自动控制原理及pid调整(1介绍).ppt

自动控制原理自动控制原理.低成本。低成本。l l自动控制的目标：自动控制的目标：提高劳动生产率，提高劳动生产率，提高产品质量，提高产品质量，改善劳动条件，改善劳动条件，节约能源，节约能源，.开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)开环控制系统开环控制系统控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件 控制器控制器受控对象受控对象.开环控制系统开环控制系统特点：特点：缺点：缺点：最简单的控制方式最简单的控制方式系统结构简单、维护容易、系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题成本低、不存在稳定性问题信号传递没有形成闭合回路信号传递没有形成闭合回路输出量不能对控制量产生输出量不能对控制量产生影响。影响。控制精度不高控制精度不高系统抗干扰能力差系统抗干扰能力差对元器件的要求对元器件的要求比较高比较高控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件 控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)开环控制系统开环控制系统.闭环控制系统闭环控制系统 反馈控制系统反馈控制系统l l反反 馈馈 通通路路负反馈与正反馈负反馈与正反馈控制系统一般采用负反馈控制系统一般采用负反馈l l信号传递形成一个闭合回信号传递形成一个闭合回路路输入量与反馈量之差称为输入量与反馈量之差称为偏差信号偏差信号控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件 控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)开环控制系统开环控制系统.自动控制系统的基本结构：自动控制系统的基本结构：设定值设定值x 控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变量y反馈量反馈量z自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u.1、控制系统的一些常用术语、控制系统的一些常用术语被控对象被控对象控制变量控制变量设定值设定值x 控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变量y反馈量反馈量z图图12自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u是指被控制的装置或者设备。是指被控制的装置或者设备。施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号的规律运行，一般用符号u表示。表示。被控变量被控变量控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y表示。表示。.偏差信号偏差信号扰动信号扰动信号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e表示。表示。使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f表示。表示。设定值设定值x 控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变量y反馈量反馈量z图图12自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u设定值（给定值）设定值（给定值）希望系统输出达到的数值，一般用符号希望系统输出达到的数值，一般用符号x表示。表示。.2、控制系统的组成、控制系统的组成定值元件定值元件控制器控制器执行元件执行元件用来产生设定值或参考输入。用来产生设定值或参考输入。或称调节器。通过一定的控制规律给出或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。控制量，送到执行元件。完成功率转换或信号转换，常称为执行完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。机构或者执行器。设定值设定值x 控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变量y反馈量反馈量z图图12自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u.测量、变送元件测量、变送元件又又称称传传感感器器，用用于于检检测测被被控控对对象象的的输输出出量，并变换成标准信号送到控制器。量，并变换成标准信号送到控制器。比较元件比较元件用以产生偏差信号用以产生偏差信号2、控制系统的组成、控制系统的组成设定值设定值x 控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变量y反馈量反馈量z图图12自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u.3 3、对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求稳定性、精确性和快速性稳定性、精确性和快速性q 稳定性稳定性 控制系统设计的首要条件控制系统设计的首要条件 系统自身的属性系统自身的属性 有界输入，有界输出有界输入，有界输出.q 精确性精确性反映系统的被控变量偏离设定值的程度。反映系统的被控变量偏离设定值的程度。q 快速性快速性控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态达到另一个平衡状态的时间达到另一个平衡状态的时间。.4、自动控制系统的分类自动控制系统的分类1、开环控制系统与闭环控制系统、开环控制系统与闭环控制系统2、定值控制系统、随动控制系统和程序控制、定值控制系统、随动控制系统和程序控制根据给定信号形式的不同分类。根据给定信号形式的不同分类。定值控制系统：定值控制系统：系统的参考输入为恒定值或者波动系统的参考输入为恒定值或者波动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。随动控制系统（伺服控制系统）：随动控制系统（伺服控制系统）：参考输入值不参考输入值不断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的输断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的输出量能够准确地跟踪输入值的变化。出量能够准确地跟踪输入值的变化。程序控制系统：程序控制系统：设定值变化，是时间的已知函数，设定值变化，是时间的已知函数，即按照事先规定的时间程序或规律变化。即按照事先规定的时间程序或规律变化。.5、单输入、单输入单输出系统与多输入单输出系统与多输入多输出系统多输出系统从输入与输出信号的数量分类。从输入与输出信号的数量分类。单输入单输入单输出系统（单输出系统（SISO）多输入多输入多输出系统（多输出系统（MIMO）集中参数系统与分布参数系统集中参数系统与分布参数系统uy(a)SISO系统系统系系统统(b)MIMO系统系统系系统统确定性系统与随机控制系统等确定性系统与随机控制系统等.究竟使用哪种典型究竟使用哪种典型信号分析系统？信号分析系统？取决于系统在正常工作时最常见的输入信号形式取决于系统在正常工作时最常见的输入信号形式若输入是突然的脉动若输入是突然的脉动脉冲信号脉冲信号若输入是突变的跃变若输入是突变的跃变阶跃信号阶跃信号若输入随时间逐渐变化若输入随时间逐渐变化斜坡信号斜坡信号若输入是周期信号若输入是周期信号正弦信号正弦信号.过渡过程的性能指标过渡过程的性能指标直接评价控制系统的直接评价控制系统的单位阶跃响应曲线单位阶跃响应曲线（a）随动系统随动系统图图3-2单位阶跃响应曲线单位阶跃响应曲线（b）定值系统定值系统.1.50.510t以阶跃响应曲线形式表示的质量指标以阶跃响应曲线形式表示的质量指标(1)峰值时间峰值时间tp阶跃响应曲线达到第一峰值所需要的时间。阶跃响应曲线达到第一峰值所需要的时间。tptp愈小，表明控制系统反应愈灵敏。愈小，表明控制系统反应愈灵敏。A.(2)最大偏差最大偏差A和超调量和超调量最大偏差最大偏差A:被控输出第一个波的峰值与给定值的差，被控输出第一个波的峰值与给定值的差，如图中的如图中的A。超调量超调量y()为过渡过程的稳态值。为过渡过程的稳态值。超调量超调量（百分数表示的最大偏差）：百分数表示的最大偏差）：1.50.510tptA注意最大偏差和超调量的不同。注意最大偏差和超调量的不同。.(3)衰减比衰减比n在过渡过程曲线上，同方向上相邻两个波峰值之比。在过渡过程曲线上，同方向上相邻两个波峰值之比。如图，如图，n=A:A。ln愈大，过渡过程衰减的越快，反之，愈大，过渡过程衰减的越快，反之，n愈小，过愈小，过渡过程的衰减程度也愈小渡过程的衰减程度也愈小;l一般操作经验希望过程有两、三个周波结束，一一般操作经验希望过程有两、三个周波结束，一般常取般常取n=4:110:1。l l当当n1时，过渡过程则为等幅振荡；时，过渡过程则为等幅振荡；0.150.050.10ttpA.(4)调节时间调节时间ts阶跃响应到达稳态的时间。阶跃响应到达稳态的时间。工程上常取在被控变量进入新稳态值的土工程上常取在被控变量进入新稳态值的土5或或土土2的误差范围，并不再超出的时间。的误差范围，并不再超出的时间。ts的大小一般与控制系统中的最大时间常数有关，的大小一般与控制系统中的最大时间常数有关，ts越短，系统响应越快。越短，系统响应越快。1.50.510tptAts.1.50.510tptA(5)上升时间上升时间tr仅仅适适用用随随动动系系统统。第第一一次次达达到到系系统统新新稳稳态态值值所所需需的时间，定义为上升时间。的时间，定义为上升时间。(6)余差或稳态误差余差或稳态误差e()过过渡渡过过程程结结束束时时稳稳态态值值与与给给定定值值之之差差，是是表表示示控控制系统精度的重要质量指标。制系统精度的重要质量指标。tr对于非振荡的过渡过程曲线：从稳态值的对于非振荡的过渡过程曲线：从稳态值的10上上升到升到90所需的时间。所需的时间。tse(）.总结：总结：1、峰值时间、峰值时间tp和上升时间和上升时间tr反映了系统反映了系统的初始快速性。的初始快速性。4、稳态误差反映了系统的调节精度。、稳态误差反映了系统的调节精度。3、最大偏差、超调量和衰减比反映了系、最大偏差、超调量和衰减比反映了系统的平稳性。统的平稳性。2、调节时间、调节时间ts反映了系统的整体快速性。反映了系统的整体快速性。1.50.510tptAtrts.1常规控制规律对系统控制质量的影响常规控制规律对系统控制质量的影响调调节节器器可可以以被被用用来来改改变变闭闭环环传传递递函函数数，以以保保证证系系统统获得希望的动态特性和静态特性。获得希望的动态特性和静态特性。R(s)Y(s)+F(s)E(s)Z(s).常规控制器的控制规律常规控制器的控制规律调节器按不同控制规律产生使偏差减小的控制信号。调节器按不同控制规律产生使偏差减小的控制信号。工业中常用的控制规律有：工业中常用的控制规律有：比例比例P、比例加积分比例加积分PI、比例加积分加微分比例加积分加微分PID等等.1比例控制规律比例控制规律P控制器输出控制器输出p(t)与偏差信号与偏差信号e(t)之间成比例关系。之间成比例关系。p(t)=Kce(t)其传递函数其传递函数:Kc：控制器的比例增益或放大倍数。控制器的比例增益或放大倍数。10.50-0.50510420-20510e(t)p(t)R(s)Y(s)E(s)P(s)-.比例作用的特点：比例作用的特点：1.比例控制是最基本的控制规律；比例控制是最基本的控制规律；2.不能消除静态误差（余差）；不能消除静态误差（余差）；3.余差大小与余差大小与Kc成反比。成反比。可调增益的放大器可调增益的放大器输出与输入波形相同，放大输出与输入波形相同，放大Kc倍倍若若广广义义对对象象为为0型型系系统统，则则系系统统存存在在稳稳态态误误差。差。总结：总结：.2比例加积分控制规律比例加积分控制规律PI控制器输出控制器输出p(t)与偏差信号与偏差信号e(t)之间的关系为：之间的关系为：控制器的传递函数为：控制器的传递函数为：Kc:比例增益比例增益0te(t)0tp(t)P+IPITi:积分时间积分时间.积分作用特点：积分作用特点：l l偏差信号的积分（累加）偏差信号的积分（累加）l l只有偏差为零时，积分作用才停止。此时，控只有偏差为零时，积分作用才停止。此时，控制信号保持在前一刻数值。制信号保持在前一刻数值。l l只要偏差存在，积分作用就一直进行，直到受只要偏差存在，积分作用就一直进行，直到受到实际装置的限幅（积分饱和）。到实际装置的限幅（积分饱和）。总结：总结：1.积分控制作用是可以消除余差的（主要目的）。积分控制作用是可以消除余差的（主要目的）。2.积分作用与积分作用与Ti成反比。成反比。TiI3.有可能影响系统的稳定性。有可能影响系统的稳定性。.3比例加积分加微分规律比例加积分加微分规律PID控制作用的数学表达式是：控制作用的数学表达式是：其传递函数：其传递函数：Kc:比例增益，比例增益，Ti:积分时间积分时间,Td:微分时间。微分时间。0t0tP(t)单位斜波单位斜波P+I+DP+DdPe(t)D.微分作用的特点：微分作用的特点：l l微分作用和偏差变化的速率成正比，能提高控微分作用和偏差变化的速率成正比，能提高控制器反应的灵敏程度，使系统获得超前作用，制器反应的灵敏程度，使系统获得超前作用，有助于增加系统的稳定性和控制品质。有助于增加系统的稳定性和控制品质。l l控制作用在输入信号变化的瞬间是有效的，不控制作用在输入信号变化的瞬间是有效的，不能单独使用。能单独使用。总结：总结：1.微分作用具有超前调节的作用，有助于增加系微分作用具有超前调节的作用，有助于增加系统的稳定性和控制品质；统的稳定性和控制品质；2.微分作用大小与微分作用大小与Td成正比；成正比；3.有可能放大噪声。有可能放大噪声。PID调节器是三种控制作用的组合，是比较完善的常规控制规律。调节器是三种控制作用的组合，是比较完善的常规控制规律。.总结总结q比例作用是最基本的控制作用比例作用是最基本的控制作用Kc增加，振荡加剧增加，振荡加剧余差减小余差减小q微分作用可增加系统的稳定性微分作用可增加系统的稳定性增加微分作用时，可适当增加增加微分作用时，可适当增加Kc不能消除余差不能消除余差Td不可太大不可太大q积分作用可消除余差积分作用可消除余差影响系统的稳定性影响系统的稳定性增加积分作用时，要减少增加积分作用时，要减少Kc.