化工儀表第九章基本控制規(guī)律

1、第九章,基本控制規(guī)律,基本控制規(guī)律概述,控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號隨時(shí)間變化的規(guī)律。在單回路定值控制系統(tǒng)中，由于擾動(dòng)作用的存在，會使被控變量對給定值產(chǎn)生偏差，此偏差數(shù)值上等于被控變量測量值與給定值之差。即：,式中e偏差 Xi被控變量的測量值 Xg被控變量的給定值 控制器的輸出信號是相對于控制器輸入信號e的輸出的變化量y。如果輸入e與輸出y的變化方向相同，則稱控制器為正作用控制器；反之，如果輸入e與輸出y變化方向相反，則稱控制器為反作用控制器。,控制規(guī)律概述,調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律用數(shù)學(xué)表達(dá)式為：p=f(e),PID控制器的一般形式為：pf(e) 幾種常用控制規(guī)律的微分方程表達(dá)式可分別

2、表示為：,比例作用（P）,比例積分作用（PI）,比例微分作用（PD）,比例積分微分作用（PID）,KP控制器的比例增益； TI控制器的積分時(shí)間； TD控制器的微分時(shí)間；,PID控制規(guī)律的表示形式,一、位式控制,兩位式,雙位控制器,式中 p-為控制器的輸出; e-為控制器的輸入; KC為比例增益， 表征比例控制作用的強(qiáng)弱程度。,比例控制器的階躍響應(yīng)特性,比例控制規(guī)律,比例控制規(guī)律對控制過程的影響,比例控制的輸出與輸入的關(guān)系為,pKC e,通常習(xí)慣用比例增益的倒數(shù)即比例度表示控制器的輸入與輸出之間的比例關(guān)系以及比例作用的強(qiáng)弱。比例度可表示為 =1/KC,越大，比例控制作用越弱，越小，比例控制作用越

3、強(qiáng)。,比 例 度 對 控 制 過 程 的 影 響,比例度的選擇原則: 若對象的滯后較小，時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小，那么可以選擇小的比例度來提高系統(tǒng)的靈敏度，從而使過渡過程曲線的形狀較好。反之，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要選擇大的比例度來保證穩(wěn)定。,積分作用數(shù)學(xué)表達(dá)式為,比例積分控制規(guī)律,比例積分控制規(guī)律對控制過程的影響,式中TI是積分常數(shù)， 表示積分速度的大小和積分作用的強(qiáng)弱。,積分作用能夠消除余差,與比例控制相比，積分控制過渡過程比較緩慢,PID控制規(guī)律對控制過程的影響,在階躍信號作用下（幅值為A),PI輸出響應(yīng)由比例和積分兩部分組成 當(dāng) t=TI y= 2KPA,PI控制器的輸出隨時(shí)間變化

4、的表達(dá)式為,由此可確定積分常數(shù)。,積分常數(shù)越大，積分作用越小，反之，積分作用越大。,積分時(shí)間TI的物理意義：在階躍信號作用下，控制器積分作用的輸出等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。,PID控制規(guī)律對控制過程的影響,積 分 時(shí) 間 對 過 渡 過 程 的 影 響,左圖表示在同樣比例度下積分時(shí)間對過渡過程的影響。由圖中曲線可以看出，TI過大時(shí)積分作用不明顯，余差消除地也慢，從圖中曲線、可以看出，TI較小時(shí)易于消除余差，但系統(tǒng)的振蕩加劇。相比之下，曲線就比較理想。,理想微分控制器的輸出與輸入信號的關(guān)系為：,在階躍信號輸入的瞬間，控制器的輸出為無窮大，其余時(shí)間輸出為零。,e,t0,t0,t,t,比例微分

5、控制規(guī)律,比例微分控制規(guī)律對過渡過程的影響,比例微分輸出的大小與偏差變化速度及微分時(shí)間成正比。微分時(shí)間越長，微分作用越強(qiáng)。,微分時(shí)間,對PID控制器而言，當(dāng)積分時(shí)間TI時(shí)，控制器呈PD控制特性。此時(shí)輸出與輸入的關(guān)系如式所示。,理想PD控制器的階躍響應(yīng)曲線,比例微分控制規(guī)律,微 分 時(shí) 間 對 過 渡 過 程 的 影 響,PD控制優(yōu)點(diǎn)：能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)改善過程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，抑制過渡過程的最大動(dòng)態(tài)偏差，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 PD控制不足之處： 一般只適應(yīng)于時(shí)間常數(shù)較大或多容過程的調(diào)節(jié)控制，而不適用于流量、壓力等一些變化劇烈的過程。其次，當(dāng)微分作用太強(qiáng)時(shí)會導(dǎo)致系統(tǒng)中的控制閥頻繁開啟，容易造成系統(tǒng)振蕩。 PD控制一般總是以比例動(dòng)作為主，微分動(dòng)作為輔。,PID控制規(guī)律吸取了比例控制的快速反應(yīng)功能、積分控制的消除余差功能和微分控制的預(yù)測功能，從控制效果看，是比較理想的一種控制規(guī)律。階躍響應(yīng)特性可以看作是PI階躍響應(yīng)曲線PD階躍響應(yīng)曲線的疊加。 PID三作用控制器雖然性能效果比較理想，但并非任何情況下都可采用PID三作用控制器。因?yàn)镻ID三作用控制器需要整定比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間三個(gè)變量，而在實(shí)際工程上是很難將這三個(gè)變量都整定到最佳值。,PID階躍響應(yīng)特性曲線,PID控制規(guī)律對控制過程的影響,比例積分微分控制規(guī)律,比例微積分調(diào)節(jié),理想的比例微積分調(diào)節(jié)（PID