PID讲座学习教程.pptx

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1、 自动控制理论是自动化学科的重要理论基础，专门研究有关自动控制系统中基本概念、基本原理和基本方法。第第1 1章章 绪绪 论论内 容 提 要第1页/共235页开环控制，闭环控制，控制装置，被控对象，稳态误差，动态特性，稳定性。知 识 要 点第2页/共235页所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的要求规律变化。第3页/共235页v 1.1 开环控制和闭环控制v 1.2 自动控制系统的组成及术语v 1.3 自动控制系统的类型 v 1.4 自动控制系统性能的基本要求 v 1.5 自动控制的主要任务 v 1.6 自动控制系统实例 v小 结

2、 目 录第4页/共235页1.1 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 1.1.1 开环控制 开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的系统。结构如图所示。第5页/共235页自动化的一些相关术语被控制对象：炉子被控制对象：炉子被控制量（输出量）：炉温被控制量（输出量）：炉温控制装置：开关控制装置：开关K K和电热丝，和电热丝，对对 被控制量起控制作用。被控制量起控制作用。开环控制开环控制第6页/共235页信号由给定值至被控量单向传递。这种控制较简单,但有较大的缺陷,即对象或控制装置受到干扰,或工作中特

3、性参数发生变化,会直接影响被控量,而无法自动补偿。因此,系统的控制精度难以保证。从另一种意义理解,意味着对受控对象和其它控制元件的技术要求较高。如数控线切割机进给系统、包装机等多为开环控制。第7页/共235页1.1.2 闭环控制(反馈控制)闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合通道,故称闭环控制系统,或反馈控制系统。第8页/共235页开环向闭环控制的转换例题开环向闭环控制的转换例题电加热炉的闭环控制电加热炉的闭环控制电加热炉的闭环控制电加热炉的闭环控制第9页/共235页这种控制方式,无论是由于干扰造成,还

4、是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制系统比较,闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难。需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用偏差进行控制,如果设计得不好,将会使系统无法正常和稳定地工作。另外,控制系统的精度与系统的稳定性之间也常常存在矛盾。第10页/共235页第11页/共235页第12页/共235页开环控制和闭环控制方式各有优缺点,在实际工程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果事先预知输入量的变化规律,又不存在外部和内部参数的变化,则采用开环控制较好

5、。如果对系统外部干扰无法预测,系统内部参数又经常变化,为保证控制精度,采用闭环控制则更为合适。第13页/共235页控制系统方框图控制系统方框图：第14页/共235页1.2 1.2 自动控制系统的组成及术语 (1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象,它接受控制量并输出被控制量。(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为对被控对象进行操作的控制信号。(3)放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。第15页/共235页(4)反馈环节:它用来测量被控量的实际值,并经过信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系,且与输入信号同一物理量的信号。反

6、馈环节一般也称为测量变送环节。(5)给定环节:产生输入控制信号的装置。第16页/共235页(1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。(2)输出信号(输出量):是指反馈控制系统中被控制的物理量,它与输入信号之间有一定的函数关系。(3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端,这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。控制系统中常用的名词术语：第17页/共235页(4)偏差信号:控制输入信号与主反馈信号之

7、差。(5)误差信号:它指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在,它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下,希望值就是系统的输入信号,误差信号等于偏差信号。(6)扰动信号:除控制信号以外,对系统的输出有影响的信号。第18页/共235页1.3 1.3 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 1.3.1 按信号流向划分 信号流动由输入端到输出端单向流动。第19页/共235页2.闭环控制系统 若控制系统中信号除从输入端到输出端外,还有输出到输入的反馈信号,则构成闭环控制系统,也称反馈控制系统,如图所示。第20页/共235页1.3.2 按系

8、统输入信号划分 1.恒值调节系统(自动调节系统)这种系统的特征是输入量为一恒值,通常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响,使输出量维持在给定值(期望值)。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。2.随动系统(跟踪系统)该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量,要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。第21页/共235页3.程序控制系统 系统的控制输入信号不是常值,而是事先确定的运动规律,编成程序装在输入装置中,即控制输入信号是事先确定的程序信号,控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的

9、程序动作。如数控车床就属此类系统。第22页/共235页1.4 1.4 自动控制系统性能的基本要求自动控制系统性能的基本要求 自动控制系统是否能很好地工作,是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被控对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计得当。在理想情况下,控制系统的输出量和输入量,在任何时候均相等,系统完全无误差,且不受干扰的影响。实际系统中,由于各种各样原因,系统在受到输入信号(也包括扰动信号)的激励时,被控量将偏离输入信号作用前的初始值,经历一段动态过程(过渡过程),则系统控制性能的优劣,可以从动态过程中较充分地表现出来。第23页/共235页1.4.1 稳定性(稳)控制精

10、度是衡量系统技术性能的重要尺度。一个高品质的系统,在整个运行过程中,被控量对给定值的偏差应该是最小的。考虑动态过程在不同阶段中的特点,工程上通常从稳、准、好三个方面来衡量自动控制系统。稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求,是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动,可能导致系统不稳定,因此,我们除要求系统稳定外,还要求其具有一定的稳定裕量。第24页/共235页1.4.2 1.4.2 稳态精度稳态精度(准准)1.4.3 动态过程(好)稳态精度是指系统过渡到新的平衡工作状态以后,或系统对抗干扰重新恢复平衡后,最终保持的精度。稳态精度与控制系统的结构

11、及参数,输入信号形式有关。动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用下随时间变化的全过程,衡量动态过程的品质好坏常采用单位阶跃信号作用下过渡过程中的超调量,过渡过程时间等性能指标。第25页/共235页1.5 控制系统的组成人工控制的贮槽液位控制原理图以液体贮槽的液位控制为例，来说明人工控制系统的基本构成。第26页/共235页 控制系统的组成：眼睛观察玻璃管液位计(测量元件)指示的高度头脑将液位高度与期望高度进行比较，经过思考估算出需要改变的流出量，然后发出控制命令手根据命令改变出口阀门开度，相应地增减流量，使液位保持在合理的范围内。阀门第27页/共235页自动控制的贮槽液位控制原理图以液体贮槽

12、的液位控制为例，来说明工业过程控制系统的基本构成。第28页/共235页常采用的典型输入信号有：1.5.1 阶跃函数 它的数学表达式为：第29页/共235页 它表示一个在时出现的，幅值为的阶跃变化函数，如图所示。在实际系统中，如负荷突然增大或减小，流量阀突然开大或关小均可以近似看成阶跃函数的形式。第30页/共235页 A=1的函数称为单位阶跃函数，记作1(t)。因此，幅值为的阶跃函数也可表示为出现在 时刻的阶跃函数，表示为第31页/共235页1.5.2 斜坡函数（等速度函数）它的数学表达式为 斜坡函数从t=0时刻开始，随时间以恒定速度增加。如图所示。A=1时斜坡函数称作单位斜坡函数。斜坡函数等于

13、阶跃函数对时间的积分，反之，阶跃函数等于斜坡函数对时间的导数。第32页/共235页它的数学表达式为 曲线如图所示。当A=1时，称为单位抛物线函数。抛物线函数是斜坡函数对时间的积分。1.5.3 抛物线函数（等加速度函数）第33页/共235页1.5.4 脉冲函数 它的曲线如图所示，数学表达式为其面积为A。即 面积A表示脉冲函数的强度。的脉冲函数称为单位脉冲函数，记作 ，即 第34页/共235页于是强度为A的脉冲函数可表示为 。表示在时刻 出现的单位脉冲函数，即单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数第35页/共235页1.5.5 正弦函数 它的数学表达式为式中A为振幅，为角频率，正弦函数为周期函数。当正弦

14、信号作用于线性系统时，系统的稳态分量是和输入信号同频率的正弦信号，仅仅是幅值和初相位不同。根据系统对不同频率正弦输入信号的稳态响应，可以得到系统性能的全部信息。第36页/共235页1.6 1.6 自动控制系统实例自动控制系统实例 第37页/共235页工业生产过程装置工业生产过程装置检测变送控制装置监控系统工业生产过程控制系统结构图执行器第38页/共235页第39页/共235页Kc增大，余差减小，震荡加剧，震荡周期缩短；稳定性变差第40页/共235页1.6.1 谷物湿度控制系统 第41页/共235页如图所示，我们知道谷物含水量直接影响面粉产量，谷物在混合成磨料前要先湿润，存在一个谷物出粉最多的湿

15、度，谷物湿度可通过加水来调整。实际中输入谷物的水分，谷物流量和水压均是变化不定的，为努力消除扰动的影响，可在上部加一水箱以保证供水压力不变，可以加一个送料漏斗以维持谷物流量基本不变。剩下就是谷物水分控制，首先测量输入谷物水分含量，构成顺馈控制部分，同时测量输出谷物水分含量，构成反馈部分，调节器将两个传感器来的信号与要求的湿度信号结合起来，给出正确水流量所必须的自动阀门整定值。第42页/共235页PID参数整定规律 总结出几条基本的PID参数整定规律：（1）增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。（2）

16、增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。（3）增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。第43页/共235页5.4 本章小结PID控制是最经典、应用最广的控制方法，是单回路控制系统的主要控制方法，可以说PID控制是其他控制思想的基础。深入理解PID控制规律，熟练掌握PID控制器参数的整定，是每个学习控制的人所必备的基础。第44页/共235页1.6.3 烘烤炉温度控制系统 第45页/共235页如图所示：控制的任务是保持炉温恒定。而炉温既受工件数量以及环境温度的影响，又受煤气流量的控制。故调整煤气流量

17、便可控制炉温。若工件数量增加，烘炉的负荷加大，而煤气流量一时没变，则炉温下降，导致偏差电压U0，故电机将阀门开大，增加煤气供给量，从而使炉温回升，直到重新等于给定值为止。若负荷减小或煤气压力突然加大，则炉温升高，偏差电压U0，故电机自动关小阀门，减小供气量，从而使炉温回降，直到等于给定值为止。第46页/共235页小 结1.自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按照要求的运动规律变化的系统。2.自动控制系统可以是开环控制、闭环控制和复合控制。最基本的控制方式是闭环控制，也称反馈控制，它的基本原理是利用偏差，纠正偏差。3.自动控制系统讨论的主要问题，是系统动态过程的性能，

18、归结为3个字：稳、准、好。4.整个自动控制理论课分为系统分析和系统设计两个方面。第47页/共235页 PID算法设计算法设计第48页/共235页何为PID在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。第49页/共235页PID是比例、积分、微分的缩写，将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。PID算法控制原理第50页/共235页PID调节器的优点P

19、ID调节器主要有以下优点。1.技术成熟 2.易被人们熟悉和掌握 3.不需要建立数学模型 4.控制效果好 第51页/共235页PID调节器的类型1.比例调节器 2.比例积分调节器3.比例微分调节器 4.比例积分微分调节器第52页/共235页1.比例调节器比例调节器的微分方程为：y=KPe(t)（1）式中：y为调节器输出；Kp为比例系数；e(t)为调节器输入偏差。由上式可以看出，调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例调节器的特性曲线，如图1所示。第53页/共235页图1 阶跃响应特性曲线第54页/共235页比例环节的作用是对偏

20、差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数KP，KP越大，控制越强，但过大的KP会导致系统震荡，破坏系统的稳定性。第55页/共235页2.比例积分调节器比例积分调节器 所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。积分方程为：式中：TI是积分时间常数，它表示积分速度的大小，TI越大，积分速度越慢，积分作用越弱。积分作用的响应特性曲线，如图2所示。第56页/共235页图2积分作用响应曲线第57页/共235页l积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。直到偏差

21、e（t）=0，输出的u（t）才可能维持在某一常量，使系统在给定值r（t）不变的条件下趋于稳态。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数T I 越大，积分的积累作用越弱。增大积分常数T I 会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。所以，必须根据实际控制的具体要求来确定TI。第58页/共235页若将比例和积分两种作用结合起来，就构成PI调节器，调节规律为：PI调节器的输出特性曲线如图3所示第59页/共235页图3 PI调节器的输出特性曲线第60页/共235页 积分时间过大，积分作用太弱，消除余差的过程很慢（见曲线 b)；只有当

22、 T i适当时，过渡过程能较快地衰减，而且没有余差（见曲线c）；积分时间太小，控制器的输出变化太快，使过渡过程振荡太剧烈，系统的稳定性大大下降（见曲线 d)。P型控制器第61页/共235页3.比例微分调节器微分调节器的微分方程为：微分作用响应曲线如图4所示。第62页/共235页微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化得越快，微分控制器的输出越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服震荡，使系统趋于稳定。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。适当地选

23、择微分常数TD，可以使微分的作用达到最优。第63页/共235页PD调节器的阶跃响应曲线如图5所示。第64页/共235页4.比例积分微分调节器为了进一步改善调节品质，往往把比例、积分、微分三种作用组合起来，形成PID调节器。理想的PID微分方程为：第65页/共235页其中：u(t)调节器的输出信号；e(t)调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差KP比例系数T I 积分时间T D 微分时间u0 控制常量KP/T I 积分系数KP/T D 微分系数第66页/共235页所以模拟PID控制器的控制规律为：第67页/共235页PID第68页/共235页模拟PID控制原理 模拟PID控制系统原理图如下图

24、所示。该系统由模拟PID 控制器和被控对象组成。图中，r（t）是给定值，y（t）是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e（t），有 e（t）=r（t）y（t）e（t）作为PID 控制器的输入，u（t）作为PID 控制器的输出和被控对象的输入。第69页/共235页PID控制算式的数字化由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟PID 控制规律引入到计算机中来。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样许可的偏差计算控制量，而不能象模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。由于这一特点，公式 中的积分和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以T 作为采样

25、周期，k 作为采样序号，则离散采样时间kT 对应着连续时间 t，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，可作如下近似变换：第70页/共235页第71页/共235页三个参数要综合考虑，一般先将I,D设为0，调好P,达到基本的响应速度和误差，再加上I,使误差为0，这时再加入D,三个参数要反复调试，最终达到较好的结果。不同的控制对象，调试的难度相差很大！第72页/共235页在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系

26、统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。第73页/共235页微分是即误差的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。第74页/共235页然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的

27、0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。第75页/共235页在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

28、如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值（不是积分系数，积分系数应该减小）。第76页/共235页PID参数选定规则整定参数寻最佳,从小到大逐步查;先调比例后积分,微分作用最后加;曲线震荡很频繁,比例刻度要放大;曲线漂浮波动大,比例刻度要拉小;曲线偏离回复慢,积分时间往小降;曲线波动周期长,积分时间要加长;曲线震荡动作繁,微分时间要加长.第77页/共235页 引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD,此时可适当增大比例系数S1和积分系数

29、S0。和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意为止。注意：仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业 PID调节器有所不同,各个参数之间相互隔离,互不影响,因而用其观察调节规律十分方便。PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制,一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。小惯量如：一个小电机带 一水泵进行压力闭环控制,一般只用PI控制。P=1-10,I=0.1-1,D=0,这些要在现场调试时进行修正的。第78页/共235页现以上面公式进行编程。参数内存分配如图所示，流程图如图所示。图D-1 参数内部RAM分配图 图D-2 PID位置式算法流程图第7

30、9页/共235页下面以PID调节器为例,具体说明经验法的整定步骤：让调节器参数积分系数S0=0,实际微分系数k=0,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数S1,让扰动信号作阶跃变化,观察控制过程,直到获得满意的控制过程为止。取比例系数S1为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系数S0,同样让扰动信号作阶跃变化,直至求得满意的控制过程。(3)积分系数S0保持不变,改变比例系数S1,观察控制过程有无改善,如有改善则继续调整,直到满意为止。否则,将原比例系数S1增大一些,再调整积分系数S0,力求改善控制过程。如此反复试凑,直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。第80页/共235页2.1

31、 生产过程自动化的发展概况和趋势2.2 过程控制系统及其组成2.3 过程控制的特点及系统分类2.4 过程控制的任务和要求2.5 过程控制系统的质量指标第二章第二章 过程控制系统过程控制系统返回第81页/共235页 生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率重要手段，在社会生产的各个行业起着极其重要的作用。其发展经历了以下几个方面：1 1、局部自动化阶段（、局部自动化阶段（5050年代）年代）2 2、过程计算机控制系统阶段（、过程计算机控制系统阶段（6060年代）年代）3 3、集中控制、多参数控制阶段（、集中控制、多参数控制阶段（7070年代）年代）

32、4 4、集散控制阶段（、集散控制阶段（8080年代以后）年代以后）2.1 2.1 生产过程自动化的发展概况和趋势生产过程自动化的发展概况和趋势第82页/共235页西门子自动化与驱动集团(A&D)PCS7过程控制系统是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的过程控制系统。PCS7是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术，在西门子公司S5，S7系列可编程控制器及TELEPERM系列集散系统的基础上，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。SIMATIC PCS7SIMATIC PCS7SIMATIC PCS7SIMATIC PCS7 第83页/共235页SIMATICPCS7系统

33、结构图返回第84页/共235页一、过程控制系统一、过程控制系统 2.2 2.2 过程控制系统及其组成过程控制系统及其组成过程控制过程控制 ：凡是采用数字或模拟控制方式对生凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。通称为过程控制。过程控制系统过程控制系统 ：凡是采用凡是采用进行自动控制的系统进行自动控制的系统称为过程控制系统。称为过程控制系统。过程控制系统中主要的被控物理量有：过程控制系统中主要的被控物理量有：温温度度、压力压力、流量流量、液位液位、成分成分、粘度粘度、湿度湿度以以及及PHPHPHPH值值等。等。

34、第85页/共235页1 1、原理图、原理图 例例1 1 1 1：发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统二、过程控制系统的基本组成二、过程控制系统的基本组成 图中：图中：1 1 1 1 热电阻热电阻 2 2 2 2 温度变送器温度变送器 3 3 3 3 温度调节器温度调节器 4 4 4 4 调节阀调节阀 第86页/共235页例例1 1 1 1：发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统2 2 2 2、方框图、方框图 -输入量（与过热蒸汽的设定温度对应）输入量（与过热蒸汽的设定温度对应）-输出量、被控量（过热蒸汽的实际温度）输出量、被控量（过热蒸汽的实际温度

35、）-误差信号（一般为电压量）误差信号（一般为电压量）-控制信号控制信号-操作量、控制参数操作量、控制参数-与输出量成正比的测量信号与输出量成正比的测量信号-扰动信号扰动信号第87页/共235页1 1、原理图、原理图例例2 2 2 2：液位控制系统液位控制系统图中：图中：1 1 1 1 贮罐贮罐 2 2 2 2 差压变送器差压变送器 3 3 3 3 液位调节器液位调节器 4 4 4 4 调节阀调节阀 第88页/共235页例例2 2 2 2：液位控制系统液位控制系统2 2 2 2、方框图、方框图 -输入量（与贮罐设定液位对应的电压量）输入量（与贮罐设定液位对应的电压量）-输出量、被控量（贮罐的实际

36、液位）输出量、被控量（贮罐的实际液位）-误差信号误差信号-控制信号控制信号-操作量、控制参数（进水流量）操作量、控制参数（进水流量）-与输出量液位成正比的电压信号与输出量液位成正比的电压信号-扰动信号扰动信号第89页/共235页 (1)(1)被控对象：被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装生产过程中被控制的工艺设备或装置置(2)(2)检测、变送器：传感器课程中已做介绍。检测、变送器：传感器课程中已做介绍。(3)(3)调节器：调节器：利用一定的控制算法计算出控制量。利用一定的控制算法计算出控制量。(4)(4)放大器：放大器：将控制信号进行放大以驱动调节阀。将控制信号进行放大以驱动调节阀。(5)

37、(5)调节阀：调节阀：控制进料量。控制进料量。系统组成系统组成过程计算机控制系统的组成过程计算机控制系统的组成过程计算机控制系统的组成过程计算机控制系统的组成返回返回第90页/共235页一、过程控制的特点一、过程控制的特点 2.3 2.3 过程控制的特点及系统分过程控制的特点及系统分类类1 1 1 1、被控对象的、被控对象的、被控对象的、被控对象的多样性多样性多样性多样性2 2 2 2、对象特性的、对象特性的、对象特性的、对象特性的难辨性难辨性难辨性难辨性 白色系统、黑色系统、灰色系统白色系统、黑色系统、灰色系统3 3 3 3、普遍存在、普遍存在、普遍存在、普遍存在滞后滞后滞后滞后4 4 4

38、4、特性往往具有、特性往往具有、特性往往具有、特性往往具有非线性、大惯性非线性、大惯性非线性、大惯性非线性、大惯性 如间歇式加温、齿轮运动等如间歇式加温、齿轮运动等 第91页/共235页一、对过程控制的要求一、对过程控制的要求 2.4 2.4 过程控制的任务和要求过程控制的任务和要求安全性安全性安全性安全性 经济性经济性经济性经济性 稳定性稳定性稳定性稳定性 二、过程控制的任务二、过程控制的任务 在了解掌握在了解掌握工艺流程工艺流程和生产过程的和生产过程的静态和动态静态和动态特性特性的基础上，根据对控制系统的的基础上，根据对控制系统的三项要求三项要求，应用，应用控制理论对控制系统进行分析和综合

39、，最后采用适控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。宜的技术手段加以实现。简单地说，即简单地说，即 控制系统的设计及实现控制系统的设计及实现 第92页/共235页2.5 2.5 过程控制系统的质量指标过程控制系统的质量指标 过渡过程质量指标过渡过程质量指标 误差（偏差）性能指标误差（偏差）性能指标一、动态质量指标一、动态质量指标1 1、衰减比、衰减比 指振荡过程的第一个指振荡过程的第一个波峰的振幅与第二个波峰波峰的振幅与第二个波峰的振幅之比。的振幅之比。一般认为：一般认为：n=4n=4n=4n=4（4:14:14:14:1）时时系统过渡过程的稳定性能系统过渡过程的稳定

40、性能较好较好，但温度等慢变化过，但温度等慢变化过程取程取10:110:110:110:1为好。为好。第93页/共235页一、动态质量指标一、动态质量指标2 2、衰减率、衰减率 同衰减比一样，也是同衰减比一样，也是衡量过渡过程稳定性的一衡量过渡过程稳定性的一个动态指标，一般取个动态指标，一般取第94页/共235页一、动态质量指标一、动态质量指标最大偏差最大偏差B B B B：第一个波峰第一个波峰的峰值与期望值之差。的峰值与期望值之差。3 3 3 3、最大偏差（或超调量）、最大偏差（或超调量）、最大偏差（或超调量）、最大偏差（或超调量）对于定值控制系统对于定值控制系统超调量超调量：对于随动控制系统

41、对于随动控制系统第95页/共235页一、动态质量指标一、动态质量指标 系统过渡过程曲线进系统过渡过程曲线进入稳态区域（入稳态区域（或或 ）不再出来所需的时间，）不再出来所需的时间，用用 表示。表示。4 4 4 4、过渡过程时间、过渡过程时间、过渡过程时间、过渡过程时间5 5 5 5、峰值时间、峰值时间、峰值时间、峰值时间1 1 1 1、余差（静态偏差）、余差（静态偏差）、余差（静态偏差）、余差（静态偏差）二、静态质量指标二、静态质量指标 被控参数稳态值与期被控参数稳态值与期望值之差，用望值之差，用C C C C表示表示返回返回第96页/共235页 三三 单回路控制系统实验单回路控制系统实验1

42、1单回路控制系统的概述下图为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。2 2干扰对系统性能的影响 u干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。第97页/共235页如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。即时间常数Tf越大，

43、则系统的动态偏差就愈小。通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个值，但不会影响系统的调节质量。u干扰进入系统中的不同位置。复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如下图所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。3 3、控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。u比例(P)调节 纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差

44、存在。其传递函数为：第98页/共235页(3-1)式中Kp为比例系数，为比例带。u比例积分(PI)调节 PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：(3-2)式中I为微分时间。u比例微分(PD)调节 这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD调节器的传递函数为：(3-3)式中D为微分时间。第99页/共235页u比例积分微分(PID)调节

45、器 PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为：(3-4)下图表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。第100页/共235页4 4、调节器参数的整定方法 调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：u经验法 若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系

46、统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表3-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(1/31/4)TI计算。表3-1 经验法整定参数 系统参数(%)TI(min)TD(min)温度20603100.53流量401000.11压力30700.44液位2080第101页/共235页u临界比例度法 这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如下图所示。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表3-2所列的经验算式

47、，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。调节器参数(%)TI(min)TD(min)P2kPI 2.2kTs/1.2PID1.6k0.5Ts0.125Ts表3-2 临界比例度法整定调节器参数 第102页/共235页临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。u衰减曲线法（阻尼振荡法）在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰

48、动观察输出响应的衰减过程，直至出现上图所示的4:1衰减过程为止。这时的比例度称为4:1衰减比例度，用S表示之。相邻两波峰间的距离称为4:1衰减周期TS。根据S和TS，运用表3-3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。第103页/共235页调节器参数(%)TI(min)TD(min)PsPI 1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts表3-3 衰减曲线法计算公式 u动态特性参数法 所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、等），利用表3-4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率

49、为4:1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4:1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。第104页/共235页调节器参数(%)TI(min)TD(min)PPI 3.3PID20.5表3-4 经验计算公式 第105页/共235页第三章 PLC温度控制技术第106页/共235页 第三章 PLCPLC温度控制技术温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。锅炉温度是一个大惯性系统，一般采用PIDPID调节进行控制。本章首先介绍温度传感器的使用和S7-30

50、0 S7-300 PLCPLC中块的基本概念，然后对PIDPID控制器的基本概念进行简单介绍，并结合一个水箱温度控制系统的实例，详细介绍S7-S7-300 PLC300 PLC中PIDPID控制器的应用。第107页/共235页 31 温度的采集温度采集和压力、流量等一样，是一种工业控制中最普及的应用，它可以直接测量各种生产过程中液体、蒸汽、气体介质和固体表面的温度。常用的有热电阻、热电偶两种方式，此外还有非接触型的红外测温等产品，一个典型的应用例子是钢铁厂中的红外测温设备。这里我们主要介绍热电阻和热电偶。第108页/共235页 3.1.1 温度传感器与选型温度采集和压力、流量等一样，是一种工业