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第一讲 自动控制原理

一、 基本概念：
1、 被调参数：生产过程中所要保持恒定的参数。一般指测量值。
2、 调节参数：调节阀的输出信号。
3、 偏差：给定值和测量值的差值。
4、 干扰作用：破坏系统的平衡状态，引起被调参数发生变化的外界因素。
干扰作用f
5、 调节作用：调节阀的输出信号的变化称为调节作用。
变送器 测量元件

给定值+
偏差e
调节器
调节器输出P
调节阀
调节作用q
被调参数Y
调节对象
测量值
--

二、 调节系统的分类：
1、 根据给定值的不同分为：定值调节系统和随动调节系统。
2、 根据调节系统有无闭和回路分为闭环调节系统和开环调节系统。
比较：闭环调节系统是按偏差进行调节的反馈调节系统，优点是偏差存在就一定有调节作用，并且这个调节作用从原则上讲又一定是抑制干扰，起消除或减小偏差的作用，他的调节精度高。缺点是调节不及时。开环调节系统的优点是调节及时，缺点是调节精度不稳定？
三、 自动调节系统的过渡过程
调节系统的过渡过程指当调节系统在外界干扰或给定干扰作用下，从一个平衡到另一个新平衡的过程。它是一个调节系统的调节作用不断克服干扰影响的过程。
1、 自调系统的动态特性：自调系统的动态特性就是调节系统的过渡过程，包括静态和动态。被调参数不随时间的变化而变化，处于某一平衡状态称为系统的静态，静态指各参数的变化率为零。而把被调参数随时间而变化的不平衡状态称为动态。
2、 过渡过程的形式：
按系统过渡过程的形式基本上可分为振荡过程和非周期过程。
振荡过程：当系统受到干扰后，在调节作用下，被调参数是一上一下波动的过程。振荡的分类：发散振荡、等幅振荡、衰减振荡。
发散振荡过程：系统受到干扰后，被调参数的波动幅度愈来愈大。
等幅振荡过程：系统受到干扰后，被调参数始终在给定值附近有较大幅度的波动而且波动的幅度相等。
衰减振荡：系统受到干扰后，被调参数波动的幅度愈来愈小，最后逐渐处于稳定。
非周期过程：系统受到干扰后，在调节作用下，被调参数的变化是单调地增大或减少的过程。又分为非周期衰减过程和非周期发散过程。
3、 过渡过程的质量指标：
1、 余差C：新的稳态值与给定值之差。也就是过渡终了时的残余偏差。余差是一个静态指标也是一个精度指标。
4、 最大偏差A和超调量B
最大偏差：被调参数最大指示值与给定值之差。它作为衡量调节系统质量的一个指标，可以反映出系统的稳定程度。
超调量指过渡过程曲线超出新稳态值的最大值。它是反映系统过调程度也是反映系统稳定性的一个质量指标。
5、 衰减比n：
衰减比是表示衰减振荡的过渡过程的衰减程度。是指过渡过程曲线同方向的前后向邻的两个峰值之比，衰减比为4：1到10：1比较合适。
6、 过渡时间 ts :
过渡时间又称为回复时间或调整时间。从干扰开始作用之时起，直至被调参数进入最终稳定值的5%的范围之内所经历的时间。它是衡量系统快速性的一个质量指标。
7、 振荡周期T：
过渡过程从一个波峰到第二个波峰之间的时间叫振荡周期或工作周期，它是衡量调节过程快慢的一个指标。
四、 调节器的参数整定：
整定参数的目的：通过调节系统的工程整定，使调节器获得最佳参数，即过渡过程要有较好的稳定性和快速性。一般希望调节过程要有较大的衰减比， 超调量要小些，调节时间越短越好，又要没有余差。对于定值调节系统，一般希望有4：1的衰减比。
工程上常用的几种整定方法：
1、 经验凑试法：
首先根据对象的大致特点，按下表给出参数大致变化范围，使系统投入闭环运行，反复凑试参数，观察曲线变化，直到达到最满意的过程曲线为止。
被调参数
特点
比例度δ（%）
积分时间Ti(分）
微分时间Te(分）
流量
对象时间常数少，并有噪声,δ应较大，Ti较短，不用微分
40~100
0.1~1

温度
对象多容量，滞后较大，须用微分
20~60
3~10
0.5~3
压力
对象惯性一般不大,不用微分
30~70
0.4~3

液位
在允许有余差时,只要用纯比例作用
20~80

①采用比例调节器的系统：把比例度即比例放大倍数的倒数由大逐渐变小，观察调节过程曲线，直至最佳。
②采用比例积分调节器的系统：先去掉积分，按比例调节器整定比例度，然后将比例度放大20%左右，再引进积分，将积分时间由大到小进行改变，使其得到比较好的调节过程曲线。最后在这个积分时间下，再改变比例度的大小，观察曲线，接着再调比例度，多次反复调整，直到满意。
③比例积分微分调节器的整定步骤，先去掉微分作用，按比例积分调节器整定，再引入微分作用。
2、 临界比例度法：先按纯比例调节，调节比例度直至曲线为等幅振荡即到达临界振荡状态，求得临界比例度δk和临界周期Tk，按经验公式求得PID参数。

调节规律 调节参数
比例度δ(%)
积分时间Ti(分)
微分时间Td(分)
P
2 δk

PI
2. 2 δk
0.85Tk

PID
1. 7 δk
0.5Tk
0.125Tk

3、 衰减曲线法：先在纯比例作用下投入运行，并稳定一段时间，再根据工艺的许可程度，加2%~3%的扰动，观察过程曲线，通过改变比例度直到找出4：1衰减过程为至，得到此时的比例度δs和操作周期Ts，再按经验法查表得到PID参数。

调节规律 调节参数
比例度δ(%)
积分时间Ti(分)
微分时间Td(分)
P
δs

PI
1. 2 δs
0.5Ts

PID
0. 8 δs
0.3Ts
0.1Ts

第二讲 PID调节的作用

一、 基本概念：
调节规律：在调节系统中反映输出随输入变化情况的规律。
PID调节：比例、积分、微分调节。
二、 比例调节器（P）：
调节器的输出y与输入偏差e(t)成正比。
方程式：y=kp e ( t)
特点：只要偏差一出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。它是最基本的一种调节规律。比例调节的主要缺点是存在余差。
三、 比例积分调节器（PI）：
积分作用指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。
积分方程式： 1
y= ∫e(t) dt
Ti
积分作用的特点： 调节器的输出与偏差存在的时间有关，只要偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消失，因此积分作用主要优点是能消除静差（余差）。积分作用的缺点是：动作缓慢，而且在偏差刚一出现时，调节作用很弱，不能及时克服扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增大，调节过程增长，因此，它很少被单独使用。
把比例和积分两钟作用结合起来，构成PI调节器，其调节规律为：

特点：即克服了纯比例调节器存在余差的缺点，又避免了积分调节器响应慢的缺点，即静态和动态特性均得到了改善。
四、 比例微分调节器(PD)：

微分方程：

比例微分方程：

微分作用的特点：输出只能反映偏差输入变化的速度，而对于一个固定不变的偏差，不管其数值多大，不会有微分作用输出。微分作用起粗调、先调的作用，它在偏差刚出现的时刻产生一个很大的调节作用。
比例微分作用的调节过程：当偏差出现瞬间，PD调节器输出一个很大的阶跃信号，然后按指数下降，直至最后微分作用完全消失，变成一个纯比例调节。微分作用的强弱可以用改变微分时间Td来实现。
五、 比例积分微分调节器（PID）：

方程式：

调节过程：在阶跃信号作用下，首先是比例和微分作用，使其调节作用加强，然后进行积分，直到最后消除余差为止。因此采用PID调节器无论从静态、还是动态的角度来说，调节品质均得到了改善，从而使得PID调节器成为一种应用最为广泛的调节器。