過程控制課件 - 第5節(jié)

1、Beijing University of Posts and Telecommunications18:041第五章第五章 簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Beijing University of Posts and Telecommunications18:042上一節(jié)課 ：解析法、實(shí)驗(yàn)法建模Beijing University of Posts and Telecommunications18:043單容過程212( )( )( )11H sRKG sQ sR CsTs純滯后Beijing University of Posts and Telecommunications18:044

2、多容過程 111)()(23112sTRsTsQsHsGBeijing University of Posts and Telecommunications18:045實(shí)驗(yàn)法建模實(shí)驗(yàn)法建模Beijing University of Posts and Telecommunications18:046方波響應(yīng)曲線法方波響應(yīng)曲線法Beijing University of Posts and Telecommunications18:0475.1 簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單控制系統(tǒng)是只對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行控制的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)是只對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行控制的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3、是最基本的過程控制系統(tǒng)是最基本的過程控制系統(tǒng), ,是構(gòu)成復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。是構(gòu)成復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。廣義對(duì)象Beijing University of Posts and Telecommunications18:048Beijing University of Posts and Telecommunications18:0495.2 控制方案的確定控制方案的確定控制方案的確定主要包括系統(tǒng)被控參數(shù)的選擇、測量信息的獲取及變送、控制方案的確定主要包括系統(tǒng)被控參數(shù)的選擇、測量信息的獲取及變送、控制參數(shù)的選擇、調(diào)節(jié)規(guī)律的選取、調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）的選擇和調(diào)節(jié)器正控制參數(shù)的選擇、調(diào)節(jié)規(guī)律的選取

4、、調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）的選擇和調(diào)節(jié)器正、反作用的確定等內(nèi)容。、反作用的確定等內(nèi)容。 5.2.1 5.2.1 被控參數(shù)的選取被控參數(shù)的選取 1 1）決定性作用的、直接參數(shù)作為被控參數(shù)）決定性作用的、直接參數(shù)作為被控參數(shù) 2 2）與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的所謂間接參數(shù)作為被控參數(shù)）與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的所謂間接參數(shù)作為被控參數(shù) 3 3）當(dāng)采用間接參數(shù)時(shí)，該參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)具有足夠高的控制靈敏度）當(dāng)采用間接參數(shù)時(shí)，該參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)具有足夠高的控制靈敏度4 4）考慮工藝上的合理性和所用測量儀表的性能、價(jià)格、售后服務(wù)等因素）考慮工藝上的合理性和所用測量儀表的性能、價(jià)格、售后服務(wù)等因素 對(duì)于一個(gè)已經(jīng)運(yùn)行

5、的生產(chǎn)過程，被控參數(shù)往往是由工藝要求事先確定的。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)運(yùn)行的生產(chǎn)過程，被控參數(shù)往往是由工藝要求事先確定的。Beijing University of Posts and Telecommunications18:04105.2.2 5.2.2 控制參數(shù)的選擇控制參數(shù)的選擇 5.2.2.1 5.2.2.1 過程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響過程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 1. 1. 干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響R(s)= 0Beijing University of Posts and Telecommunications18:0411假設(shè)假設(shè))(sGf為一單容過程，其傳遞函數(shù)

6、為為一單容過程，其傳遞函數(shù)為 1)(sTKsGfff若單容過程具有純時(shí)延時(shí)間若單容過程具有純時(shí)延時(shí)間f則：則：則：則：( (式式2)2)( (式式3)3)系統(tǒng)輸出與干擾之間的傳遞函數(shù)為系統(tǒng)輸出與干擾之間的傳遞函數(shù)為 ( (式式1)1)()()()(1)()()(sHsGsGsGsGsFsCovcf1)()()()(11)()(sTKsHsGsGsGsFsCffovcsffovcfesTKsHsGsGsGsFsC1)()()()(11)()(Beijing University of Posts and Telecommunications18:0412fK(1)(1)干擾通道干擾通道 的影響：

7、的影響：fK越大，由干擾引起的輸出也越大，被控參數(shù)偏離給定值就越多。越大，由干擾引起的輸出也越大，被控參數(shù)偏離給定值就越多。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選擇靜態(tài)增益在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選擇靜態(tài)增益 fK小的干擾通道，以減小干擾對(duì)被控參數(shù)小的干擾通道，以減小干擾對(duì)被控參數(shù)的影響。的影響。( (式式2)2)1)()()()(11)()(sTKsHsGsGsGsFsCffovc(2) (2) 干擾通道干擾通道 的影響的影響fT)(sGf為慣性環(huán)節(jié)，對(duì)干擾為慣性環(huán)節(jié)，對(duì)干擾 )(sF具有具有“濾波濾波”作用，作用， fT越大，越大，“濾波濾波” 效果越明顯，因此干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，干擾對(duì)被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響

8、就越效果越明顯，因此干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，干擾對(duì)被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響就越小，因而越有利于系統(tǒng)控制質(zhì)量的提高。小，因而越有利于系統(tǒng)控制質(zhì)量的提高。 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0413(3) (3) 干擾通道干擾通道 的影響的影響ff的存在，僅僅使干擾引起的輸出推遲了一段時(shí)間的存在，僅僅使干擾引起的輸出推遲了一段時(shí)間 f因此，因此，f的存在并不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。的存在并不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。sffovcfesTKsHsGsGsGsFsC1)()()()(11)()( (式式3)3)Beijing University

9、 of Posts and Telecommunications18:0414(4) (4) 干擾進(jìn)入系統(tǒng)位置的影響干擾進(jìn)入系統(tǒng)位置的影響 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0515干擾進(jìn)入系統(tǒng)的干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控位置越遠(yuǎn)離被控參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制質(zhì)量越動(dòng)態(tài)控制質(zhì)量越有利。有利。但從靜態(tài)看，這但從靜態(tài)看，這會(huì)使干擾引起被會(huì)使干擾引起被控參數(shù)偏離給定控參數(shù)偏離給定值的偏差相對(duì)增值的偏差相對(duì)增大，這對(duì)系統(tǒng)的大，這對(duì)系統(tǒng)的控制品質(zhì)又是不控制品質(zhì)又是不利的。因此需要利的。因此需要權(quán)衡它們的利弊。權(quán)衡它們的

10、利弊。 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0516(1) (1) 控制通道控制通道 2. 2. 控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 0K的影響的影響 (2) (2) 控制通道控制通道 0T的影響的影響 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0517產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因： 0(3) (3) 控制通道控制通道 的影響的影響 控制通道純滯后時(shí)間控制通道純滯后時(shí)間 0一是由信號(hào)傳輸滯后所致；一是由信號(hào)傳輸滯后所致； 二是由信號(hào)的測量變送滯后

11、所致；二是由信號(hào)的測量變送滯后所致； 三是執(zhí)行器的動(dòng)作滯后所致。三是執(zhí)行器的動(dòng)作滯后所致。 3 . 000TBeijing University of Posts and Telecommunications18:0518控制通道的純滯后，都會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差增大，超調(diào)量增加，最終導(dǎo)致控制控制通道的純滯后，都會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差增大，超調(diào)量增加，最終導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。從系統(tǒng)的頻率特性分析可知，控制通道純滯后的存在，會(huì)增加開環(huán)質(zhì)量下降。從系統(tǒng)的頻率特性分析可知，控制通道純滯后的存在，會(huì)增加開環(huán)頻率特性的相角滯后，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，無論如何，應(yīng)減小控制頻率特性的相角滯后，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降

12、低。因此，無論如何，應(yīng)減小控制通道的純滯后，以利于提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。通道的純滯后，以利于提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 (4) (4) 控制通道時(shí)間常數(shù)匹配的影響控制通道時(shí)間常數(shù)匹配的影響 實(shí)際生產(chǎn)過程中，廣義被控過程可近似看成由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。實(shí)際生產(chǎn)過程中，廣義被控過程可近似看成由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。以三階為例以三階為例 ) 1)(1)(1()(32100sTsTsTKsG系統(tǒng)傳函為：系統(tǒng)傳函為：Beijing University of Posts and Telecommunications18:0519相應(yīng)的臨界穩(wěn)定增益相應(yīng)的臨界穩(wěn)定增益 KK為為3113122332212T

13、TTTTTTTTTTTKK的大小完全取決于的大小完全取決于 KK1T2T3T三個(gè)時(shí)間常數(shù)的相對(duì)比值三個(gè)時(shí)間常數(shù)的相對(duì)比值 可以證明：時(shí)間常數(shù)相差越大，臨界穩(wěn)定的增益則越大，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)可以證明：時(shí)間常數(shù)相差越大，臨界穩(wěn)定的增益則越大，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是利的。定性是利的。 在保持穩(wěn)定性相同的情況下，時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開得越多，系統(tǒng)開環(huán)增益就在保持穩(wěn)定性相同的情況下，時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開得越多，系統(tǒng)開環(huán)增益就允許增大得越多，因而對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越有利。允許增大得越多，因而對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越有利。Beijing University of Posts and Telecommunications18:05205

14、.2.2.2 5.2.2.2 控制參數(shù)的確定控制參數(shù)的確定 簡單控制系統(tǒng)控制參數(shù)選擇的一般性原則如下：簡單控制系統(tǒng)控制參數(shù)選擇的一般性原則如下： 1) 1) 選擇結(jié)果應(yīng)使控制通道的靜態(tài)增益選擇結(jié)果應(yīng)使控制通道的靜態(tài)增益 0K盡可能大，時(shí)間常數(shù)盡可能大，時(shí)間常數(shù) 0T選擇適當(dāng)。選擇適當(dāng)。 2) 2) 控制通道的純時(shí)延時(shí)間控制通道的純時(shí)延時(shí)間 0應(yīng)盡可能小應(yīng)盡可能小, , 0T0和和的比值一般應(yīng)小于的比值一般應(yīng)小于0.30.3。 3) 3) 干擾通道的靜態(tài)增益干擾通道的靜態(tài)增益 fK應(yīng)盡可能??；時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能??；時(shí)間常數(shù) fT應(yīng)盡可能大，其個(gè)數(shù)應(yīng)盡可能大，其個(gè)數(shù)盡可能多；擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置應(yīng)盡可

15、能遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥。盡可能多；擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥。這樣選擇對(duì)抑制擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響均有利。這樣選擇對(duì)抑制擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響均有利。 4) 4) 當(dāng)廣義被控過程由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法使幾個(gè)時(shí)間當(dāng)廣義被控過程由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法使幾個(gè)時(shí)間常數(shù)中的最大與最小的比值盡可能大，以便盡可能提高系統(tǒng)的可控性。常數(shù)中的最大與最小的比值盡可能大，以便盡可能提高系統(tǒng)的可控性。Beijing University of Posts and Telecommunications18:05215.2.3 5.2.3 被控參數(shù)的測量與變送被

16、控參數(shù)的測量與變送 在控制系統(tǒng)中，測量變送環(huán)節(jié)的作用是將被控參數(shù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在控制系統(tǒng)中，測量變送環(huán)節(jié)的作用是將被控參數(shù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反饋給調(diào)節(jié)器。該環(huán)節(jié)的特性可近似表示為反饋給調(diào)節(jié)器。該環(huán)節(jié)的特性可近似表示為smesTKsXsYmm1)()(分別為測量及變送環(huán)節(jié)的靜態(tài)增益、時(shí)間常數(shù)和純時(shí)延時(shí)間。分別為測量及變送環(huán)節(jié)的靜態(tài)增益、時(shí)間常數(shù)和純時(shí)延時(shí)間。 mKmTm測量及變送環(huán)節(jié)是一個(gè)帶有純時(shí)延的慣性環(huán)節(jié)，因而當(dāng)測量及變送環(huán)節(jié)是一個(gè)帶有純時(shí)延的慣性環(huán)節(jié)，因而當(dāng) mTm不為零時(shí)不為零時(shí)它的輸出不能及時(shí)地反映被測信號(hào)的變化，二者之間必然存在動(dòng)態(tài)偏差。它的輸出不能及時(shí)地反映被測信號(hào)的變化，

17、二者之間必然存在動(dòng)態(tài)偏差。 而且這種動(dòng)態(tài)偏差并不會(huì)因?yàn)闄z測儀表的精度等級(jí)的提高而減小或消除。而且這種動(dòng)態(tài)偏差并不會(huì)因?yàn)闄z測儀表的精度等級(jí)的提高而減小或消除。 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0522下圖是測量變送環(huán)節(jié)在階躍信號(hào)作用和速度信號(hào)作用時(shí)的響應(yīng)曲線下圖是測量變送環(huán)節(jié)在階躍信號(hào)作用和速度信號(hào)作用時(shí)的響應(yīng)曲線: : 從圖中可以看到只要從圖中可以看到只要 mTm存在，存在， 動(dòng)態(tài)偏差就會(huì)必然存在。動(dòng)態(tài)偏差就會(huì)必然存在。 Beijing University of Posts and Telecommunications

18、18:0523為了減小測量信號(hào)與被控參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)偏差，應(yīng)盡可能選擇快速測量儀表，為了減小測量信號(hào)與被控參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)偏差，應(yīng)盡可能選擇快速測量儀表，并且注意以下幾點(diǎn)問題：并且注意以下幾點(diǎn)問題：1) 1) 應(yīng)盡可能做到對(duì)測量儀表的正確安裝，這是因?yàn)榘惭b不當(dāng)會(huì)引起不必要的應(yīng)盡可能做到對(duì)測量儀表的正確安裝，這是因?yàn)榘惭b不當(dāng)會(huì)引起不必要的測量誤差，降低儀表的測量精度；測量誤差，降低儀表的測量精度；2) 2) 對(duì)測量信號(hào)應(yīng)進(jìn)行濾波和線性化處理；對(duì)測量信號(hào)應(yīng)進(jìn)行濾波和線性化處理；3) 3) 對(duì)純滯后要盡可能進(jìn)行補(bǔ)償；對(duì)純滯后要盡可能進(jìn)行補(bǔ)償； 4) 4) 對(duì)時(shí)間常數(shù)對(duì)時(shí)間常數(shù) mT的影響要盡可能消除。為

19、了克服其影響，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，的影響要盡可能消除。為了克服其影響，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以盡量選用快速測量儀表，也可以在測量變送環(huán)節(jié)的輸出端串聯(lián)微分環(huán)節(jié)可以盡量選用快速測量儀表，也可以在測量變送環(huán)節(jié)的輸出端串聯(lián)微分環(huán)節(jié) 示意圖：示意圖： 輸出與輸入關(guān)系輸出與輸入關(guān)系 1) 1()()(sTsTKsxsymDmBeijing University of Posts and Telecommunications18:0524理想理想PIDPID的增量式數(shù)學(xué)表達(dá)式的增量式數(shù)學(xué)表達(dá)式 ：dttdeTdtteTteKtuDIc)()(1)()()(tu為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，)(te為被控參

20、數(shù)與給定值之差。為被控參數(shù)與給定值之差。 傳遞函數(shù)形式：傳遞函數(shù)形式：第一項(xiàng)為比例（第一項(xiàng)為比例（P P）部分，第二項(xiàng)為積分（）部分，第二項(xiàng)為積分（I I）部分，第三項(xiàng)為微分（）部分，第三項(xiàng)為微分（D D）部分；）部分；cK為調(diào)節(jié)器的比例增益，為調(diào)節(jié)器的比例增益，IT為積分時(shí)間（以為積分時(shí)間（以s s或或minmin為單位）為單位）DT為微分時(shí)間（也以為微分時(shí)間（也以s s或或minmin為單位）。為單位）。 5.2.4 5.2.4 調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響及其選擇調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響及其選擇 PIDPID： 原理簡單、使用方便、魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性廣原理簡單、使用方便、魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性廣 )

21、11 ()()()(STTKsEsUsGDIccBeijing University of Posts and Telecommunications18:05251 1比例（比例（P P）調(diào)節(jié)規(guī)律的影響）調(diào)節(jié)規(guī)律的影響 eKuCu u為調(diào)節(jié)器的輸出為調(diào)節(jié)器的輸出e e為調(diào)節(jié)器的輸入為調(diào)節(jié)器的輸入 CK為比例增益為比例增益 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0526如果如果e = 0e = 0，則活塞無法提高，則活塞無法提高，Q Q1 1無法加大，調(diào)節(jié)無法進(jìn)行。無法加大，調(diào)節(jié)無法進(jìn)行。例例 自力式水位比例控制系統(tǒng)自力式水位比

22、例控制系統(tǒng)浮球?yàn)樗粋鞲衅鳎軛U為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時(shí)刻浮球?yàn)樗粋鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時(shí)刻Q Q2 2加加大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，使大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，使Q Q1 1加大阻止水位下降。加大阻止水位下降。杠桿杠桿a a、b b之比例關(guān)系，決定調(diào)節(jié)作用強(qiáng)弱。之比例關(guān)系，決定調(diào)節(jié)作用強(qiáng)弱。CyK eBeijing University of Posts and Telecommunications18:0527Q Q2 2h ht te ep pQ Q1 1t tt tt tt t原來系統(tǒng)處于平衡，進(jìn)水量與出水量原來系統(tǒng)處于平衡，進(jìn)

23、水量與出水量相等，此時(shí)進(jìn)水閥有一開度。相等，此時(shí)進(jìn)水閥有一開度。t=0t=0時(shí)，出水量階躍增加，引起液位時(shí)，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球下移帶動(dòng)進(jìn)水閥開大。下降，浮球下移帶動(dòng)進(jìn)水閥開大。當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等時(shí)，系當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等時(shí)，系統(tǒng)重新平衡，液位也不再變化。統(tǒng)重新平衡，液位也不再變化。 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0528eKuC習(xí)慣用比例增益的倒數(shù)表示習(xí)慣用比例增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比例關(guān)系例關(guān)系eu11100%CK稱為比例度稱為比例度 Beijing

24、 University of Posts and Telecommunications18:0529所謂比例度就是指控制器輸入偏差的相對(duì)變化值與相應(yīng)的輸出相對(duì)變所謂比例度就是指控制器輸入偏差的相對(duì)變化值與相應(yīng)的輸出相對(duì)變化值之比，用百分?jǐn)?shù)表示?；抵?，用百分?jǐn)?shù)表示。maxminmaxmineu(/) 100%eeuu 式中式中e e為輸入偏差；為輸入偏差；u u為控制器輸出的變化量；為控制器輸出的變化量；（e emaxmax - e - eminmin）為）為輸入輸入的最大變化量的最大變化量, ,及輸入量程；及輸入量程；（u umaxmax u uminmin）為輸出的最大變化量，即控制器的

25、輸出量程。）為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。比例度除了表示控制器輸入和輸出之間的增益外，還表明比例作用的比例度除了表示控制器輸入和輸出之間的增益外，還表明比例作用的有效區(qū)間。有效區(qū)間。Beijing University of Posts and Telecommunications18:0530比例度比例度的物理意義：的物理意義：使控制器輸出變化使控制器輸出變化100%100%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變化相對(duì)量。如時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變化相對(duì)量。如 =50%=50%表明：表明：輸入偏差變化輸入偏差變化50% 50% ，就可使，就可使控制器輸出變化控制器輸出變化100%100%，若輸，若輸入偏差變

26、化超過此量，則控入偏差變化超過此量，則控制器輸出飽和，不再符合比制器輸出飽和，不再符合比例關(guān)系。例關(guān)系。u ue ee er r0 0100%100%50%50%e emaxmaxe eminmin =50%=50% =100%=100%Beijing University of Posts and Telecommunications18:0531例例 某比例控制器，溫度控制范圍為某比例控制器，溫度控制范圍為400400800800，輸出信號(hào)范圍是，輸出信號(hào)范圍是4 420mA20mA。當(dāng)指示指針從。當(dāng)指示指針從600600變到變到700700時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從8m

27、A8mA變?yōu)樽優(yōu)?6mA16mA。求設(shè)定的比例度。求設(shè)定的比例度。700 60016 8800 40020 4/100%解解maxmaxeueu/100%50%答答 溫度的偏差在輸入量程的溫度的偏差在輸入量程的5050區(qū)間內(nèi)區(qū)間內(nèi)（即（即200200）時(shí)）時(shí)，e e和和u u是是2 2倍的關(guān)系。倍的關(guān)系。u/mAu/mAe/e/e e4 4202080080040040016168 8600600 700700Beijing University of Posts and Telecommunications18:0532 振蕩逐漸加劇振蕩逐漸加劇越小，控制過程曲線越越小，控制過程曲線越振蕩，

28、周期縮短。振蕩，周期縮短。越大，控制過程曲線越越大，控制過程曲線越平穩(wěn)，但控制過程時(shí)間平穩(wěn)，但控制過程時(shí)間越長，余差也越大。越長，余差也越大。Beijing University of Posts and Telecommunications18:0533對(duì)下圖的比例調(diào)節(jié)作用于一階慣性過程進(jìn)行分析：對(duì)下圖的比例調(diào)節(jié)作用于一階慣性過程進(jìn)行分析：111)1 ()()(0000TsKsKKTKKKKsRsCCCCCCCKKTTKKKKK00001,1T與與0T相比，減小了相比，減小了 0(1)CK K倍，倍， CK越大，越大，說明過程的慣性越小，因而響應(yīng)速度加快。說明過程的慣性越小，因而響應(yīng)速度加快

29、。的增大則會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。的增大則會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。CK但但 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0534當(dāng)被控對(duì)象為慣性特性時(shí)，單純比例調(diào)節(jié)有如下結(jié)論：當(dāng)被控對(duì)象為慣性特性時(shí)，單純比例調(diào)節(jié)有如下結(jié)論： 1) 1) 比例調(diào)節(jié)是一種有差調(diào)節(jié)，即當(dāng)調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)，不可避免地比例調(diào)節(jié)是一種有差調(diào)節(jié)，即當(dāng)調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)，不可避免地會(huì)使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。這是因?yàn)楸壤{(diào)節(jié)器是利用偏差實(shí)現(xiàn)控制的，它會(huì)使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。這是因?yàn)楸壤{(diào)節(jié)器是利用偏差實(shí)現(xiàn)控制的，它只能使系統(tǒng)輸出近似跟蹤給定值。只能使系統(tǒng)輸出近似

30、跟蹤給定值。2) 2) 比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差隨比例度的增大而增大，若要減小誤差，則要減比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差隨比例度的增大而增大，若要減小誤差，則要減小比例度，即需要增大調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)小比例度，即需要增大調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)CK這樣往往會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性這樣往往會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性 Beijing University of Posts and Telecommunications18:05353) 3) 對(duì)于慣性過程，當(dāng)給定值不變時(shí)，采用比例調(diào)節(jié)，對(duì)于慣性過程，當(dāng)給定值不變時(shí)，采用比例調(diào)節(jié)，只能使被控參數(shù)對(duì)只能使被控參數(shù)對(duì)給定值實(shí)現(xiàn)有差跟蹤；當(dāng)給定值隨時(shí)間變化時(shí)，其跟誤差將會(huì)隨時(shí)間的增給定值實(shí)現(xiàn)有

31、差跟蹤；當(dāng)給定值隨時(shí)間變化時(shí)，其跟誤差將會(huì)隨時(shí)間的增大而增大。因此，比例調(diào)節(jié)不適用于給定值隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。大而增大。因此，比例調(diào)節(jié)不適用于給定值隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。 4) 4) 增大比例調(diào)節(jié)的增益增大比例調(diào)節(jié)的增益 CK不僅可以減小系統(tǒng)的不僅可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，而且穩(wěn)態(tài)誤差，而且還可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。還可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。Beijing University of Posts and Telecommunications18:05362.2.積分（積分（I I）調(diào)節(jié)規(guī)律的影響）調(diào)節(jié)規(guī)律的影響在積分調(diào)節(jié)（簡稱在積分調(diào)節(jié)（簡稱I I調(diào)節(jié)）中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)）中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u

32、 u與輸入偏差信號(hào)與輸入偏差信號(hào)e e的積分成的積分成正比關(guān)系正比關(guān)系: :001uSttIIedtedtT當(dāng)輸入偏差當(dāng)輸入偏差e e是幅值為是幅值為e e 的階躍時(shí)：的階躍時(shí)：01euetIIdttTTeEttuBeijing University of Posts and Telecommunications18:0537 積分時(shí)間積分時(shí)間T TI I 對(duì)過渡過程的影響對(duì)過渡過程的影響T TI I越大，積分作用越弱，越大，積分作用越弱， T TI I = = ，積分作用為零。積分作用為零。T TI I減小，積分作用增減小，積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降

33、。如果如果T T1 1適當(dāng)，系統(tǒng)能很快消除余差。適當(dāng)，系統(tǒng)能很快消除余差。001uSttIIedtedtTBeijing University of Posts and Telecommunications18:0538當(dāng)被控系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，系統(tǒng)的靜差雖然已不存在，當(dāng)被控系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，系統(tǒng)的靜差雖然已不存在，但調(diào)節(jié)閥卻會(huì)停留在新的開度上不變。但調(diào)節(jié)閥卻會(huì)停留在新的開度上不變。 積分調(diào)節(jié)是犧牲了動(dòng)態(tài)品質(zhì)而使穩(wěn)態(tài)性能得到改善的。積分調(diào)節(jié)是犧牲了動(dòng)態(tài)品質(zhì)而使穩(wěn)態(tài)性能得到改善的。 積分調(diào)節(jié)可得如下結(jié)論：積分調(diào)節(jié)可得如下結(jié)論： 1) 1) 采用積分調(diào)節(jié)可以提高系統(tǒng)的

34、無差度，也即提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。采用積分調(diào)節(jié)可以提高系統(tǒng)的無差度，也即提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。 2) 2) 與比例調(diào)節(jié)相比，積分調(diào)節(jié)的過渡過程變化相對(duì)緩慢，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。與比例調(diào)節(jié)相比，積分調(diào)節(jié)的過渡過程變化相對(duì)緩慢，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。Beijing University of Posts and Telecommunications18:0539實(shí)際應(yīng)用中，通常將積分調(diào)節(jié)和比例調(diào)節(jié)二者結(jié)合起來，實(shí)際應(yīng)用中，通常將積分調(diào)節(jié)和比例調(diào)節(jié)二者結(jié)合起來，組成所謂的組成所謂的PIPI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器，PIPI調(diào)節(jié)器的輸入調(diào)節(jié)器的輸入/ /輸出關(guān)系為：輸出關(guān)系為： )1(100tItICCedtTe

35、edtTKeKuCK1IT為積分時(shí)間。為積分時(shí)間。PIPI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 )11(1)()()(sTsEsUsGICPIPI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如右圖調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如右圖Beijing University of Posts and Telecommunications18:0540從上圖可以看出：從上圖可以看出：PIPI調(diào)節(jié)是將比例調(diào)節(jié)的快速反應(yīng)與積分調(diào)節(jié)的消除穩(wěn)態(tài)誤調(diào)節(jié)是將比例調(diào)節(jié)的快速反應(yīng)與積分調(diào)節(jié)的消除穩(wěn)態(tài)誤差功能相結(jié)合，從而能收到比較好的控制效果。但是，由于差功能相結(jié)合，從而能收到比較好的控制效果。但是，由于PIPI調(diào)節(jié)給系統(tǒng)增加調(diào)節(jié)給系統(tǒng)增加了相位滯后，

36、與單純比例調(diào)節(jié)相比，了相位滯后，與單純比例調(diào)節(jié)相比，PIPI調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性相對(duì)變差。調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性相對(duì)變差。此外，積分調(diào)節(jié)還有另外一個(gè)缺點(diǎn)，即只要偏差不為零，調(diào)節(jié)器就會(huì)不停地此外，積分調(diào)節(jié)還有另外一個(gè)缺點(diǎn)，即只要偏差不為零，調(diào)節(jié)器就會(huì)不停地積分使輸出增加（或減?。?，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)入深度飽和，調(diào)節(jié)器失積分使輸出增加（或減?。?，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)入深度飽和，調(diào)節(jié)器失去調(diào)節(jié)作用。因此，采用積分規(guī)律的調(diào)節(jié)器一定要防止積分飽和。去調(diào)節(jié)作用。因此，采用積分規(guī)律的調(diào)節(jié)器一定要防止積分飽和。Beijing University of Posts and Telecommunications18:0541積

37、分飽和特性積分飽和特性sTKsTKsGIIICC1111)(比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 稱為稱為PIPI調(diào)節(jié)器的積分增益，它調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出的最大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。變化之比。 IK)11(1)()()(sTsEsUsGICBeijing University of Posts and Telecommunications18:05423.3.微分（微分（D D）調(diào)節(jié)規(guī)律的影響）調(diào)節(jié)規(guī)律的影響微分調(diào)節(jié)器的輸入微分調(diào)節(jié)器的輸入/ /輸出關(guān)系為輸出關(guān)系為

38、 微分調(diào)節(jié)器的輸出與系統(tǒng)被調(diào)量偏差的變化率成正比。由于變化率能反映系統(tǒng)微分調(diào)節(jié)器的輸出與系統(tǒng)被調(diào)量偏差的變化率成正比。由于變化率能反映系統(tǒng)被調(diào)量的變化趨勢，因此，微分調(diào)節(jié)不是等被調(diào)量出現(xiàn)偏差之后才動(dòng)作，而是被調(diào)量的變化趨勢，因此，微分調(diào)節(jié)不是等被調(diào)量出現(xiàn)偏差之后才動(dòng)作，而是根據(jù)變化趨勢提前動(dòng)作。根據(jù)變化趨勢提前動(dòng)作。 u(t)DdeTdtT TD D 微分時(shí)間微分時(shí)間 dtde 偏差變化速度偏差變化速度 eettutuBeijing University of Posts and Telecommunications18:0543q 微分作用能超前控制。在偏差出微分作用能超前控制。在偏差出現(xiàn)或

39、變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。態(tài)之中。q微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無控制能力。當(dāng)偏差存在，但不變化時(shí)，微分輸微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無控制能力。當(dāng)偏差存在，但不變化時(shí)，微分輸出為零，因此不能單獨(dú)使用。必須和出為零，因此不能單獨(dú)使用。必須和P P或或PIPI結(jié)合，組成結(jié)合，組成PDPD控制或控制或PIDPID控制?？刂?。v 微分控制的特點(diǎn)微分控制的特點(diǎn)e eE Et tt tu uBeijing University of Posts and Telecommunications18:05444. PD4

40、. PD調(diào)節(jié)規(guī)律的影響調(diào)節(jié)規(guī)律的影響 u ut tT TD D2aT2aTD D/ /aTaTD D/ /e et ta a若偏差是系數(shù)為若偏差是系數(shù)為a a的斜坡信號(hào)的斜坡信號(hào): :ate )(1dtdeTeuD)(DTtau輸出輸出: :Beijing University of Posts and Telecommunications18:05454. PD4. PD調(diào)節(jié)規(guī)律的影響調(diào)節(jié)規(guī)律的影響 )1 (1dtdeTuDsKTsTKsGDDDCC11)(DK稱為稱為PDPD調(diào)節(jié)器的微分增益，它定義調(diào)節(jié)器的微分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大跳變

41、值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的最大跳變值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。輸出變化之比。 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0546u uu uu ut tt tt tu ut t T TD D較小，控制速度稍較小，控制速度稍有加快有加快 T TD D=0=0，純比例控，純比例控制過程制過程T TD D太大，出現(xiàn)等幅振太大，出現(xiàn)等幅振蕩蕩 T TD D合適，控制速度明合適，控制速度明顯加快顯加快 微分時(shí)間微分時(shí)間T TD D 對(duì)過渡過程的影響對(duì)過渡過程的影響)1 (1dtdeTuDBeijing University of Pos

42、ts and Telecommunications18:0547運(yùn)用控制理論的知識(shí)分析運(yùn)用控制理論的知識(shí)分析PDPD調(diào)節(jié)規(guī)律，可以得出以下結(jié)論：調(diào)節(jié)規(guī)律，可以得出以下結(jié)論： 1 1） PDPD調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)。這是因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)情況下，調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)。這是因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)情況下， dtde為零，微分部分不為零，微分部分不起作用，起作用，PDPD調(diào)節(jié)變成了調(diào)節(jié)變成了P P調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。2 2） PDPD調(diào)節(jié)能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抑制過渡過程的動(dòng)態(tài)偏差（或超調(diào)）。調(diào)節(jié)能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抑制過渡過程的動(dòng)態(tài)偏差（或超調(diào)）。 3 3） PDPD調(diào)節(jié)有利于減小系統(tǒng)靜差（穩(wěn)態(tài)誤差）、提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。調(diào)節(jié)有利于減小

43、系統(tǒng)靜差（穩(wěn)態(tài)誤差）、提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 4 4） PDPD調(diào)節(jié)的不足：首先，調(diào)節(jié)的不足：首先，PDPD調(diào)節(jié)一般只適用于時(shí)間常數(shù)較大或多容過調(diào)節(jié)一般只適用于時(shí)間常數(shù)較大或多容過程；不適用于流量、壓力等一些變化劇烈的過程。其次，當(dāng)微分作用太強(qiáng)程；不適用于流量、壓力等一些變化劇烈的過程。其次，當(dāng)微分作用太強(qiáng)較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的頻繁開啟，容易造成系統(tǒng)振蕩。較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的頻繁開啟，容易造成系統(tǒng)振蕩。 Beijing University of Posts and Telecommunications18:05485. PID5. PID調(diào)節(jié)規(guī)律的影響調(diào)節(jié)規(guī)律的影響 011()t

44、DIdeueedt TTdt其相應(yīng)的傳遞函數(shù)為其相應(yīng)的傳遞函數(shù)為: :)11 (1)(sTsTsGDIC由傳遞函數(shù)可知，由傳遞函數(shù)可知，PIDPID是比例、積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律的線性組合，是一種是比例、積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律的線性組合，是一種比較理想的復(fù)合調(diào)節(jié)規(guī)律。與比較理想的復(fù)合調(diào)節(jié)規(guī)律。與PDPD相比，相比，PIDPID提高了系統(tǒng)的無差度；與提高了系統(tǒng)的無差度；與PIPI相相比，比，PIDPID多了一個(gè)零點(diǎn)，為動(dòng)態(tài)性能的改善提供了可能。因此，多了一個(gè)零點(diǎn)，為動(dòng)態(tài)性能的改善提供了可能。因此，PIDPID兼顧兼顧了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面的控制要求。了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面的控制要求。 Beijing Unive

45、rsity of Posts and Telecommunications18:0549q PID PID控制控制比例作用是基礎(chǔ)控制；比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系統(tǒng)微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；控制速度；積分作用是用于消除靜差。積分作用是用于消除靜差。PIDPID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 Beijing University of Posts and Telecommunications18:0550控制系統(tǒng)在不同調(diào)節(jié)作用下的典型響應(yīng)如下：控制系統(tǒng)在不同調(diào)節(jié)作用下的典型響應(yīng)如下： 可以看到，如果不加控制，過程將緩慢地到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)值；當(dāng)采用比例控可以看到，如果不加控制，過程將緩慢地到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)值；當(dāng)采用比例控制后，則加快了過程的響應(yīng)，并減小了穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)加入積分控制作用后，則制后，則加快了過程的響應(yīng)，并減小了穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)加入積分控制作用后，則消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但卻容易使過程產(chǎn)生振蕩；在增加微分作用以后則可以減小消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但卻容易使過程產(chǎn)生振蕩；在增加微分作用以后則可以減小振蕩的程度和響應(yīng)時(shí)間。振蕩的程度和響應(yīng)時(shí)間。 雖然雖然PIDPID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果比較理想，但是調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果比較理想，但是PIDPID調(diào)節(jié)器要整定調(diào)節(jié)器要整定三個(gè)參數(shù)才能使系統(tǒng)