正作用的调节器第四十九页，本

39、课件共有99页PID参数对系统动静态特性的影响参数对系统动静态特性的影响t比例度比例度过小，即比例放大系数小，即比例放大系数过大大时，比例控制作，比例控制作用很用很强，系，系统有可能有可能产生振生振荡；t积分分时间过小小时，积分控制作用很分控制作用很强，易引起振，易引起振荡；t微分微分时间过大大时，微分控制作用，微分控制作用过强，易，易产生振生振荡。第五十页，本课件共有99页PID参数对系统动静态特性的影响：比例（参数对系统动静态特性的影响：比例（P）控制）控制第五十一页，本课件共有99页PID参数对系统动静态特性的影响：比例积分（参数对系统动静态特性的影响：比例积分（PI）控制）控制第五十二

40、页，本课件共有99页PID参数对系统动静态特性的影响：比例微分（参数对系统动静态特性的影响：比例微分（PD）控制）控制第五十三页，本课件共有99页PID参数对系统动静态特性的影响：比例积分微分（参数对系统动静态特性的影响：比例积分微分（PID）控制）控制第五十四页，本课件共有99页第五十五页，本课件共有99页调节规律律应根据根据调节对象的特性象的特性,负荷荷变化化,扰动以及控制要求等具体情况来具体分析并考以及控制要求等具体情况来具体分析并考虑系系统的的经济性运行方便等因素来确定性运行方便等因素来确定1.当广当广义控制通道控制通道时间常数或容常数或容积迟延延较大大时应引入引入D调节,若若允允许有

41、静差有静差,引入引入PD,不允不允许有静差有静差,选用用PID。2.当广当广义控制通道控制通道时间常数常数较小小,负荷荷变化不大化不大,工工艺允允许有静差有静差时,选P调节,如如储罐罐压力力,液位等工液位等工业过程。程。四四.调节规律的确定调节规律的确定第五十六页，本课件共有99页3.当广当广义控制通道控制通道时间常数常数较小小,负荷荷变化不大化不大,但工但工艺要求无静差要求无静差时,选PI调节,如管道如管道压力和流量控制等。力和流量控制等。4.当广当广义控制通道控制通道时间常数很大常数很大,而且而且纯时延延较大大,负荷荷变化也化也剧烈烈时,简单控制系控制系统不能不能满足要求足要求,要用复要用

42、复杂控制系控制系统或其它控制方案。或其它控制方案。5.若广若广义过程的程的传递函数函数为 GO(S)=KOexp(-0S)/(TOS+1)0/TO 0.2时,选P或或PI0.20/TO 1.0时,选PD或或PID0/TO 1.0时,简单控制不能控制不能满足要求足要求,选串串级或前或前馈-反反馈复合控制复合控制 第五十七页，本课件共有99页五五.位式控制位式控制 双双位位控控制制是是位位式式控控制制的的最最简简单单形形式式。双双位位控控制制的的规规律律是是：当当测测量量值值大大于于给给定定值值时时，控控制制器器的的输输出出最最大大（或或最最小小）；而而当当测测量量值值小小于于给给定定值值时时，则

43、则控控制制器器的的输输出出为为最最小小（或或最最大大）。其偏差其偏差e与输出与输出u间的关系为：间的关系为：当当e0或或e0时，时，e0时，时，双双位位控控制制只只有有两两个个输输出出值值，相相应应的的执执行行器器也也只只有有两两个个极极限限位位置置，“开开”或或“关关”。而而且且从从一一个个位位置置到到另另一一个个位位置置是是极极其其迅速的，这种特性又称继电特性。迅速的，这种特性又称继电特性。1、双位控制、双位控制第五十八页，本课件共有99页是一个典型的双位控制系统。它是利用电极式液位计来控是一个典型的双位控制系统。它是利用电极式液位计来控制电磁阀的开启与关闭，从而使贮槽液位维持在给定值上制

44、电磁阀的开启与关闭，从而使贮槽液位维持在给定值上下很小一个范围内波动。下很小一个范围内波动。第五十九页，本课件共有99页 在在自自动动控控制制系系统统中中，控控制制器器若若要要按按上上述述规规律律动动作作，则则执执行行器器动动作作非非常常频频繁繁，这这样样就就会会使使系系统统中中的的运运动动部部件件（如如上上例例中中的的继继电电器器、电电磁磁阀阀等等）因因动动作作频频繁繁而而损损坏坏，因因而而很很难难保保持持双双位位控控制制系系统统安安全全、可可靠靠地地工工作作。实实际际生生产产中中被被控控变变量量与与给给定定值值之之间间总总是是允允许许有有一一定定偏偏差差，因因此此，实实际际应应用用的的双双

45、位位控控制制器器都都有有一一个个中中间间区区（有有时时就就是是仪仪表表的的不不灵灵敏敏区区）。带带中中间间区区的的双双位位控控制制规规律律是是：当当被被控控变变量量上上升升时时，必必须须在在测测量量值值高高于于给给定定值值某某一一数数值值后后，阀阀门门才才“关关”（或或“开开”）；而而当当被被控控变变量量下下降降时时，必必须须在在测测量量值值低低于于给给定定值值某某一一数数值值后后，阀阀门门才才“开开”（或或“关关”）。在在中中间间区区域域，阀门是不动作的。这样，就可以大大降低执行器开闭阀门的频繁程度。阀门是不动作的。这样，就可以大大降低执行器开闭阀门的频繁程度。2、具有中间区的双位控制具有中

46、间区的双位控制 第六十页，本课件共有99页 图图中中上上面面的的曲曲线线是是控控制制器器输输出出（例例如如通通过过电电磁磁阀阀的的流流体体流流量量Q）与与时时间间t的的关关系系；下下面面的的曲曲线线是是被被控控变变量量（液液位位）在在中中间间区区内内随随时时间间变变化化的的曲曲线线。当当液液位位低低于于下下限限值值时时，电电磁磁阀阀是是开开的的，流流体体流流量量大大于于流流出出的的流流体体流流量量，故故液液位位上上升升。当当上上升升到到上上限限值值时时，阀阀门门关关闭闭，流流体体停停止止流流入入。由由于于此此时时内内流流体体仍仍在在流流出出，故故液液位位下下降降，直直到到液液位位下下降降至至下

47、下限限值值时时，电电磁磁阀阀才才重重新新开开启启，液液位位又又开开始始上上升升。因因此此，带带中中间间区区的的双双位位控控制制过过程程是是被被控控变变量量在在它它的的上上限限值与下限值之间的等幅振荡过程。值与下限值之间的等幅振荡过程。第六十一页，本课件共有99页双位控制器特点：双位控制器特点：结构简单、成本较低、易于实现，因此应用很普遍。结构简单、成本较低、易于实现，因此应用很普遍。常常见见的的双双位位控控制制器器有有：带带电电触触点点的的压压力力表表、带带电电触触点点的的水水银银温温度度计计、双双金金属属片片温温度度计计、动动圈圈式式双双位位批批示示调调节节仪仪等等。在在工工业业生生产产中中

48、，如如对对控控制制质质量量要要求求不不高高，且且允允许许进进行行位位式式控控制制时时，可可采采用用双双位位控控制制器器构构成成双双位位控控制制系系统统。如如空空气气压压缩缩机机贮贮罐罐的的压压力力控控制制，恒恒温温箱箱、电烘箱、管式加热炉的温度控制等就常采用双位控制系统。电烘箱、管式加热炉的温度控制等就常采用双位控制系统。第六十二页，本课件共有99页3、三位控制三位控制 双双位位控控制制的的特特点点是是：控控制制器器只只有有最最大大与与最最小小两两个个输输出出值值；执执行行器器只只有有“开开”与与“关关”两两个个极极限限位位置置。因因此此，对对象象中中物物料料量量或或能能量量总总是是处处于于严

49、严重重的的不不平平衡衡状状态态，被被控控变变量量总总是是剧剧烈烈振振荡荡，得得不不到到比比较较平平稳稳的的控控制制过过程程。为为了了改改善善这这种种特特性性，控控制制器器的的输输出出可可以以增增加加一一个个中中间间值值，即即当当被被控控变变量量在在某某一一个个范范围围内内时时，执执行行器器可可以以处处于于某某一一中中间间位位置置，以以使使系系统统中中物物料料量量或或能能量量的的不不平平衡衡状状态态得得到到缓缓和和，这这就构成了三位式控制规律。就构成了三位式控制规律。第六十三页，本课件共有99页第六十四页，本课件共有99页第四节第四节 调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法 根据被控根

50、据被控过程的特性确定程的特性确定PID调节器的比例度器的比例度,积分分时间TI，微分，微分时间TD大小。大小。整定的整定的实质是通是通过改改变调节器的参数，使其特性和器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以程特性相匹配，以改善系改善系统的的动态和静和静态指指标，取得最佳控制效果。，取得最佳控制效果。t投运步投运步骤：t检测系系统投入运行；投入运行；t调节阀手手动遥控；遥控；t调节器投运。器投运。t待回路工况待回路工况稳定后，可投入自定后，可投入自动：t把把调节器器PIDPID参数参数值设置合适位置，当其偏差接近零置合适位置，当其偏差接近零时，即将即将调节器由手器由手动切切换到自到自动；t若若还不