单回路控制系统.pptx

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1、1 1。数学模型的有关概念。数学模型的有关概念3-1 3-1 概述概述数学模型数学模型数学模型数学模型:指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化的函数关系数学指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化的函数关系数学表达式。表达式。干扰干扰干扰干扰:内干扰内干扰-调节器的输出量调节器的输出量u(t)u(t)；外外干扰干扰-其余非控制的输入量。其余非控制的输入量。通道通道通道通道:输入量与输出量间的信号联系。输入量与输出量间的信号联系。第1页/共99页扰动通道-扰动作用与被控量间的信号联系。2 2。研究并建立数学模型的目的。研究并建立数学模型的目的(1)(1)、设计过程控制系统、整定调节器参数。

2、、设计过程控制系统、整定调节器参数。(2)(2)、指导生产工艺设备的设计。、指导生产工艺设备的设计。(3)(3)、进行仿真实验研究。、进行仿真实验研究。(4)(4)、培训运行操作人员。、培训运行操作人员。3 3。单输入。单输入-单输出过程的常见模型单输出过程的常见模型(1)(1)、线性时间连续模型、线性时间连续模型(2)(2)、线性时间离散模型线性时间离散模型控制通道控制通道-控制作用与被控量间的信号联系；控制作用与被控量间的信号联系；第2页/共99页一。有自衡过程的数学模型一。有自衡过程的数学模型 有自衡的定义有自衡的定义有自衡的定义有自衡的定义：对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏对象受到干

3、扰作用后，平衡状态被破坏 ，无须外加任何控制，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为平衡能作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为平衡能力。力。(一一一一)、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型 1 1 1 1、单容过程的定义：、单容过程的定义：、单容过程的定义：、单容过程的定义：只有一个储蓄容量的过程。如下页图所示。只有一个储蓄容量的过程。如下页图所示。3-2 3-2 机理分析法建模机理分析法建模第3页/共99页返回第4页/共99页 讨论：(1)(1)、静态时，q q1 1=q

4、=q2 2=dh/dt=0;=dh/dt=0;(2)(2)、当q q1 1变化时h h变化 q q2 2变化。经线性化处理，有其中，其中，R R2 2为阀门为阀门2 2的阻力，称为液阻或流阻。的阻力，称为液阻或流阻。2 2 2 2、参量关系分析、参量关系分析第5页/共99页3 3 3 3、建立数学模型、建立数学模型第6页/共99页(二二)、有自衡多容过程的数学模型（无相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（无相互影响）1 1、多容过程、多容过程是工业生产中常见的，如下图。是工业生产中常见的，如下图。第7页/共99页第8页/共99页2 2、三容过程的方框图、三容过程的方框图第9页/共99页(三三三

5、三)、有自衡多容过程的数学模型（有相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（有相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（有相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（有相互影响）作业：画出方框图，并推导出该系统的传递函数作业：画出方框图，并推导出该系统的传递函数作业：画出方框图，并推导出该系统的传递函数作业：画出方框图，并推导出该系统的传递函数第10页/共99页二、无自衡过程的数学模型二、无自衡过程的数学模型 无自衡过程的概念：如下图。第11页/共99页(一一)、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型 1 1、参量关系分析、参量关系分析 返回第12页/共99页而在无自衡过程，因而在无自衡过程，因 q q q

6、 q2 2 2 2=0=0=0=0，故，故 2 2、传递函数、传递函数第13页/共99页3-3 3-3 单回路控制系统设计单回路控制系统设计 单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，但应用较广；过程控制的基单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，但应用较广；过程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本章内容无疑是重点之一。本概念主要是在本章建立的。因此，本章内容无疑是重点之一。第14页/共99页特点特点 最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不很高的场合。过程控制系统设计的要求过程控制系统设

7、计的要求1 1、安全性、安全性2 2、稳定性、稳定性3 3、经济性、经济性过程控制系统的设计步骤过程控制系统的设计步骤1 1、建立被控过程的数学模型、建立被控过程的数学模型2 2、选择控制方案、选择控制方案3 3、选择控制设备型号规格、选择控制设备型号规格4 4、实验（与仿真）、实验（与仿真）第15页/共99页控制系统的工程考虑控制系统的工程考虑 包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。(2)(2)、对象信息的获取和变送、对象信息的获取和变送(3)(3)、执行器的选择、执行器的选择(4)(4)、控制器的选择、控制器的选择3 3、工程安装、工程安

8、装4 4、仪表调试、仪表调试 5 5、参数整定、参数整定2 2、工程设计、工程设计 1 1、方案设计、方案设计 是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：(1)(1)、合理选择被控量、合理选择被控量(被控参数被控参数)和操纵量和操纵量(控制参数控制参数)第16页/共99页一、单回路控制系统一、单回路控制系统单回路控制系统可实现：单回路控制系统可实现：定值控制、程序控制、随动控制定值控制、程序控制、随动控制等等例：液位定值控制系统例：液位定值控制系统其结构图如下：其结构图如下：定义：定义：是指由一个测量变送器、一个调节器、一个执行器连同是指由一个测量变送

9、器、一个调节器、一个执行器连同 被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。第17页/共99页液位检测变送器液位控制器设定值执行阀第18页/共99页第19页/共99页 从结构图我们可以看出：单回路控制系统是从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最基本、最成熟的一种控制方式。的一种控制方式。单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路控单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。单回路控制系统方框图的单回路控制系统方

10、框图的一般形式一般形式如下：如下：第20页/共99页 根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳定地根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳定地工作，必须要构成负反馈。工作，必须要构成负反馈。正作用：正作用：输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正）输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正）反作用：反作用：输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）二、正作用、反作二、正作用、反作用用调节器的正作用：调节器的正作用：输出信号输出信号u u随着被控量随着被控量y y的增大而增大；的增大而增大；调节器的反作用：调节器的反

11、作用：输出信号输出信号u u随着被控量随着被控量y y的增大而减小；的增大而减小；第21页/共99页执行器执行器+液位过程液位过程+检测变送检测变送+则则 调节器调节器-气关式气关式-+气开式气开式第22页/共99页对上例进行改对上例进行改动动其结构图如下：其结构图如下：第23页/共99页上例中：上例中：执行器执行器+液位过程液位过程-检测变送检测变送+则则 调节器调节器+气关式气关式-+-气开式气开式返回第24页/共99页三、被控参数和控制参数的选择三、被控参数和控制参数的选择（一）被控参数（被控变量）的选择（一）被控参数（被控变量）的选择 是控制系统设计的一个重要内容。是控制系统设计的一个

12、重要内容。恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、改恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先进若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果。1 1、选择的意义、选择的意义2 2、选择的方法、选择的方法 (1)(1)选直接参数选直接参数 即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行的即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行的参数。参数。(如

13、锅炉的水位、蒸汽的温度等。如锅炉的水位、蒸汽的温度等。)第25页/共99页(2).(2).选间接参数例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的产品或中间产品产品或中间产品控制目标（直接参数）：控制目标（直接参数）：纯度纯度 或或 浓度浓度浓度浓度温度温度压力压力 由于压力由于压力P P不仅与不仅与分离纯度分离纯度有关，而且影响塔的有关，而且影响塔的工作效工作效率率以及以及经济性经济性，因而选择温度为间接参数。，因而选择温度为间接参数。当选直接参数有困难时采用。当选直接参数有困难时采用。第26页/共99页间接参数的选择原则 必须考虑工艺生

14、产的合理性和仪表的现状。必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数要有足够的灵敏度。间接参数要有足够的灵敏度。3 3、选择被控参数的一般原则、选择被控参数的一般原则 选选择择对对产产品品的的产产量量和和质质量量、安安全全生生产产、经经济济运运行行和和环环境境保保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量。当不能用直接参数作为被控量时，应选择一个与直接参数当不能用直接参数作为被控量时，应选择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

15、数作为被控参数。被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。的性能。第27页/共99页（二）控制参数（操纵变量）的选择（二）控制参数（操纵变量）的选择设单回路控制系统的框图如下图所示：以控制质量为依据，以控制质量为依据，以控制质量为依据，以控制质量为依据，通过对过程静态特性、动态特性通过对过程静态特性、动态特性通过对过程静态特性、动态特性通过对过程静态特性、动态特性的分析，讨论控制参数选择的一般原则。的分析，讨论控制参数选择的一般原则。的分析，讨论控制参数选择的一般原

16、则。的分析，讨论控制参数选择的一般原则。1 1、过程静态特性的分析、过程静态特性的分析控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快。第28页/共99页则被控量对扰动的闭环传递函数为：则被控量对扰动的闭环传递函数为：设传递函数分别为：设传递函数分别为：由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：第29页/共99页结论：结论：结论：结论：第30页/共99页2 2、根据过程特性选择操纵变量的一般原则 控

17、制通道控制通道的放大系数的放大系数K K0 0要适当选大一些；时间常数要适当选大一些；时间常数T T0 0要要适当小一些；纯滞后时间适当小一些；纯滞后时间 0 0越小越好，越小越好，在有纯延时在有纯延时 0 0的的情况情况下，下，0 0与与T T0 0之比应小于之比应小于1 1。扰动通道扰动通道的放大系数的放大系数K Kf f应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数T Tf f要大；扰要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀即靠近调节阀)；容量滞；容量滞后愈大，愈有利于控制。后愈大，愈有利于控制。广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组广义过

18、程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量将几个时间常数数值错开，成，在选择控制参数时，应尽量将几个时间常数数值错开，使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小其它时间常数。其它时间常数。注意注意工艺操作的合理性、经济性。工艺操作的合理性、经济性。返回第31页/共99页(五).).实例讨论 例1 1：喷雾式乳粉干燥设备的控制。1.1.工艺流程：工艺流程：参见图参见图3 3-2828。2.2.控制要求：控制要求：干燥后的产品含水量波动干燥后的产品含水量波动要小。要小。3.3.被控参数选择被控参数选择：干燥

19、器里的温干燥器里的温度度 4.4.操纵变量的选择操纵变量的选择第32页/共99页 讨论后知，以风量作控制参数为最佳选择。讨论后知，以风量作控制参数为最佳选择。第33页/共99页例例2 2 2 2储槽液位控制第34页/共99页四、执行器四、执行器作用：作用：接受调节器输出的控制信号，经执行机构将其转换接受调节器输出的控制信号，经执行机构将其转换 为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调 节阀）的流通截面积，以控制流入或流出被控过程节阀）的流通截面积，以控制流入或流出被控过程 的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。的物料或能量，从而实现对过程参

20、数的自动控制。执行器执行器执行器执行器执行机构执行机构执行机构执行机构调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）组成组成：气动执行器、电动执行器、液动执行器气动执行器、电动执行器、液动执行器第35页/共99页（一）气动执行（一）气动执行器器1 1 1 1 气动执行机构气动执行机构1 1、上盖；、上盖；2 2、膜片；、膜片；3 3、平衡弹簧；、平衡弹簧；4 4、阀杆；、阀杆；5 5、阀体；、阀体；6 6、阀座；、阀座；7 7、阀芯；、阀芯；第36页/共99页工作原理：阀杆的受力平衡阀杆的受力平衡其中：其中：第37页/共99页2 2 调节机构（调节阀）a a a a

21、分类分类局部阻力可变的节流元件局部阻力可变的节流元件 大口径的调节阀一大口径的调节阀一般选用双座阀，其所般选用双座阀，其所需推力较小，动作灵需推力较小，动作灵活，但泄漏较大。活，但泄漏较大。小口径的调节阀一小口径的调节阀一般选用单座阀，其泄般选用单座阀，其泄漏较小。漏较小。第38页/共99页b b 阀的气开、气关方式正装阀与反装阀正装阀与反装阀气开阀与气关阀气开阀与气关阀气开式：气开式：气关式：气关式：第39页/共99页气开、气关方式的选择原则：气开、气关方式的选择原则：保证工艺生产的安全。保证工艺生产的安全。即：当气源一旦中断时，阀即：当气源一旦中断时，阀门处于全开还是全关状态，要依首先能够

22、保证设备和门处于全开还是全关状态，要依首先能够保证设备和人身安全的原则而定。人身安全的原则而定。冷水阀：冷水阀：燃料阀：燃料阀：气关式气关式气开式气开式以加热炉为例（见右图以加热炉为例（见右图）实现调节阀气开、气关的四种方式：实现调节阀气开、气关的四种方式：第40页/共99页（二）电动执行器（二）电动执行器使用电动机等电的动力来启闭调节阀1 1、电动执行机构、电动执行机构比例式电动执行器比例式电动执行器电磁阀电磁阀比例式电动执行机构：比例式电动执行机构：通常采用伺服系统的结构方案。通常采用伺服系统的结构方案。返回第41页/共99页3-4 3-4 PIDPID调节器调节器调节器（控制器）：调节器

23、（控制器）：将被控变量的测量值与给定值进行比较，将被控变量的测量值与给定值进行比较，得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进 行比例、积分、微分等运算，并将运算结行比例、积分、微分等运算，并将运算结 果以一定的信号形式送到执行器，进而实果以一定的信号形式送到执行器，进而实 现对被控变量的自动控制。现对被控变量的自动控制。PID PID 控制：控制：是上世纪是上世纪4040年代以前除开关控制外的唯一控制方年代以前除开关控制外的唯一控制方 式，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控式，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控 制方式。制方式。使用比例：使用比例：80%

24、80%90%90%第42页/共99页控制器的输入：输出：控制器的控制规律就是u(t)与e(t)之间的关系，是在人工经验的基础上总结并发展的。控制器的基本控制规律有：比例、积分和微分，此外还有如继电器特性的位式控制规律等。第43页/共99页反应器的温度控制第44页/共99页人工操作过程分析以蒸汽加热反应釜为例：设反应温度：85度，轻微放热反应 操纵变量：蒸汽流量 被控变量：反应温度 干扰：蒸汽压力、进料流量等第45页/共99页人工操作（1 1）：开关控制u 若温度低于85度，蒸汽阀门全开u 若温度高于85度，蒸汽阀门全关现象：温度持续波动，过程处于振荡中。结果：双位控制规律控制品质差，满足不了生

25、产要求。第46页/共99页u 温度为85度，蒸汽阀门开度是3圈u 若温度高于85度，每高5度就关一圈阀门u 若温度低于85度，每低5度就开一圈阀门即开启圈数相应控制规律可写为：u(0)：偏差为0时控制器输出Kc：控制器比例放大倍数人工操作（2 2）：比例控制第47页/共99页现象：温度控制得比较平稳结果：控制品质有一定改善，但负荷变化时，会有余差。如工况有变动，当阀门开3圈时，温度不再保持在85度。第48页/共99页人工操作（3 3）：增加积分作用首先按照比例控制操作，然后不断观察u 若温度低于85度，慢慢地持续开大阀门u 若温度高于85度，慢慢地持续开小阀门直到温度回到85度即控制器输出变化

26、的速度与偏差成正比：KI：积分速度第49页/共99页现象：只要有偏差，控制器输出就不断变化。结果：输出稳定在设定的85度上，即消除了余差。第50页/共99页人工操作（4 4）：增加微分作用 由于温度过程容量滞后大，当出现偏差时，其数值已经较大，因此，补充经验：根据偏差变化的速度来开启阀门，从而抑制偏差的幅度，使控制作用更加及时。第51页/共99页时间连续PID控制规律理想PID控制器的运算规律数学表达式：其传递函数形式：一、连续PIDPID控制规律第52页/共99页第53页/共99页第54页/共99页控制器运算规律通常用增量形式表示，若用实际值表示，则为：式中u(0)为控制器初始输出，即t0瞬

27、间偏差为0时的输出。第55页/共99页1 1、比例控制（P P）分析（1）比例控制规律控制器输出变化与输入偏差成正比。在时间上没有延迟。在相同的偏差下，Kc越大，输出也越大，因此Kc是衡量比例作用强弱的参数。工业上用比例度来表示比例作用的强弱。第56页/共99页传递函数形式：阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出特性(7-6)第57页/共99页(2)(2)、比例度(7-7)第58页/共99页（a）在扰动（或负荷）变化及设定值变化时有余差存在。因为在这几种情况下，控制器必有输出 以改变阀门开度，力图使过程的物料和能量能够达到新的平衡。但 又正比于偏差 e，因此此时控制器的输入信号必然不是0。当比例度

28、较小时，对应同样的 变化的e较小；因此余差小。(3)(3)、比例度对系统过渡过程影响第59页/共99页（b）比例度越大，过渡过程曲线越平稳；随着比例度减小，系统振荡程度加剧。当比例度减小到某数值 时，系统出现等幅振荡，再减小系统将发散。因此控制系统参数设置不当，也达不到控制系统设计的效果应该根据系统各个环节的特性，特别是过程特性选择合适的控制器参数 ，才能获得理想的控制指标。（c）最大偏差 在扰动作用下，越小，最大偏差越小。第60页/共99页扰动作用下，不同比例度过渡过程（d）如果 小，则振荡频率提高，因此把被控变量拉回到设定值所需的时间就短。第61页/共99页一般而言：当广义对象的放大系数较

29、小，时间常数较大、时滞较小时，控制器的比例度可选较小，以提高系统的灵敏度。当广义对象的放大系数较大，时间常数较小而时滞较大时，需要适当增大控制器的比例度，以增加系统的稳定性。工业生产中定值控制系统通常要求控制系统具有振荡不太剧烈，余差不太大的过渡过程，衰减比定在4:110:1,而随动系统一般衰减比在10:1以上。第62页/共99页比例控制小结：比例控制是最基本、最主要也是应用最普遍的控制规律，它能够迅速地克服扰动的影响，使系统很快地稳定下来。比例控制通常适用于扰动幅度小，负荷变化不大，过程时滞较小（）或者控制要求不高的情况下。第63页/共99页2 2、比例积分控制（PIPI）分析（1）积分控制

30、规律KI表示积分速度。控制器输出信号的大小，不仅与偏差大小有关，还取决于偏差存在的时间长短。只要有偏差存在，控制器的输出就不断变化。偏差存在时间越长，输出信号的变化量越大，直到达到输出极限。只有余差为0，控制器的输出才稳定。第64页/共99页力图消除余差是积分作用的重要特性。在幅度为A的阶跃作用下，积分控制器的开环输出如图所示。输出直线的斜率为KIA。阶跃偏差作用下积分输出第65页/共99页（2）积分控制规律分析 比例作用的输出与偏差同步，偏差大，输出大，偏差小，输出小，因此控制及时。而积分作用则不是。积分控制作用总是滞后于偏差的存在，因此它不能有效地克服扰动的影响，难以使得控制系统稳定下来，

31、因此积分控制作用很少单独使用，单独使用系统容易振荡。第66页/共99页积分作用的落后性第67页/共99页在第一个前半周期内，测量值一直低于设定值，出现负偏差，所以按同一方向累积。从t1到t2时间段，偏差还是为负，但数值在减小，因此，积分输出仍然在增加，但增加的量在减小。显然，在这个时间段，积分输出增加是不合理的，因为偏差已经在减小。这就暴露了积分控制的弱点：控制作用的落后性。这往往会导致超调，并引起被控变量波动厉害。工业上常将比例作用与积分作用组合成比例积分控制规律。第68页/共99页（2）比例积分控制规律比例积分控制器的传递函数是：(7-9)(7-10)式中，是比例项；是积分项)t(eKC

32、t0dt)t(eT/KIC第69页/共99页阶跃偏差作用下比例积分控制器的输出第70页/共99页 在偏差幅度为A的阶跃作用下，比例输出立即跳变到KCA，然后积分输出随时间线性增加。在KC和A确定时，直线的斜率取决于积分时间TI的大小。TI越大，直线越平坦，积分作用越弱。TI越小，直线越陡，表示积分作用越强TI趋向无穷大时，比例积分控制器蜕变为比例控制器。第71页/共99页 TI是描述积分作用强弱的物料量，其定义为：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间，就是积分时间TI。因为在任意时间，控制器的输出为：。当t=TI时，输出即为2KCA。第72页/共99页 比例积分控制器在

33、投运前，需对 和积分时间TI进行校验。积分时间测定时，一般先将比例度置于100%，然后对控制器输入一个幅度为A的阶跃偏差，测出控制器的跳变KCA，同时按住秒表，待到积分输出与比例输出相同时，所经历的时间就是积分时间TI。第73页/共99页积分时间测定第74页/共99页（3 3）积分时间T TI I对过渡过程影响 在一个纯比例的闭环控制系统中引入积分作用时，若 不变，则可从图的曲线看出，随着TI的减小，积分作用增强，消除余差快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；TI过小，可能导致系统不稳定。TI小，扰动作用下的最大偏差小，振荡频率增加。第75页/共99页阶跃偏差作用下比例积分控制器的输出第

34、76页/共99页比例度不变时积分时间对过渡过程影响扰动作用第77页/共99页（1）微分控制规律。其输出正比于输入对时间的导数。TD为微分时间常数。传递函数：3 3、比例微分控制（PDPD）分析第78页/共99页理想微分开环输出特性)t(et0A)t(uDt0第79页/共99页 微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差存在与否无关。因此，纯粹的微分控制作用是无意义的，一般都将微分控制作用与比例控制结合起来使用。第80页/共99页 理想的比例微分控制规律是：传递函数为：其中：TD为微分时间（2 2）比例微分控制规律第81页/共99页 理想的比例微分控制器在制造上很困难（不能实现），工业上都

35、是使用实际比例微分控制规律，其数学表示为：传递函数为（KD为微分增益）实际比例微分控制规律第82页/共99页 在幅度为A的阶跃偏差作用下，实际PD控制器的输出为：其中T=TD/KD。第83页/共99页阶跃偏差作用下时间比例微分开环输出第84页/共99页 在偏差跳变瞬间，输出跳变幅度为比例输出的KD倍，即KDKCA，然后按指数规律下降，最后当t趋向无穷大时，仅有比例输出KCA。因此决定微分作用的有两个因素:一个是开始跳变幅度的倍数，用KD来衡量另一个是降下来所需要的时间，用微分时间TD来衡量。输出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越强。第85页/共99页 微分增益KD是固定不变的，只与控制器的类

36、型有关。电动控制器的KD一般是510。如果KD=1，则等同于比例控制。KD1称为反微分器，它的控制作用反而减弱。这种反微分控制器运用于噪声较大的系统中，会取较好的滤波效果。第86页/共99页 微分时间TD是可调的。测定微分时间时，先测阶跃信号A作用下比例微分输出从KDKCA下降到KCA+0.368KCA(KD-1)所经历的时间t，此时t=TD/KD，再将该时间乘以微分增益KD即可。由于微分在输入偏差变化的瞬间就有较大的输出响应，因此微分控制被认为是超前控制。实际使用中，微分作用往往与比例积分组合成PID控制规律。第87页/共99页实际比例微分控制器微分时间测定T=TD/KD第88页/共99页4

37、 4、比例积分微分控制（PIDPID）（1）PID控制规律 在幅度为A的阶跃偏差作用下，实际的PID控制可看作是比例、积分、微分三部分作用的叠加：其开环特性第89页/共99页阶跃偏差作用下PID控制器开环输出第90页/共99页（2）微分时间TD对系统过渡过程的影响 在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。因为当控制器在感受到偏差后再进行控制，过程已经受到较大幅度扰动的影响，或扰动已经进入系统一段时间，而引入微分作用后，当被控变量一有变化，根据变化趋势适当加大控制器的输出，有利于克服扰动对被控变量的影响，抑制偏差的增长，从而提高

38、系统的稳定性。第91页/共99页 如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比，则可适当减小控制器的比例度，一般可减小15%左右，从而使得系统的控制指标得到全面的改善。但是若微分作用太强，即TD太大，反会引起系统振荡，必须注意这一点。测量中有显著噪声时，如流量测量信号中常有不规则的高频噪声，则不宜引入微分作用，有时反而需要反微分作用。第92页/共99页不同TD下的控制过程第93页/共99页 微分时间TD对系统过渡过程的影响如图所示。若TD太小，则对系统的控制指标没有或影响很小，如图中曲线1选取适当的TD，系统的控制指标将得到全面的改善，如曲线2所示。若TD过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致

39、系统剧烈振荡，如曲线3所示。第94页/共99页PID控制规律的应用 PID控制器有比例度 、积分时间TI和微分时间TD三个参数可供调整，因此适用范围广，在温度和成分分析系统的控制中得到更为广泛的应用。PID控制规律综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，但这并不意味着它在任何情况下都适用，必须根据工艺要求，选择最为合适的控制规律。第95页/共99页 各类化工过程常用的控制规律。液位：一般要求不高，用P或PI控制规律。流量：时间常数小，测量信号中有噪声，用PI或加反微分控制规律。压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律。温度：容量滞后大，用PID控制规律。第96页/共99页（3 3）PIDPID控制器的构成 PID的构成有几种方式：电动型控制器中，将P、I、D环节直接在反馈网络中串接。电动型控制器以及数字式控制器中采用PD或PI电路相串接的形式。在串接中，一般认为PD接在PI之前较为合适。第97页/共99页电动电动型控制器型控制器PIDPID单元接法示意图单元接法示意图(a)第98页/共99页感谢您的观看！第99页/共99页