简单控制系统的设计和参数整定方法省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第五章第五章 简单控制系统设计及参数整定方法简单控制系统设计及参数整定方法魏 莉 机电工程学院测控系1第1页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表2第2页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表简单控制系统简单控制系统 一个调整器，一个调整阀，控制一个被控一个调整器，一个调整阀，控制一个被控参数单回路闭环控制系统，经典结构框图以下参数单回路闭环控制系统，经典结构框图以下列图示。列图示。调整器GC（S）调整阀GV（S）被控过程GP（S）干扰通道Gf（S）F(S)测量变送H（S）R(S)-E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)3第3页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表单回路控制系统特点单回路控制系统特点结构简单、投资少、易于整定和投运；结构简单、投资少、易于整定和投运；可满足普通生产过程工艺要求；可满足普通生产过程工艺要求；占控制回路占控制回路80%80%以上，应用广泛；以上，应用广泛；适合用于被控过程纯滞后与惯性不大、适合用于被控过程纯滞后与惯性不大、负荷与干负荷与干扰改变比较平稳或者工艺要求不太高场所。扰改变比较平稳或者工艺要求不太高场所。4第4页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表5第5页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第一节第一节 过程控制系统设计概述过程控制系统设计概述一一.对过程控制系统普通要求对过程控制系统普通要求稳：稳：控制系统必须是稳定，且有一定控制系统必须是稳定，且有一定 稳定裕量。稳定裕量。准：准：系统被控参数实际运行情况与希系统被控参数实际运行情况与希 望情况偏差要小，控制精度要高。望情况偏差要小，控制精度要高。快：快：系统从一个工作状态向另一个工作系统从一个工作状态向另一个工作 状态过渡时间要短，即衰减振荡短。状态过渡时间要短，即衰减振荡短。工程上三者往往相互矛盾，如要精度高则平稳受影响，要平稳则快速性受减弱，普通应满足最主要要求，分清主次。6第6页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表过控系统组成过控系统组成:被控过程；控制仪表；检测仪表等。被控过程；控制仪表；检测仪表等。主要工作主要工作:确定控制方案；确定控制方案；选择检测方法；选择检测方法；选择检测仪表；选择检测仪表；选择控制仪表选择控制仪表;参数整定。参数整定。二二.过程控制系统设计基本方法与步骤过程控制系统设计基本方法与步骤7第7页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表控制系统设计步骤控制系统设计步骤:1.熟悉系统技术要求或性能指标熟悉系统技术要求或性能指标2.建立系统数学模型建立系统数学模型 过程数模是理论分析和深入设计基础和依据。过程数模是理论分析和深入设计基础和依据。3.控制方案确实定控制方案确实定 含系统组成和控制方式含系统组成和控制方式,确定方案依据是被控过程特征确定方案依据是被控过程特征,技技术指标术指标,控制任务要求控制任务要求,方案要简单经济可行方案要简单经济可行,要有比较。要有比较。4.依据系统静动态特征进行理论分析和综合依据系统静动态特征进行理论分析和综合 由技术指标由技术指标,系统静动态特征系统静动态特征,确定调整规律和参数整定。确定调整规律和参数整定。分析方法分析方法:频率法频率法,根轨迹法根轨迹法,优化设计等。优化设计等。分析工具分析工具:计算机仿真等。计算机仿真等。5.设备选型设备选型6.试验验证试验验证8第8页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表t 内容包含内容包含t方案设计：方案设计：即系统组成和控制方式，是设计关键，方案不合即系统组成和控制方式，是设计关键，方案不合理，选何种仪表都无作用理，选何种仪表都无作用。t工程设计工程设计：指仪表选型，控制室和仪表盘设计，供电供气系：指仪表选型，控制室和仪表盘设计，供电供气系统设计，信号连锁和系统保护。统设计，信号连锁和系统保护。t工程安装与仪表调校。工程安装与仪表调校。t调整器参数整定调整器参数整定：设置调整器参数，使系统运行在最正确状：设置调整器参数，使系统运行在最正确状态态。t 关键内容关键内容t控制方案设计；控制方案设计；t调整器参数整定。调整器参数整定。三三.过程控制系统设计主要内容过程控制系统设计主要内容9第9页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1 认真熟悉过程特征认真熟悉过程特征 要了解过程特征要了解过程特征,熟悉工艺流程特点要求熟悉工艺流程特点要求,这是方这是方案主要依据。案主要依据。2 要明确过程中各个生产步骤关系要明确过程中各个生产步骤关系3.测量信号预先处理测量信号预先处理 普通测量信号作反馈用较主要普通测量信号作反馈用较主要,不过现场信号不过现场信号,故噪故噪声大声大,要进行滤波或线性化或温度赔偿等预处理。要进行滤波或线性化或温度赔偿等预处理。4.系统安全保护系统安全保护 安全可靠安全可靠,尤其是在高温高压尤其是在高温高压,易燃易爆易燃易爆,强腐蚀等强腐蚀等环境下环境下,要选符合要求仪表和设备。要选符合要求仪表和设备。四四.系统设计中需注意几个问题系统设计中需注意几个问题10第10页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第二节第二节 过程特征对控制质量过程特征对控制质量 影响及控制方案确实定影响及控制方案确实定一一.干扰通道特征对控制质量影响干扰通道特征对控制质量影响调整器GC（S）调整阀GV（S）被控过程GP（S）干扰通道Gf（S）F(S)测量变送H（S）R(S)-E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)干扰与系统输出传递关系干扰与系统输出传递关系11第11页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表系统输出与干扰传递函数系统输出与干扰传递函数:C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)设干扰通道设干扰通道Gf(S)为一单容过程为一单容过程,即即 Gf(S)=Kf/(Tf S+1)则有则有 C(S)/F(S)=1/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)Kf/(Tf S+1)或有延时或有延时f 时时 C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)exp(-f S)12第12页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.静态增益静态增益Kf :Kf越大越大,扰动引发输出越大扰动引发输出越大,设计时应减小设计时应减小Kf,如办不到如办不到,应应增强控制作用增强控制作用,或采取扰动赔偿。或采取扰动赔偿。2.时间常数时间常数Tf :Gf(S)是一个惯性步骤是一个惯性步骤,对扰动对扰动F(S)有一定滤波作用有一定滤波作用,Tf 越大越大,效果越显著效果越显著,故故Tf 越大越大,扰动对被控参数动态影响越小。扰动对被控参数动态影响越小。3.延时延时f :相当于扰动推迟一段时间进入系统相当于扰动推迟一段时间进入系统,对控制质量无影响对控制质量无影响4.F(S)进入系统位置影响进入系统位置影响如如F(S)在在GP(S)之前进入系统之前进入系统:则则C(S)/F(S)=1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)Gf(S)GP(S).或或C(S)/F(S)=1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)1KfTf S+1KPTP S+1又多了一个滤波器又多了一个滤波器13第13页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表调整器GC（S）调整阀GV（S）被控过程GP（S）F1(S)测量变送H（S）R(S)-E(S)C(S)Y(S)F2(S)F3(S)14第14页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表控制通道控制通道:其作用总是力图使被控参数与给定值相一致其作用总是力图使被控参数与给定值相一致扰动通道扰动通道:其作用总是力图使被控参数与给定值相偏离其作用总是力图使被控参数与给定值相偏离二二.控制通道特征对控制质量影响控制通道特征对控制质量影响15第15页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.静态增益静态增益KO:调整器调整器KC一定时一定时:KO越大控制作用越强越大控制作用越强,抗扰能力越强抗扰能力越强,稳态误差越小稳态误差越小,被控参数对控制被控参数对控制作用反应越灵敏。作用反应越灵敏。KO越大意味着系统静态增益越大越大意味着系统静态增益越大,对系统闭环稳定性不利。对系统闭环稳定性不利。设计时应综合考虑稳定性快速性和稳态误差三方面设计时应综合考虑稳定性快速性和稳态误差三方面:改变改变KC使开环增益使开环增益KOKC适当适当,当当KO越大越大,KC越小越小,降低调整器要求降低调整器要求2.时间常数时间常数TO:TO较大较大,调整器对被控参数调整作用就不及时调整器对被控参数调整作用就不及时,过渡过程加长过渡过程加长 TO过小过小,控制作用过于灵敏控制作用过于灵敏,引发振荡引发振荡,设计时应设计时应TO较小较小,或增加微或增加微分分16第16页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表3.纯时延纯时延:信号传输信号传输,测量变送等产生测量变送等产生,对系统影响不利对系统影响不利,既不能及时发觉被控参数既不能及时发觉被控参数改变改变,又不能使控制作用及时产生效应又不能使控制作用及时产生效应,使动态偏差增大使动态偏差增大,超调增加超调增加,相角滞相角滞后稳定性降低后稳定性降低,应尽可能减小应尽可能减小 过控中用过控中用O/TO反应控制难易程度反应控制难易程度,O/TO0.3易控易控,O/TO0.5难控难控17第17页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表4.时间常数匹配时间常数匹配:设广义被控过程传递函数为设广义被控过程传递函数为:(由被控过程由被控过程,测量元件测量元件,调整阀等一阶惯性步骤串接）调整阀等一阶惯性步骤串接）GO(S)=K(T1S+1)(T2S+1)(T3S+1)则临界稳定增益为则临界稳定增益为:KO=2+T1/T2+T2/T3+T3/T2+T2/T1+T3/T1+T1/T3 KO大小取决于大小取决于T1,T2,T3相对比值相对比值,计算可知计算可知:时间常数错时间常数错开越多，开环增益就允许提升越多，对系统控制质量越有利，开越多，开环增益就允许提升越多，对系统控制质量越有利，实际上，最大时间常数对应过程关键设备，不易改变，可选实际上，最大时间常数对应过程关键设备，不易改变，可选择小时间常数测量仪表和含有小时间常数调整阀。择小时间常数测量仪表和含有小时间常数调整阀。18第18页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表控制方案控制方案选被控参数选被控参数(控制哪一个参数控制哪一个参数)选控制参数选控制参数(操纵变量操纵变量)测量和变送测量和变送选调整阀和执行器选调整阀和执行器确定调整规律确定调整规律 确定控制方案确定控制方案:借助于实际工程经验以及理借助于实际工程经验以及理论分析和计算。论分析和计算。三.控制方案确定19第19页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表(1)应选取对产品质量和产量应选取对产品质量和产量,安全生产安全生产,经济运行有决经济运行有决 定性作用定性作用,可直接测量工艺参数作为被控参数。可直接测量工艺参数作为被控参数。(2)对难以直接测量被控参数对难以直接测量被控参数,应选取一个与直接参数有应选取一个与直接参数有单值函数关系间接参数作为被控参数单值函数关系间接参数作为被控参数(精馏塔精馏塔)。(3)用间接参数作为被控参数时用间接参数作为被控参数时,该参数应对产品质量有该参数应对产品质量有足够控制灵敏度足够控制灵敏度(4)考虑工艺过程合理性和选取仪器仪表性能价格比考虑工艺过程合理性和选取仪器仪表性能价格比普通情况下普通情况下,对于一个已经运行生产过程对于一个已经运行生产过程,被控参数是确定被控参数是确定,实际上已无多大选择余地实际上已无多大选择余地1、系统被控参数选取、系统被控参数选取20第20页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表21第21页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表依据过程特征对系统控制质量影响分析依据过程特征对系统控制质量影响分析,选择操纵变量选择操纵变量(1)选择结果应使静态增益选择结果应使静态增益KO应尽可能大一些应尽可能大一些,时间常数时间常数TO适当小一些适当小一些,由生产过程由生产过程,系统技术指标系统技术指标,调整器参数整定调整器参数整定范围范围,用自控理论分析计算来确定。用自控理论分析计算来确定。(2)纯时延时间纯时延时间O应尽可能小应尽可能小,O/TO要小于要小于0.3，此比值过，此比值过大时大时,不能用简单控制系统。不能用简单控制系统。(3)扰动通道静态增益扰动通道静态增益Kf要尽可能小要尽可能小,时间常数时间常数Tf要尽可能大要尽可能大,扰动进入系统位置应尽可能远离被控参数扰动进入系统位置应尽可能远离被控参数,靠近执行器靠近执行器,可抑可抑制扰动对被控参数动态影响。制扰动对被控参数动态影响。(4)错开广义被控过程时间常数错开广义被控过程时间常数(5)考虑工艺操作合理可行性和经济性考虑工艺操作合理可行性和经济性2、控制参数、控制参数(操纵变量操纵变量)选择选择22第22页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表测量变送传递函数测量变送传递函数:Y(S)/X(S)=Km/(TmS+1)exp(-mS)亦即纯延时惯性步骤，入出之间存在亦即纯延时惯性步骤，入出之间存在动态偏差动态偏差，与仪，与仪表精度等级无关。表精度等级无关。x yxy阶跃响应tmm+Tm0mm+Tm0 x yxyt速度信号响应仪表静态误差仪表静态误差:是指稳态时测量值与真实值之间偏差是指稳态时测量值与真实值之间偏差为了减小动态误差为了减小动态误差,提升测量精度提升测量精度,应设法减小应设法减小m和和 Tm,在其它一定情况下在其它一定情况下,只能选快速测量仪表只能选快速测量仪表3、被控参数测量及变送问题、被控参数测量及变送问题23第23页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表有以下几个问题要注意有以下几个问题要注意:(1)正确安装测量仪表正确安装测量仪表(2)对测量信号进行滤波和线性化对测量信号进行滤波和线性化(3)对纯时延要尽可能进行赔偿对纯时延要尽可能进行赔偿Gm(S)exp(-mS)+G(S)+x(S)y(S)加赔偿步骤后加赔偿步骤后 x(S)Gm(S)=x(S)Gm(S)exp(-mS)+x(S)G(S)则G(S)=Gm(S)1-exp(-mS)结构结构G(S)即可即可24第24页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表(4)尽可能消除尽可能消除Tm影响影响 选取快速仪表选取快速仪表,但受一定局限但受一定局限,普通在测量变送步骤输出普通在测量变送步骤输出端串接微分步骤。端串接微分步骤。Km/(TmS+1)TDS+1x(S)Y(S)y(S)/x(S)=Km(TDS+1)/(TmS+1)若若TD=Tm则可消除则可消除Tm影响影响 实际工程中实际工程中,将此微分步骤串于调整器之后将此微分步骤串于调整器之后,除可消除除可消除Tm影响外影响外,还可起到加紧系统对给定值变动时动态响应作用还可起到加紧系统对给定值变动时动态响应作用(5)气动信号时延问题气动信号时延问题气动传输管道特征气动传输管道特征:G(S)=1/(TS+1)exp(-S)尽可能缩短气路尽可能缩短气路,增设继动器增设继动器,赔偿赔偿25第25页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表气动执行器多用，其次是电动执行器，应依据实际情况选择。气动执行器多用，其次是电动执行器，应依据实际情况选择。气动执行器有气开和气关两种形式，应在调整器输出为零或气气动执行器有气开和气关两种形式，应在调整器输出为零或气源中止时生产过程处于安全状态源中止时生产过程处于安全状态调整阀开度和口径选择调整阀开度和口径选择:口径过小口径过小,系统受大扰动时系统受大扰动时,即使全开即使全开,也会暂时失控；也会暂时失控；口径过大口径过大,阀门常处小开度阀门常处小开度,冲击使阀门受损失灵冲击使阀门受损失灵,正常工正常工况下况下,阀开度应在阀开度应在15%-85%之间。之间。调整阀流量特征调整阀流量特征:考虑经过阀非线性流量特征赔偿被控过程非线性特征考虑经过阀非线性流量特征赔偿被控过程非线性特征电动执行器普通是电开形式电动执行器普通是电开形式4、调整阀、调整阀(执行器执行器)选择选择 26第26页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表关于正反作用关于正反作用被控过程正反作用被控过程正反作用正作用：正作用：输入量输入量时时,输出量输出量,KP为正为正反作用：反作用：输入量输入量时时,输出量输出量,KP为负为负如水池在出口流量一定时如水池在出口流量一定时,进口流量进口流量液位液位,为正作用为正作用如水池在入口流量一定时如水池在入口流量一定时,出口流量出口流量液位液位,为反作用为反作用5、调整器控制规律选择、调整器控制规律选择调整器正反作用调整器正反作用正作用正作用:反馈至输入端测量值反馈至输入端测量值 调整器输出调整器输出,KC为负为负反作用反作用:反馈至输入端测量值反馈至输入端测量值 调整器输出调整器输出,KC为正为正调整阀调整阀气开气开:KV为正为正气关气关:KV为负为负测量变送步骤测量变送步骤Km为正为正27第27页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表调整器正反作用确定：调整器正反作用确定：由安全确定气开气关由安全确定气开气关过程特征确定正反类型过程特征确定正反类型 确定测量变送步骤极性确定测量变送步骤极性确定调整器正反作用确定调整器正反作用系统正常工作系统正常工作:确保负反馈确保负反馈28第28页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表例例1:1:水槽液位控制系统水槽液位控制系统 “-”“+”“+”“+”29第29页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表例例2:2:加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 “-”“+”“+”“+”30第30页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第三节第三节 调整规律对控制质量影响调整规律对控制质量影响 及调整规律选择及调整规律选择 控制器作用：控制器作用：控制执行器，改变操纵变量使控制执行器，改变操纵变量使被控变量符合生产要求。被控变量符合生产要求。控制器在闭环控制系统中将检测变送步控制器在闭环控制系统中将检测变送步骤传送过来信息与被控变量设定值比较后得骤传送过来信息与被控变量设定值比较后得到偏差，然后依据偏差按照一定控制规律进到偏差，然后依据偏差按照一定控制规律进行运算，最终输出控制信号作用于执行器上。行运算，最终输出控制信号作用于执行器上。31第31页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 过程控制普通是指连续控制系统，控制器输出随时过程控制普通是指连续控制系统，控制器输出随时间改变发生连续改变。不论是何种控制器，都有其基间改变发生连续改变。不论是何种控制器，都有其基本调整规律。本调整规律。调整规律定义：调整规律定义：是指控制器输出信号与输入信号之间关是指控制器输出信号与输入信号之间关系。系。控控制制器器输输入入信信号号e(t)：是是测测量量值值y(t)与与被被控控变变量量设设定定值之差值之差，即，即e(t)=r(t)-y(t)；控制器输出信号控制器输出信号u(t)：是送往执行机构控制命令。是送往执行机构控制命令。调整规律调整规律就是控制器输出信号就是控制器输出信号u(t)随输入信号随输入信号e(t)改改变规律。变规律。32第32页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表以以热热交交换换器器温温度度控控制制系系统统为为例例：设设热热交交换换器器出出口口温温度度正正常操作时应为常操作时应为85，载热体是蒸汽。，载热体是蒸汽。位式调整位式调整百百分分比比调调整整积分调整积分调整微分调整微分调整 33第33页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表一一.百分比调整百分比调整(Proportional(Proportional Control)Control)调整器输出调整器输出:u=KC e Kc百分比增益，衡量百分比控制作用强弱变量。百分比增益，衡量百分比控制作用强弱变量。Kc越大，在相同偏差输入下，输出也越大。越大，在相同偏差输入下，输出也越大。控制器输出改变量与输入偏差成正百分比，在时间上没有延滞。控制器输出改变量与输入偏差成正百分比，在时间上没有延滞。在实际中，习惯上使用百分比带在实际中，习惯上使用百分比带表示百分比控制作用强弱。表示百分比控制作用强弱。百分比带百分比带:=1/KC 34第34页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.有差调整有差调整,存在静态误差存在静态误差,e为零为零,则则u=0,失去调整作用失去调整作用,只能只能被控参数有差跟踪给定值，动作速度快。被控参数有差跟踪给定值，动作速度快。2.静差随静差随而而,但稳定性但稳定性,动态变坏动态变坏3.不适合于给定值随时间改变情况，会使跟踪误差随时间增不适合于给定值随时间改变情况，会使跟踪误差随时间增大而增大。大而增大。4.关于关于KC KC增加增加,可减小静差可减小静差,降低系统惯性降低系统惯性,加紧响应速度加紧响应速度,但系但系统稳定性下降。统稳定性下降。C(S)/R(S)=KOKC/(1+KOKC)/TO/(1+KOKC)S+1=K/(TS+1)Kc越大，越大，则则T比比TO减小很多减小很多KCKO/(TOS+1)R(S)e(S)u(S)C(S)-35第35页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表5.关于百分比带关于百分比带百分比调整不是输出与输入成百分比，而是二者改变量成百分百分比调整不是输出与输入成百分比，而是二者改变量成百分比。比。百分比带百分比带：控制器输入改变相对值与对应输出改变相对值之：控制器输入改变相对值与对应输出改变相对值之比百分数比百分数 其中：其中：e e为控制器输入信号改变量，即偏差信号；为控制器输入信号改变量，即偏差信号；(Z(Zmaxmax-Z-Zminmin)为控制器输入信号改变范围，为控制器输入信号改变范围，即量程；即量程；u为控制器输出信号为控制器输出信号改变量，即控制命令；改变量，即控制命令；(umax-umin)为控制器输出信号改变范围。为控制器输出信号改变范围。36第36页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表X50%50%100%100%Y=2=1=0.5 横轴投影长度即为横轴投影长度即为,在此范围内是有百分比作用在此范围内是有百分比作用,若偏差太大超若偏差太大超出此范围出此范围,就不再有百分比作用就不再有百分比作用,输出变量像开关输出变量像开关,不是最大就是最小。不是最大就是最小。百分比带详细意义为：使控制器输出改变满刻度时，对应控制百分比带详细意义为：使控制器输出改变满刻度时，对应控制器输入改变量占输入信号改变范围百分数。即要使输出做全范器输入改变量占输入信号改变范围百分数。即要使输出做全范围改变，输入信号必须改变全量程百分之几。围改变，输入信号必须改变全量程百分之几。37第37页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表例题：一台百分比作用温度调整器，其温度改变范围为例题：一台百分比作用温度调整器，其温度改变范围为400-800，调整器输出范围是，调整器输出范围是4-20mA。当温度从。当温度从600改变到改变到700时，调整器对应输出从时，调整器对应输出从8mA变为变为12mA，试求该调整器，试求该调整器百分比带。百分比带。这说明在这个百分比带下，温度全范围改变（相当于这说明在这个百分比带下，温度全范围改变（相当于400 ）时，控制器输出从最小变为最大，在此区间内，）时，控制器输出从最小变为最大，在此区间内，e和和u是成百是成百分比。分比。38第38页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表百分比带对系统稳定性影响百分比带对系统稳定性影响 小于临界值小于临界值等于临界值等于临界值偏小偏小适当适当偏偏大大太大太大39第39页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表进水出水设定值HSP调整阀浮子支点L1L2L3L4杠杆阀杆百分比式液位调整原理百分比增益百分比增益KC=L1/L2百分比带百分比带 =1/KC用水多时实际水位必定要低于设定值，阀门才能开大用水多时实际水位必定要低于设定值，阀门才能开大用水少时实际水位必定要高于设定值，阀门才能关小用水少时实际水位必定要高于设定值，阀门才能关小静差Proportional Control Proportional Control 举例说明举例说明40第40页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表调整器输出调整器输出 在人工调整时有一个理所当然标准在人工调整时有一个理所当然标准,就是偏差不除决不罢休就是偏差不除决不罢休,只要只要偏差存在就连续不停地调下去偏差存在就连续不停地调下去,直到把偏差完全消除为止直到把偏差完全消除为止;非但如此非但如此,偏偏差存在时间长差存在时间长,说明扰动大说明扰动大,已经施加在对象上调整动作还不足以抑制已经施加在对象上调整动作还不足以抑制偏差偏差,需要更大操作量需要更大操作量,即操作量应和偏差对时间积分成正比。即操作量应和偏差对时间积分成正比。二二.积分调整积分调整(Integral Control)(Integral Control)只要偏差存在只要偏差存在,调整器输出就不停增加调整器输出就不停增加,e=0,不再增加但维持不再增加但维持其输出。其输出。1.无差调整无差调整,调整过程结束调整过程结束,静差就不存在静差就不存在2.积分常数积分常数SC大大,则效果则效果但稳定性降低但稳定性降低3.I比比P稳定性差稳定性差,因阶数增加因阶数增加,出比入滞后出比入滞后90041第41页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表PI输出：输出：u=KCe+(KC/TI)e dt =1/e+(1/TI)e dt 0t0t传递函数传递函数:GC(S)=U(S)/E(S)=1/1+1/(TIS)=1/(TIS+1)/(TIS)ettuTIKCe2KCe阶跃响应如左图阶跃响应如左图,在起始阶段在起始阶段P起作用起作用,之后之后,PI共同作用共同作用,把把P快速性快速性与与I消除静消除静差差相结合。相结合。积分作用滞后特征积分作用滞后特征:动态比动态比P差差积分饱和积分饱和:因为一些原因因为一些原因,e一直存在一直存在,使积分器深度饱和使积分器深度饱和,失去调整作用失去调整作用,这是这是不允许不允许,要预防。要预防。PI调整调整单独单独I调整无实用意义调整无实用意义,而是用而是用PI调整，将调整，将P快速与快速与I无差结合。无差结合。42第42页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 在一个纯百分比控制闭环系统中引入积分作用时，若保持控制在一个纯百分比控制闭环系统中引入积分作用时，若保持控制器百分比度器百分比度不变，则可从下列图所表示曲线族中看到，伴随不变，则可从下列图所表示曲线族中看到，伴随T TI I减减小，则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统振荡加剧，系统小，则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统振荡加剧，系统稳定性下降；稳定性下降；T TI I过小，可能造成系统不稳定。过小，可能造成系统不稳定。T TI I小，扰动作用下最大小，扰动作用下最大偏差下降，振荡频率增加。偏差下降，振荡频率增加。T TI I影响影响43第43页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表结论：结论：在百分比控制系统中引入积分作用优点是能够在百分比控制系统中引入积分作用优点是能够消除余差，然而降低了系统稳定性；若要保持系统消除余差，然而降低了系统稳定性；若要保持系统原有衰减比，必须对应加大控制器百分比带，这会原有衰减比，必须对应加大控制器百分比带，这会使系统其它控制指标下降。所以，假如余差不是主使系统其它控制指标下降。所以，假如余差不是主要控制指标，就没有必要引入积分作用。要控制指标，就没有必要引入积分作用。因为百分比积分控制器含有百分比和积分控制优因为百分比积分控制器含有百分比和积分控制优点，有百分比带点，有百分比带和和TI两个参数可供选择，所以适用两个参数可供选择，所以适用范围比较宽广，多数控制系统都能够采取。范围比较宽广，多数控制系统都能够采取。44第44页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 不论是不论是P还是还是I都是系统有偏差时才去处理都是系统有偏差时才去处理,最好是能最好是能预预测被调参数改变趋势测被调参数改变趋势,从而当机立断事先采取办法从而当机立断事先采取办法,防患于未防患于未然然,这种依据被调参数改变速度采取动作叫微分作用。这种依据被调参数改变速度采取动作叫微分作用。D调整输出：调整输出：u=SD d e/d t 一样一样,单纯单纯D调整也无多大实用价值，常和调整也无多大实用价值，常和P或或I结合结合,组成组成PD,PID 调整。调整。三三.微分调整微分调整(Differential Control)(Differential Control)45第45页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表输出输出 u=KC e+KCTD(de/dt)=1/e+TD(de/dt)传递函数传递函数 GC(S)=U(S)/E(S)=1/(1+TDS)因微分易引入高频噪声因微分易引入高频噪声,普通加低通滤波普通加低通滤波,则则 GC(S)=U(S)/E(S)=(1/)(1+TDS)/(TD/KD)S+1 KD为微分增益为微分增益,在在5-10之间之间,这么分母项时这么分母项时间常数是分子项间常数是分子项1/5-1/10，分析时能够忽略分母，分析时能够忽略分母项时间常数影响。项时间常数影响。1、PD调整调整46第46页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表0.632YDYP+YDYXttYPTD1.PD是有差调整是有差调整,稳态下稳态下D已不起作用已不起作用,只剩只剩P了了2.PD可提升系统稳定性可提升系统稳定性,抑制过渡过程最大超调抑制过渡过程最大超调3.PD可减小静差可减小静差,提升响应速度提升响应速度,因因D后可后可KC4.PD适合于时间常数大过程适合于时间常数大过程,不适合于不适合于Q,P等改变猛等改变猛烈过程烈过程,会使阀频繁开关振荡会使阀频繁开关振荡47第47页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表输出输出 u=KCe+S1edt+S2(de/dt)或或 u=1/(e+1/TIedt+TDde/dt)0t0t传递函数传递函数 GC(S)=1/1+1/(TI