第八章第一节单回路控制系统的设计.ppt

第八章第八章 第一第一节节 单单回路控制系回路控制系统设计统设计本章要点本章要点1 1）了解）了解简单简单控制系控制系统统的的设计设计任任务务及开及开发发步步骤骤；2 2）熟悉被控）熟悉被控过过程特性程特性对对控制控制质质量的影响，掌握量的影响，掌握被控参数、控制参数的被控参数、控制参数的设计设计原原则则；3 3）了解）了解调节规调节规律律对对控制控制质质量的影响，熟悉量的影响，熟悉调节调节规规律的律的选择选择方法；方法；4 4）掌握）掌握调节调节器作用方式的器作用方式的选择选择 5 5）熟悉熟悉执执行器的行器的选择选择方法及注意的方法及注意的问题问题；6 6）掌握）掌握调节调节器参数的整定方法与器参数的整定方法与实验实验技能，重技能，重点掌握点掌握调节调节器参数的整定方法。器参数的整定方法。一、概述一、概述简单简单控制系控制系统统是只是只对对一个被控参数一个被控参数进进行控制的行控制的单单回路回路闭环闭环控制系控制系统统。是最基。是最基本的本的过过程控制系程控制系统统。是构成复。是构成复杂过杂过程控制系程控制系统统的基的基础础。典型典型结结构框构框图图如下：如下：1、控制系控制系统设计统设计的任的任务务如上如上图图所示，所示，简单过简单过程控制系程控制系统统主要由主要由被控被控过过程、程、过过程程检测检测和控制和控制仪仪表表组组成成 过过程控制系程控制系统设计统设计的的主要任主要任务务就在于如何确定合理的控制方案、就在于如何确定合理的控制方案、选择选择正确的正确的参数参数检测检测方法与方法与检测仪检测仪表以及表以及过过程控制程控制仪仪表的表的选选型和型和调节调节器的参数整定等等器的参数整定等等 其中，其中，控制方案的确定控制方案的确定、仪仪表的表的选选型型和和调节调节器器的参数整定是的参数整定是过过程控制系程控制系统统设计设计的重要内容。的重要内容。2 2、过过程控制系程控制系统统开开发发的主要步的主要步骤骤叙述如下：叙述如下：1 1熟悉控制系熟悉控制系统统的技的技术术要求或性能指要求或性能指标标控制系控制系统统的技的技术术要求或性能指要求或性能指标标是由用是由用户户或被控或被控过过程的程的设计设计制造制造单单位提出的。位提出的。是控制方案是控制方案设计设计的主要依据之一。的主要依据之一。2建立控制系建立控制系统统的数学模型的数学模型控制系控制系统统的数学模型是控制系的数学模型是控制系统统理理论论分析和分析和设计设计的基的基础础。系系统统控制方案确定的合理与否在很大程度上取决于系控制方案确定的合理与否在很大程度上取决于系统统数学模型的精度。数学模型的精度。3 3确定控制方案确定控制方案 系系统统的控制方案包括的控制方案包括系系统统的构成的构成、控制方式控制方式和和控制控制规规律律的确定，是控制系的确定，是控制系统统设计设计的关的关键键。控制方案的确定要依据控制方案的确定要依据被控被控过过程的特性程的特性、技技术术指指标标和控制任和控制任务务的要求，的要求，还还要考要考虑虑方案的方案的简单简单性性、经济经济性性及及技技术实术实施施的可行性等，并且要的可行性等，并且要进进行反复研究与比行反复研究与比较较，方可确定。，方可确定。4根据系根据系统统的的动态动态和静和静态态特性特性进进行分析与行分析与综综合合 在确定了系在确定了系统统控制方案的基控制方案的基础础上，根据上，根据要求的技要求的技术术指指标标和系和系统统的的动动、静、静态态特性特性进进行分析与行分析与综综合，以确定各合，以确定各组组成成环节环节的有关参数。的有关参数。5系系统统仿真与仿真与实验实验研究研究 系系统统仿真与仿真与实验实验研究是研究是检验检验系系统统理理论论分析与分析与综综合正确与否的重要步合正确与否的重要步骤骤。其中其中Matlab语语言言是是进进行系行系统统仿真的有效工具。仿真的有效工具。6工程化工程化设计设计 工程化工程化设计设计的主要内容包括的主要内容包括测测量方式与量方式与测测量点量点的确定的确定、仪仪器器仪仪表的表的选选型与定型与定购购、控制室及控制室及仪仪表表盘盘的的设计设计、仪仪表供表供电电与供气系与供气系统统的的设计设计、信信号号连锁连锁与安全保与安全保护护系系统统的的设计设计、电缆电缆的敷的敷设设以以及及保保证证系系统统正常运行的有关正常运行的有关软软件的件的设计设计等。等。7工程安装工程安装 工程安装是依据施工工程安装是依据施工图对图对控制系控制系统统的具体的具体实实施。施。8控制器的参数控制器的参数调调整整 控制器的参数控制器的参数调调整是在控制方案整是在控制方案设计设计合理、合理、仪仪器器仪仪表工作正常、系表工作正常、系统统安装正确无安装正确无误误的前提下的前提下，使系，使系统统运行在最佳状运行在最佳状态态的重要步的重要步骤骤。一个一个简单简单控制系控制系统统开开发设计发设计的全的全过过程如右程如右图图所示所示 3 3、设计设计中需要注意的有关中需要注意的有关问题问题 1认认真熟悉真熟悉过过程特性程特性 深入了解被控深入了解被控过过程的工程的工艺艺特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一。2明确各生明确各生产环节产环节之之间间的的约约束关系束关系 生生产过产过程是由各个生程是由各个生产环节产环节和工和工艺设备艺设备构成的，各个生构成的，各个生产环节产环节和工和工艺设备艺设备之之间间通常都存在相互制通常都存在相互制约约、相互影响的关系。、相互影响的关系。3重重视对测视对测量信号的量信号的预处预处理理 在控制系在控制系统设计统设计中，中，测测量信号的正确与否直接影响系量信号的正确与否直接影响系统统的控制的控制质质量。尽量量。尽量减少由不可避免的随即干减少由不可避免的随即干扰扰而而产产生的系生的系统误统误差差 4注意系注意系统统的安全保的安全保护护 一个好的一个好的过过程控制系程控制系统统首先必首先必须须保保证证安全可靠地运行，尤其当系安全可靠地运行，尤其当系统处统处在高在高危危险环险环境下运行境下运行时时，应设计应设计多多层层次、多次、多级别级别的安全保的安全保护护系系统统。总总之，控制系之，控制系统统的的设计设计是一件是一件细细致而又复致而又复杂杂的工作，的工作，对对具体的具体的过过程控制系程控制系统统设计设计者而言，只有通者而言，只有通过认过认真真调查调查研究，熟悉各个生研究，熟悉各个生产产工工艺过艺过程，具体程，具体问题问题具具体分析，才能体分析，才能获获得得预预期的效果。期的效果。二、二、单单回路控制系回路控制系统统方案方案设计设计控制方案的确定主要包括控制方案的确定主要包括系系统统被控参数的被控参数的选择选择、测测量信息的量信息的获获取及取及变变送、送、控制参数的控制参数的选择选择、调节规调节规律的律的选选取、取、调节阀调节阀（执执行器）的行器）的选择选择和和调节调节器正器正、反作用的确定等内容。、反作用的确定等内容。（一）（一）被控参数的被控参数的选选取取 被控参数的被控参数的选选取取对对于提高于提高产产品品质质量、安全生量、安全生产产以及生以及生产过产过程的程的经济经济运行等都运行等都具有决定性的意具有决定性的意义义。这这里里给给出被控参数出被控参数选选取的一般性原取的一般性原则则：1）对对于具体的生于具体的生产过产过程，程，应应尽可能尽可能选选取取对产对产品品质质量和量和产产量、安全生量、安全生产产、经济经济运行以及运行以及环环境保境保护护等具有决定性作用的、可直接参数作等具有决定性作用的、可直接参数作为为被控参数被控参数。2）当）当难难以用直接参数作以用直接参数作为为被控参数被控参数时时，应选应选取与直接参数有取与直接参数有单值单值函数关系的函数关系的所所谓间谓间接参数作接参数作为为被控参数。被控参数。3）当采用）当采用间间接参数接参数时时，该该参数参数对产对产品品质质量量应应具有足具有足够够高的控制灵敏度，否高的控制灵敏度，否则则难难以保以保证对产证对产品品质质量的控制效果。量的控制效果。4）被控参数的）被控参数的选选取取还应还应考考虑虑工工艺艺上的合理性和所用上的合理性和所用测测量量仪仪表的性能、价格、表的性能、价格、售后服售后服务务等因素等因素。对对于一个已于一个已经经运行的生运行的生产过产过程，被控参数往往是由工程，被控参数往往是由工艺艺要求事先确定的。要求事先确定的。（二）（二）控制参数的控制参数的选择选择 1 过过程特性程特性对对控制控制质质量的影响量的影响(1)干干扰扰通道特性通道特性对对控制控制质质量的影响量的影响对对于于简单过简单过程控制系程控制系统统，可求得系，可求得系统输统输出与干出与干扰扰之之间间的的传递传递函数函数为为 假假设设为为一一单单容容过过程，其程，其传递传递函数函数为为 若若单单容容过过程具有程具有纯时纯时延延时间时间则则：则则：分析干分析干扰扰通道特性通道特性对对控制控制质质量的影响如下量的影响如下:(式式1)(式式2)(式式3)1)干干扰扰通道通道 的影响：的影响：由式由式2可知当可知当越大，由干越大，由干扰扰引起的引起的输输出也越大，被控参数偏离出也越大，被控参数偏离给给定定值值就越多。就越多。在系在系统设计时应统设计时应尽可能尽可能选择选择静静态态增益增益 小的干小的干扰扰通道，以减小干通道，以减小干扰对扰对被控参数被控参数的影响。当的影响。当 无法被改无法被改变时变时，应应当增当增强强控制作用或采用干控制作用或采用干扰补偿扰补偿的方法。的方法。2)2)干干扰扰通道通道 的影响的影响由式由式2可知，可知，为惯为惯性性环节环节，对对干干扰扰 具有具有“滤滤波波”作用，作用，越大，越大，“滤滤波波”效果越明效果越明显显，因此干，因此干扰扰通道的通道的时间时间常数越大，干常数越大，干扰对扰对被控参数的被控参数的动态动态影响就越影响就越小，因而越有利于系小，因而越有利于系统统控制控制质质量的提高。量的提高。3)3)干干扰扰通道通道 的影响的影响由式由式3可知，可知，的存在，的存在，仅仅仅仅使干使干扰扰引起的引起的输输出推出推迟迟了一段了一段时间时间 因此，因此，的存在并不影响系的存在并不影响系统统的控制的控制质质量。量。4)4)干干扰进扰进入系入系统统位置的影响位置的影响 假定假定不是在不是在 之后，而是在之后，而是在 之前之前进进入系入系统统，则则有有(式式4)将式将式4与式与式2相比，多了一个相比，多了一个滤滤波波项项。这这表明干表明干扰扰多多经过经过一次一次滤滤波才波才对对被控参数被控参数产产生生动态动态影响。从影响。从动态动态看，看，这对这对提高系提高系统统的抗干的抗干扰扰性能是有利的。因此干性能是有利的。因此干扰进扰进入系入系统统的位置越的位置越远远离被控参数，离被控参数，对对系系统统的的动态动态控制控制质质量越有利。但从静量越有利。但从静态态看，看，这这会使干会使干扰扰引起被控参数偏离引起被控参数偏离给给定定值值的偏差相的偏差相对对增大，增大，这对这对系系统统的控制品的控制品质质又又是不利的。因此需要是不利的。因此需要权权衡它衡它们们的利弊。的利弊。2.控制通道特性控制通道特性对对控制控制质质量的影响量的影响(1)控制通道控制通道 的影响的影响 在在调节调节器增益器增益 一定的条件下，当控制通道静一定的条件下，当控制通道静态态增益增益 越大越大时时，则则控制作用控制作用越越强强，克服干，克服干扰扰的能力也越的能力也越强强，系，系统统的的稳态误稳态误差就越小；与此同差就越小；与此同时时，当，当，被控参数，被控参数对对控制作用的反控制作用的反应应就越灵敏，响就越灵敏，响应应越迅速。但是，当越迅速。但是，当调节调节器静器静态态增增越大越大益益 一定一定越大越大时时，系，系统统的开的开环环增益也越大，增益也越大，这对这对系系统统的的闭环稳闭环稳定性是不利定性是不利的。因此，在系的。因此，在系统设计时统设计时，应综应综合考合考虑虑系系统统的的稳稳定性、快速性和定性、快速性和稳态误稳态误差差三方三方面的要求。面的要求。(2)控制通道控制通道 的影响的影响 如果控制通道的如果控制通道的时间时间常数常数 太大，太大，则调节则调节器器对对被控参数被控参数变变化的化的调节调节作用就不作用就不够够及及时时，系，系统统的的过过渡渡过过程程时间时间就会延就会延长长，最，最终导终导致控制致控制质质量下降；但当量下降；但当 太小，太小，则调则调节过节过程又程又过过于灵敏，容易引起振于灵敏，容易引起振荡荡，同，同样难样难以保以保证证控制控制质质量。在系量。在系统设计时统设计时，应应使控制通道的使控制通道的时间时间常数常数 既不能太大也不能太小。既不能太大也不能太小。(3)控制通道控制通道 的影响的影响 控制通道控制通道纯纯滞后滞后时间时间 产产生的原因：生的原因：一是由信号一是由信号传输传输滞后所致；滞后所致；二是由信号的二是由信号的测测量量变变送滞后所致；送滞后所致；三是三是执执行器的行器的动动作滞后所致。作滞后所致。控制通道的控制通道的纯纯滞后，都会使系滞后，都会使系统统的的动态动态偏差增大，超偏差增大，超调调量增加，最量增加，最终导终导致控制致控制质质量下降。从系量下降。从系统统的的频频率特性率特性分析可知，控制通道分析可知，控制通道纯纯滞后的存在，会增加开滞后的存在，会增加开环环频频率特性的相角滞后，率特性的相角滞后，导导致系致系统统的的稳稳定性降低。因此，无定性降低。因此，无论论如何，如何，应应减小控制减小控制通道的通道的纯纯滞后，以利于提高系滞后，以利于提高系统统的控制的控制质质量。量。(4)控制通道控制通道时间时间常数匹配的影响常数匹配的影响 实际实际生生产过产过程中，广程中，广义义被控被控过过程可近似看成由几个一程可近似看成由几个一阶惯阶惯性性环节环节串串联联而成。而成。以三以三阶为阶为例例 相相应应的的临临界界稳稳定增益定增益 为为的大小完全取决于的大小完全取决于 三个三个时间时间常数的相常数的相对对比比值值 可以可以证证明：明：时间时间常数相差越大，常数相差越大，临临界界稳稳定的增益定的增益则则越大，越大，这对这对系系统统的的稳稳定性是定性是 有利的。有利的。也就是也就是说说：在保持在保持稳稳定性相同的情况下，定性相同的情况下，时间时间常数常数错错开得越多，系开得越多，系统统开开环环增益增益 就允就允许许增大得越多，因而增大得越多，因而对对系系统统的控制的控制质质量就越有利。量就越有利。系系统传统传函函为为：控制参数的确定控制参数的确定 简单简单控制系控制系统统控制参数控制参数选择选择的的一般性原一般性原则则如下：如下：1)选择结选择结果果应应使控制通道的静使控制通道的静态态增益增益 尽可能大，尽可能大，时间时间常数常数 选择选择适当。适当。2)控制通道的控制通道的纯时纯时延延时间时间 应应尽可能小尽可能小,和和的比的比值值一般一般应应小于小于0.3。3)干干扰扰通道的静通道的静态态增益增益 应应尽可能小；尽可能小；时间时间常数常数 应应尽可能大，其个数尽可能大，其个数尽可能多；尽可能多；扰动进扰动进入系入系统统的位置的位置应应尽可能尽可能远远离被控参数而靠近离被控参数而靠近调节阀调节阀。这样选择对这样选择对抑制抑制扰动对扰动对被控参数的影响均有利。被控参数的影响均有利。4)当广当广义义被控被控过过程由几个一程由几个一阶惯阶惯性性环节环节串串联联而成而成时时，应应尽量尽量设设法使几个法使几个时间时间常数中的最大与最小的比常数中的最大与最小的比值值尽可能大，以便尽可能提高系尽可能大，以便尽可能提高系统统的可控性。的可控性。5)在确定控制参数在确定控制参数时时，还应还应考考虑虑工工艺艺操作的合理性、可行性与操作的合理性、可行性与经济经济性等因素性等因素（三）被控参数的（三）被控参数的测测量与量与变变送送 在控制系在控制系统统中，中，测测量量变变送送环节环节的作用是将被控参数的作用是将被控参数转换为统转换为统一的一的标标准信号准信号反反馈给调节馈给调节器。器。该环节该环节的特性可近似表示的特性可近似表示为为其中其中为测为测量及量及变变送送环节环节的的输输出，出，为为被控参数信号被控参数信号 分分别为测别为测量及量及变变送送环节环节的静的静态态增益、增益、时间时间常数和常数和纯时纯时延延时间时间。测测量及量及变变送送环节环节是一个是一个带带有有纯时纯时延的延的惯惯性性环节环节，因而当，因而当 不不为为零零时时它的它的输输出不能及出不能及时时地反映被地反映被测测信号的信号的变变化，二者之化，二者之间间必然存在必然存在动态动态偏差。偏差。而且而且这这种种动态动态偏差并不会因偏差并不会因为检测仪为检测仪表的精度等表的精度等级级的提高而减小或消除。的提高而减小或消除。下下图图是是测测量量变变送送环节环节在在阶跃阶跃信号作用和速度信号作用信号作用和速度信号作用时时的响的响应应曲曲线线:从从图图中可以看到只要中可以看到只要 存在，存在，动态动态偏差就会必然存在。偏差就会必然存在。为为了减小了减小测测量信号与被控参数之量信号与被控参数之间间的的动态动态偏差，偏差，应应尽可能尽可能选择选择快速快速测测量量仪仪表，表，并且注意以下几点并且注意以下几点问题问题：1)应应尽可能做到尽可能做到对测对测量量仪仪表的正确安装，表的正确安装，这这是因是因为为安装不当会引起不必要的安装不当会引起不必要的测测量量误误差，降低差，降低仪仪表的表的测测量精度；量精度；2)对测对测量信号量信号应进应进行行滤滤波和波和线线性化性化处处理；理；3)对纯对纯滞后要尽可能滞后要尽可能进进行行补偿补偿；4)对时间对时间常数常数 的影响要尽可能消除。的影响要尽可能消除。为为了克服其影响，在系了克服其影响，在系统设计时统设计时，可以尽量可以尽量选选用快速用快速测测量量仪仪表，也可以在表，也可以在测测量量变变送送环节环节的的输输出端串出端串联联微分微分环节环节 测测量量变变送送环节输环节输出端串出端串联联微分微分环节环节的示意的示意图图：输输出与出与输输入关系入关系 若若选择选择，则则在理在理论论上可以完全消除上可以完全消除 的影响。的影响。在工程上，常将微分在工程上，常将微分环节环节置于置于调节调节器之后。一方面，器之后。一方面，这对这对于克服于克服 的影响，的影响，与串与串联联在在测测量量变变送送环节环节之后是等效的；另一方面，之后是等效的；另一方面，还还可以加快系可以加快系统对给统对给定定值值变变化化时时的的动态动态响响应应。（四）（四）执执行器的行器的选择选择 执执行器行器是是过过程控制系程控制系统统的重要的重要组组成部分，其特性好坏直接影响系成部分，其特性好坏直接影响系统统的控制的控制质质量量 1.执执行器的行器的选选型型 在在过过程控制中，使用最多的是程控制中，使用最多的是气气动执动执行器行器，其次是，其次是电动执电动执行器行器。应应根据生根据生产过产过程的特点、程的特点、对执对执行器推力的需求以及被控介行器推力的需求以及被控介质质的具体情况和保的具体情况和保证证安全等因素加安全等因素加以以选择选择并且确定。并且确定。2.气气动执动执行器气开、气关的行器气开、气关的选择选择 气气动执动执行器分气行器分气开、气关开、气关两种形式，它的两种形式，它的选择选择首先首先应应根据根据调节调节器器输输出信号出信号为为零零时时使生使生产处产处于安全状于安全状态态的原的原则则确定；其次，在保确定；其次，在保证证安全的前提下，安全的前提下，还应还应根据是根据是否有利于否有利于节节能、是否有利于开能、是否有利于开车车、停、停车车等等进进行行选择选择。3.调节阀调节阀尺寸的尺寸的选择选择 调节阀调节阀的尺寸主要指的尺寸主要指调节阀调节阀的开度和口径，它的的开度和口径，它的选择对选择对系系统统的正常运行影响很大的正常运行影响很大 在正常工况下一般要求在正常工况下一般要求调节阀调节阀开度开度应处应处于于15%-85%之之间间，具体，具体应应根据根据实际实际需要需要的流通能力的大小的流通能力的大小进进行行选择选择。4.调节阀调节阀流量特性的流量特性的选择选择 通通过选择调节阀过选择调节阀的非的非线线性流量特性来性流量特性来补偿补偿被控被控过过程的非程的非线线性特性，以达到系性特性，以达到系统统总总的放大倍数的放大倍数近似近似线线性性的目的的目的（五）（五）调节规调节规律律对调节质对调节质量的影响及其量的影响及其选择选择 在工程在工程实际实际中，中，应应用最用最为为广泛的广泛的调节规调节规律律为为比例、比例、积积分和微分分和微分调节规调节规律，律，简简称称PID。它具有原理它具有原理简单简单、使用方便、使用方便、鲁鲁棒性棒性强强、适、适应应性广等性广等许许多多优优点。点。1 调节规调节规律律对调节质对调节质量的影响量的影响（1）比例（）比例（P）调节规调节规律的影响律的影响 调节调节器的器的输输出信号出信号u与与输输入偏差信号入偏差信号e成比例关系：成比例关系：其中，其中，u为调节为调节器的器的输输出，出，e为调节为调节器的器的输输入，入，为为比例增益。比例增益。在在电动单电动单元元组组合合仪仪表中，表中，习惯习惯用比例增益的倒数表示用比例增益的倒数表示调节调节器器输输入与入与输输出之出之间间的比例关系的比例关系其中，其中，称，称为为比例比例带带 当被控当被控对对象象为惯为惯性特性性特性时时，单纯单纯比例比例调节调节有如下有如下结论结论：1)比例比例调节调节是一种有差是一种有差调节调节，即当，即当调节调节器采用比例器采用比例调节规调节规律律时时，不可避免地，不可避免地会使系会使系统统存在存在稳态误稳态误差。差。这这是因是因为为比例比例调节调节器是利用偏差器是利用偏差实现实现控制的，它控制的，它只能使系只能使系统输统输出近似跟踪出近似跟踪给给定定值值。2)比例比例调节调节系系统统的的稳态误稳态误差随比例差随比例带带的增大而增大，若要减小的增大而增大，若要减小误误差，差，则则要减要减小比例小比例带带，即需要增大，即需要增大调节调节器的放大倍数器的放大倍数这样这样往往会降低系往往会降低系统稳统稳定性定性 其控制效果其控制效果图图如下：如下：3)对对于于惯惯性性过过程，当程，当给给定定值值不不变时变时，采用比例，采用比例调节调节，只能使被控参数只能使被控参数对给对给定定值实现值实现有差跟踪；当有差跟踪；当给给定定值值随随时间变时间变化化时时，其跟，其跟误误差将会随差将会随时间时间的增大的增大而增大。因此，比例而增大。因此，比例调节调节不适用于不适用于给给定定值值随随时间时间变变化的系化的系统统。4)增大比例增大比例调节调节的增益的增益 不不仅仅可以减小系可以减小系统统的的稳态误稳态误差，而且差，而且还还可以加快系可以加快系统统的响的响应应速度。速度。对对下下图图的比例的比例调节调节作用于一作用于一阶惯阶惯性性过过程程进进行分析：行分析：系系统统传传函函这这里里与与相比，减小了相比，减小了 倍，倍，越大，越大，减小得越多，减小得越多，说说明明过过程的程的惯惯性越小，因而响性越小，因而响应应速度加快。但速度加快。但 的增大的增大则则会使系会使系统统的的稳稳定性下降。定性下降。2.积积分（分（I）调节规调节规律的影响律的影响在在积积分分调节调节（简简称称I调节调节）中，）中，调节调节器的器的输输出信号出信号u与与输输入偏差信号入偏差信号e的的积积分成分成正比关系正比关系:当被控系当被控系统统在在负载扰动负载扰动下的下的调节过调节过程程结结束后，系束后，系统统的静差的静差虽虽然已不存在，然已不存在，但但调节阀调节阀却会停留在新的开度上不却会停留在新的开度上不变变。积积分分调节调节是是牺牺牲了牲了动态动态品品质质而使而使稳态稳态性能得到改善的。性能得到改善的。积积分分调节调节可得如下可得如下结论结论：1)采用采用积积分分调节调节可以提高系可以提高系统统的无差度，也即提高系的无差度，也即提高系统统的的稳态稳态控制精度。控制精度。2)与比例与比例调节调节相比，相比，积积分分调节调节的的过过渡渡过过程程变变化相化相对缓对缓慢，系慢，系统统的的稳稳定性定性变变差。差。实际应实际应用中，通常将用中，通常将积积分分调节调节和比例和比例调节调节二者二者结结合起来，合起来，组组成所成所谓谓的的PI调节调节器，器，PI调节调节器的器的输输入入/输输出关系出关系为为：其中其中为积为积分分时间时间。PI调节调节器的器的传递传递函数函数为为 PI调节调节器的器的阶跃阶跃响响应应曲曲线线如右如右图图从上从上页图页图可以看出：可以看出：PI调节调节是将比例是将比例调节调节的快速反的快速反应应与与积积分分调节调节的消除的消除稳态误稳态误差功能相差功能相结结合，从而能收到比合，从而能收到比较较好的控制效果。但是，由于好的控制效果。但是，由于PI调节给调节给系系统统增加增加了相位滞后，与了相位滞后，与单纯单纯比例比例调节调节相比，相比，PI调节调节的的稳稳定性相定性相对变对变差。此外，差。此外，积积分分调调节还节还有另外一个缺点，即只要偏差不有另外一个缺点，即只要偏差不为为零，零，调节调节器就会不停地器就会不停地积积分使分使输输出增加出增加（或减小），从而（或减小），从而导导致致调节调节器器输输出出进进入深度入深度饱饱和，和，调节调节器失去器失去调节调节作用。因此作用。因此，采用，采用积积分分规规律的律的调节调节器一定要防止器一定要防止积积分分饱饱和。和。3.微分（微分（D）调节规调节规律的影响律的影响微分微分调节调节可以可以预测预测偏差的偏差的变变化化趋势趋势，微分，微分调节调节器的器的输输入入/输输出关系出关系为为 微分微分调节调节器的器的输输出与系出与系统统被被调调量偏差的量偏差的变变化率成正比。由于化率成正比。由于变变化率能反映系化率能反映系统统被被调调量的量的变变化化趋势趋势，因此，微分，因此，微分调节调节不是等被不是等被调调量出量出现现偏差之后才偏差之后才动动作，而是作，而是根据根据变变化化趋势趋势提前提前动动作。作。但微分但微分时间时间的的选择选择，对对系系统质统质量的影响具有量的影响具有两面性。两面性。当当微分微分时间较时间较小小时时，增加微分，增加微分时间时间可以减小偏差，可以减小偏差，缩缩短响短响应时间应时间，减小振，减小振荡荡程度，从而能改善系程度，从而能改善系统统的的质质量；量；当当微分微分时间较时间较大大时时，一方面有可能将，一方面有可能将测测量噪声放大，另一方面也可能使系量噪声放大，另一方面也可能使系统统响响应产应产生振生振荡荡。还还要要说说明的是：明的是：单纯单纯的微分的微分调节调节器是不能工作的。器是不能工作的。4.PD调节规调节规律的影响律的影响 PD调节调节器的器的调节规调节规律律为为:其中其中为为微分微分时间时间运用控制理运用控制理论论的知的知识识分析分析PD调节规调节规律，可以得出以下律，可以得出以下结论结论：1）PD调节调节也是有差也是有差调节调节。这这是因是因为为在在稳态稳态情况下，情况下，为为零，微分部分不零，微分部分不起作用，起作用，PD调节变调节变成了成了P调节调节。2）PD调节调节能提高系能提高系统统的的稳稳定性、抑制定性、抑制过过渡渡过过程的程的动态动态偏差（或超偏差（或超调调）。）。3）PD调节调节有利于减小系有利于减小系统统静差（静差（稳态误稳态误差）、提高系差）、提高系统统的响的响应应速度。速度。4）PD调节调节的的不足不足：首先，：首先，PD调节调节一般只适用于一般只适用于时间时间常数常数较较大或多容大或多容过过程；不适用于流量、程；不适用于流量、压压力等一些力等一些变变化化剧剧烈的烈的过过程。其次，当微分作用太程。其次，当微分作用太强强较较大大时时，会，会导导致系致系统统中中调节阀调节阀的的频频繁开启，容易造成系繁开启，容易造成系统统振振荡荡。5.PID调节规调节规律的影响律的影响 PID调节调节器的器的调节规调节规律律为为:其相其相应应的的传递传递函数函数为为:的意的意义义分分别别与与PI、PD调节调节器相同器相同由由传递传递函数可知，函数可知，PID是比例、是比例、积积分、微分分、微分调节规调节规律的律的线线性性组组合合，它吸取了，它吸取了比例比例调节调节的快速反的快速反应应功能、功能、积积分分调节调节的消除的消除误误差功能以及微分差功能以及微分调节调节的的预测预测功功能等能等优优点而弥点而弥补补了三者的不足，是一种比了三者的不足，是一种比较较理想的复合理想的复合调节规调节规律。从控制理律。从控制理论论的的观观点分析可知，与点分析可知，与PD相比，相比，PID提高了系提高了系统统的无差度；与的无差度；与PI相比，相比，PID多了一个零点，多了一个零点，为动态为动态性能的改善提供了可能。因此，性能的改善提供了可能。因此，PID兼兼顾顾了静了静态态和和动动态态两方面的控制要求，因而能取得两方面的控制要求，因而能取得较为满较为满意的意的调节调节效果。效果。控制系控制系统统在不同在不同调节调节作用下的典型响作用下的典型响应应如下：如下：可以看到，可以看到，如果不加控制，如果不加控制，过过程将程将缓缓慢地到达慢地到达一个新的一个新的稳态值稳态值；当采用比例控制后，；当采用比例控制后，则则加快加快了了过过程的响程的响应应，并减小了，并减小了稳态误稳态误差；当加入差；当加入积积分控制作用后，分控制作用后，则则消除了消除了稳态误稳态误差，但却容易差，但却容易使使过过程程产产生振生振荡荡；在增加微分作用以后；在增加微分作用以后则则可以可以减小振减小振荡荡的程度和响的程度和响应时间应时间。虽虽然然PID调节调节器的器的调节调节效果比效果比较较理想，但是理想，但是PID调节调节器要整定器要整定三个参数才能使系三个参数才能使系统统整定得最佳。整定得最佳。2 调节规调节规律的律的选择选择 选择调节规选择调节规律的一般性原律的一般性原则则。1)当广当广义过义过程控制通道程控制通道时间时间常数常数较较大或容大或容积迟积迟延延较较大大时时，应应引入微分引入微分调节调节；当；当工工艺艺容容许许有静差有静差时时，应选应选用用PD调节调节；当工；当工艺艺要求无静差要求无静差时时，应选应选用用PID调节调节；2)当广当广义过义过程控制通道程控制通道时间时间常数常数较较小、小、负负荷荷变变化不大、且工化不大、且工艺艺要求允要求允许许有静差有静差时时，应选应选用用P调节调节；3)当广当广义过义过程控制通道程控制通道时间时间常数常数较较小，小，负负荷荷变变化不大，但工化不大，但工艺艺要求无静差要求无静差时时，应选应选用用PI调节调节，4)当广当广义过义过程控制通道程控制通道时间时间常数很大、且常数很大、且纯纯滞后也滞后也较较大、大、负负荷荷变变化化剧剧烈烈时时，简简单单控制系控制系统则难统则难以以满满足工足工艺艺要求，要求，应应采用其他控制方案；采用其他控制方案；5)若将广若将广义过义过程的程的传递传递函数表示函数表示为为 时时，则则可根据可根据 的比的比值值来来选择调节规选择调节规律：律：当当时时，可，可选选用用P或或PI调节规调节规律；律；当当 时时，可，可选选用用PID调节规调节规律；律；当当 时时，应应采用其他控制方式。采用其他控制方式。5 5 调节调节器正器正/反作用方式的反作用方式的选择选择把被控把被控过过程和程和调节调节器分器分为为正作用与反作用两种正作用与反作用两种类类型型 名称名称正正负负正作用正作用被控被控过过程的静程的静态态增益增益正正正作用正作用调节调节器的静器的静态态增益增益 负负气开式气开式调节阀调节阀的静的静态态增益增益正正测测量量变变送送环节环节的静的静态态增益增益 正正各各类类增益符号的增益符号的选择选择：确定各确定各调节调节器正器正负负的基本原的基本原则则构成系构成系统统开开环传递环传递函数静函数静态态增增益的乘益的乘积积必必须为须为正正 首先根据生首先根据生产产工工艺艺要求及安全等原要求及安全等原则则确定确定调节阀调节阀的气开、气关形式，以确定的气开、气关形式，以确定 调节调节器正反作用器正反作用类类型的确定方法：型的确定方法：的正的正负负；然后根据被控然后根据被控过过程特性确定其属于正、反哪一种程特性确定其属于正、反哪一种类类型，以确定型，以确定 的正的正负负；最后根据系最后根据系统统开开环传递环传递函数中各函数中各环节环节静静态态增益的乘增益的乘积积必必须为须为正正这这一原一原则则确定确定调节调节器器 正正负负，进进而确定而确定调节调节器的正反作用器的正反作用类类型。型。三、三、调节调节器的参数整定器的参数整定调节调节器参数整定的任器参数整定的任务务是是根据被控根据被控过过程的特性，确定程的特性，确定PID调节调节器的比例度器的比例度、积积分分时间时间 以及微分以及微分时间时间 的大小。的大小。在在简单过简单过程控制系程控制系统统中，中，调节调节器的参数整定通常以系器的参数整定通常以系统统瞬瞬态态响响应应的衰减率的衰减率 为为主要指主要指标标，以保，以保证证系系统统具有一定的具有一定的稳稳定裕量。另外定裕量。另外还应满还应满足足 系系统稳态误统稳态误差、最大差、最大动态动态偏差（或超偏差（或超调调量）和量）和过过渡渡过过程程时间时间等其它指等其它指标标。参数整定的方法可以分参数整定的方法可以分为为三三类类，即理，即理论计论计算整定法、工程整定法和自整定法算整定法、工程整定法和自整定法理理论计论计算整定法算整定法主要是依据系主要是依据系统统的数学模型，采用控制理的数学模型，采用控制理论论中的根中的根轨轨迹法、迹法、频频率特性法、率特性法、对对数数频频率特性法、率特性法、扩扩充充频频率特性法等，率特性法等，经过经过理理论计论计算确定算确定调节调节器参器参数的数数的数值值。这这种方法只有理种方法只有理论论指指导导意意义义。工程整定法工程整定法主要是依靠工程主要是依靠工程经验经验，直接在，直接在过过程控制系程控制系统统的的实际实际运行中运行中进进行。行。自整定法自整定法是是对对一个正在运行中的控制系一个正在运行中的控制系统统特特别别是是设设定定值值改改变变的控制系的控制系统统,进进行自行自动动整定控制回路中的整定控制回路中的PID参数。参数。（一）（一）调节调节器参数整定的理器参数整定的理论论基基础础 1.控制系控制系统统的的稳稳定性与衰减指数定性与衰减指数 简单简单控制系控制系统统，在干，在干扰扰 作用下，作用下，闭环闭环控制系控制系统统的的传递传递函数函数为为 其中其中为为系系统统的开的开环传递环传递函数。函数。闭环闭环系系统统的特征方程的特征方程为为 一般形式一般形式为为 各系数各系数由广由广义对义对象的特性和象的特性和调节调节器的整定参数所确定。器的整定参数所确定。调节调节器参数整定的器参数整定的实质实质就是就是选择选择合适的合适的调节调节器参数，使其器参数，使其闭环闭环控制系控制系统统的特征的特征方程的每一个根都能方程的每一个根都能满满足足稳稳定性的要求定性的要求。具体分析如下具体分析如下 如果特征方程有一个如果特征方程有一个实实根根()，其通解，其通解 为为非周期非周期变变化化过过程，当程，当 时时，其幅，其幅值值越来越小，最越来越小，最终趋终趋于于0；当；当 时时，其幅，其幅值值越来越大越来越大,系系统统不不稳稳定。定。如果特征方程有一如果特征方程有一对对共共轭轭复根复根()，则则通解通解 为为振振荡荡过过程，当程，当时时,呈呈发发散振散振荡荡,系系统统不不稳稳定；当定；当 时时,呈等幅振呈等幅振荡荡。对对于于稳稳定的振定的振荡荡分量分量，假定在，假定在 时时到达到达第一个峰第一个峰值经过值经过一个振一个振荡荡周期，在周期，在时时，又到达第二个峰，又到达第二个峰值值。由衰减率定由衰减率定义义可知可知其中衰减指数其中衰减指数为为与与之比之比 衰减指数与衰减率的关系如下表衰减指数与衰减率的关系如下表00.1500.3000.4500.6000.7500.9000.95000.0260.0570.0950.1450.2210.3660.478总总之，之，调节调节器的参数整定，就是器的参数整定，就是通通过