调节器基本控制规律.pptx
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1、1一、调节器的作用一、调节器的作用 将测量将测量输入信号值输入信号值PVPV与给定值与给定值SVSV进行比较进行比较,得出偏差,得出偏差e e,然后,然后根据预先根据预先设定的控制规律对偏差设定的控制规律对偏差e e进行运算进行运算,得到相应的控制值,得到相应的控制值,并通过输出口以并通过输出口以4 420mA20mA,DCDC电流(或电流(或1 15V5V,DCDC电压)传输电压)传输给执行器。给执行器。第1页/共46页2二、调节器的二、调节器的PIDPID控制规律控制规律 所谓调节器的控制规律就是指调节器的输入所谓调节器的控制规律就是指调节器的输入e e(t t)与与u u(t t)输出的
2、输出的关系,即关系,即(1)在生产过程常规控制系统中,应用的基本控制规律主在生产过程常规控制系统中,应用的基本控制规律主要有比例控制要有比例控制P P、积分控制、积分控制I I和微分控制和微分控制D DPIDPID控制。控制。(2)式中 u控制器输出变化量;e控制器的输入,即偏差;Kc一一控制器的比例增益或比例放大系数。1、比例控制规律第2页/共46页3 比例控制器的输出变化量与输入偏差成正比,在时间上是没比例控制器的输出变化量与输入偏差成正比,在时间上是没有延滞的。有延滞的。比例控制规律比例控制规律 比例控制器的阶跃响应比例控制器的阶跃响应 1、比例控制规律第3页/共46页4 1、比例控制规
3、律实例分析第4页/共46页5 比例度是控制器输入的相对变化量与相应的输出比例度是控制器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数。用数学式可表示为:相对变化量之比的百分数。用数学式可表示为:控制器的比例度可理解为:要控制器的比例度可理解为:要使输出信号作全范围的变化,输入使输出信号作全范围的变化,输入信号必须改变全量程的百分数。信号必须改变全量程的百分数。2、比例度概念第5页/共46页6比例度比例度 与比例放大系数与比例放大系数K Kc c的关系为:的关系为:式中 由于由于K K 为常数,因此控制器的比为常数,因此控制器的比例度例度 与比例放大系数与比例放大系数K Kc c成反比关系。
4、成反比关系。在单元组合仪表中,控制器在单元组合仪表中,控制器的输入信号是由变送器来的,而的输入信号是由变送器来的,而控制器和变送器的输出信号都是控制器和变送器的输出信号都是统一的标准信号,因此常数统一的标准信号,因此常数K K=1=1。所以在单元组合仪表中,。所以在单元组合仪表中,与与K Kc c互为倒数关系,即:互为倒数关系,即:2、比例度概念第6页/共46页7 当控制器的输出变化量当控制器的输出变化量u u 与输入偏差与输入偏差e e 的积分成比的积分成比例时,就是积分控制规律(例时,就是积分控制规律(I I)。其数学表达式为:)。其数学表达式为:式中式中 K KI I积分比例系数积分比例
5、系数 积分控制器特性积分控制器特性 积分控制作用的特性可以用阶积分控制作用的特性可以用阶跃输入下的输出来说明。当控制跃输入下的输出来说明。当控制器的输入偏差是一幅值为器的输入偏差是一幅值为A A的阶跃的阶跃信号时,上式就可写为:信号时,上式就可写为:3、积分控制规律第7页/共46页8 积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。这就说明了积分控制规律的特点是:只要偏差存在,控制器的输出就会变化,执行器就要动作,系统就不可能稳定。只有当偏差消除(即e=o)时,输出信号不再变化,执行器停止动作,系统才可能稳定下来。积分控制作用达到稳定时,偏差等于零,这是它的一个显著特点,也是它的一个主要优点。因此积分控
6、制器构成的积分控制系统是一个无差系统。3、积分控制规律积分控制规律特点第8页/共46页9 比例积分控制规律(比例积分控制规律(PIPI)是)是比例与积分两种控制规律的结合,比例与积分两种控制规律的结合,其数学表达式为:其数学表达式为:比例积分控制规律既具有比例控制作用及时、快速的特点,又比例积分控制规律既具有比例控制作用及时、快速的特点,又具有积分控制能消除余差的性能,因此是生产上常用的控制规律。具有积分控制能消除余差的性能,因此是生产上常用的控制规律。比例积分控制器特性比例积分控制器特性 4、比例积分控制规律第9页/共46页105 5、微分控制规律、微分控制规律 具有微分控制规律(具有微分控
7、制规律(D D)的控制器,其输出)的控制器,其输出u u与偏差与偏差e e的的关系可用下式表示:关系可用下式表示:式中式中 T TD D微分时间微分时间 微分控制作用的输出大小与偏差变化的速度成正比。对于一个固定不微分控制作用的输出大小与偏差变化的速度成正比。对于一个固定不变的偏差,不管这个偏差有多大,微分怍用的输出总是零,这是微分作用变的偏差,不管这个偏差有多大,微分怍用的输出总是零,这是微分作用的特点。的特点。由于调节器的输出与调节器输入信号的变化速度有关系,变化速度越由于调节器的输出与调节器输入信号的变化速度有关系,变化速度越快,调节器的输出就越大;如果输入信号恒定不变,则微分调节器就没
8、有快,调节器的输出就越大;如果输入信号恒定不变,则微分调节器就没有输出,因此微分调节器不能用来消除静态偏差。而且当偏差的变化速度很输出,因此微分调节器不能用来消除静态偏差。而且当偏差的变化速度很慢时,输入信号即使经过时间的积累达到很大的值,微分调节器的作用也慢时,输入信号即使经过时间的积累达到很大的值,微分调节器的作用也不明显。不明显。所以这种理想微分控制作用一般不能单独使用,也很难实现。所以这种理想微分控制作用一般不能单独使用,也很难实现。第10页/共46页115 5、微分控制规律、微分控制规律 微分控制规律的各种特性见图所示:微分控制规律的各种特性见图所示:控制器输入控制器输入理想控制器输
9、出理想控制器输出实际控制器输出实际控制器输出幅频特性图幅频特性图相频特性图相频特性图第11页/共46页126 6、比例微分控制规律、比例微分控制规律 具有比例微分控制规律(具有比例微分控制规律(D D)的控制器,其输出)的控制器,其输出u u与偏差与偏差e e的关系可用下式表示:的关系可用下式表示:理论上PD调节器控制作用迅速、无滞后,并有很强地抑制动态偏差过大的能力。但缺乏抗干扰能力,如果偏差信号中含有高频干扰时,则输出会有大幅度的变化,这样容易引起执行器的误动作。比例微分控制特性 第12页/共46页137 7、实际比例微分控制规律、实际比例微分控制规律 1)t=0 2)t 实际微分控制器输
10、入输出曲线 第13页/共46页148 8、比例积分微分控制规律、比例积分微分控制规律 PIDPID的输入输出关系可用下列公式表示:的输入输出关系可用下列公式表示:由上式可见,由上式可见,PID PID 控制作用控制作用的输出分别是比例、积分和微分的输出分别是比例、积分和微分三种控制作用输出的叠加。三种控制作用输出的叠加。当输入偏差当输入偏差e e 为一幅值为为一幅值为A A 的阶跃信号时,实际的阶跃信号时,实际PIDPID控制器的控制器的输出特性如右图所示。输出特性如右图所示。PIDPID控制规律特性图控制规律特性图第14页/共46页158 8、比例积分微分控制规律、比例积分微分控制规律 PI
11、D PID的特性图显示,实际的特性图显示,实际PIDPID控制器在阶跃输入下,开始控制器在阶跃输入下,开始时,微分作用的输出变化最大,使总的输出大幅度地变化,产时,微分作用的输出变化最大,使总的输出大幅度地变化,产生强烈的生强烈的“超前超前”控制作用,这种控制作用可看成为控制作用,这种控制作用可看成为“预调预调”。然后微分作用逐渐消失,积分作用的输出逐渐占主导地位,。然后微分作用逐渐消失,积分作用的输出逐渐占主导地位,只要余差存在,积分输出就不断增加,这种控制作用可看成为只要余差存在,积分输出就不断增加,这种控制作用可看成为“细调细调”,一直到余差完全消失,积分作用才有可能停止。而,一直到余差
12、完全消失,积分作用才有可能停止。而在在 PIDPID控制器的输出中,比例作用的输出是自始至终与偏差相控制器的输出中,比例作用的输出是自始至终与偏差相对应的,它一直是一种最基本的控制作用。在实际对应的,它一直是一种最基本的控制作用。在实际PIDPID控制器控制器中,微分环节和积分环节都具有饱和特性。中,微分环节和积分环节都具有饱和特性。PID PID控制器可以调整的参数是控制器可以调整的参数是K KCC、T TI I、T TDD。适当选取这三个参数。适当选取这三个参数的数值,可以获得较好的控制质量。的数值,可以获得较好的控制质量。第15页/共46页168 8、比例积分微分控制规律、比例积分微分控
13、制规律 对于一台实际的对于一台实际的PIDPID控制器,控制器,K KC C、T TI I、T TD D的参数均可以调整。的参数均可以调整。如果把微分时间调到零,就成为如果把微分时间调到零,就成为一台比例积分控制器;如果把积一台比例积分控制器;如果把积分时间放大到最大,就成为一台分时间放大到最大,就成为一台比例微分控制器;如果把微分时比例微分控制器;如果把微分时间调到零,同时把积分时间放到间调到零,同时把积分时间放到最大,就成为一台纯比例控制器最大,就成为一台纯比例控制器了。了。表表1 1给出了各种控制规律的给出了各种控制规律的特点及适用场合特点及适用场合,以供比较选用。,以供比较选用。幅频特
14、性图幅频特性图相频特性图相频特性图第16页/共46页17三,PID控制作用比例作用P引入适当微分作用D后,幅值增加,相位超前,使稳定性裕度提高,为保持同样稳定性裕度,Kc应增加10-20%(比例度应减少10-20%)。微分作用D可以克服容滞后,但对时滞毫无作用。微分时间Td越大,微分作用越强,Td=0无微分作用。第17页/共46页18控制器参数整定的若干原则第18页/共46页19控制器参数整定的若干原则第19页/共46页20控制器参数整定的若干原则第20页/共46页21控制器参数整定的若干原则第21页/共46页22控制器参数的经验整定法第22页/共46页23控制器参数经验数据流 量:对象时间常
15、数小,参数有波动,要大40100%;Ti要短0.31min;不用微分。温 度:对象容量滞后较大,即参数受干扰后变化迟缓,应小2060%;Ti要长310min;一般需加微分 Td=0.53min 压 力:对象的容量滞后不算大,一般不加微分 =3070%Ti=0.43min液 位:对象时间常数范围较大,要求不高时,可在一定范围内选取,一般不用微分,=2080%第23页/共46页24控制器参数的经验整定法第24页/共46页25控制度法第25页/共46页261 1,有关有关DZZ-DZZ-型电动单元调节器的概述型电动单元调节器的概述(1 1)控制器(调节器)控制器(调节器)-是控制系统的核心,它在是控
16、制系统的核心,它在闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、判闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、判断和决策命令,控制执行器的动作。控制器使用是否得断和决策命令,控制执行器的动作。控制器使用是否得当,直接影响控制质量。当,直接影响控制质量。(2)(2)控制器特性控制器特性-是指控制器的输出与输入之间的关是指控制器的输出与输入之间的关系。分析控制器的特性,也就是分析控制器的输出信号系。分析控制器的特性,也就是分析控制器的输出信号u(t)u(t)随输入情号随输入情号e(t)e(t)变化的规律,即控制器的控制规律。变化的规律,即控制器的控制规律。(3)(3)控制器的基本控制规律有比例、
17、积分和微分等几种。控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种。工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。四、应用分析 DDZ-型调节第26页/共46页27(2)(2)(2)(2)DDZDDZDDZDDZ型电动单元调节器型电动单元调节器型电动单元调节器型电动单元调节器-是模拟式控制器个较为常见的一种,它以来自变送器或是模拟式控制器个较为常见的一种,它以来自变送器或是模拟式控制器个较为常见的一种,它以来自变送器或是模拟式控制器个较为常见的一种,它以来自变送器或转换器的转换器的转换器的转换器的1 1 1 15V5V5V5V直流测量信号作为输
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