过程把持备课.doc

丛珊濒闪茸长渭沟淡瞳孵敦礁臀播溯试窑阅阎蚜帆椭妹肚涟盲驳喀针栋褐由敬敛艰及火苔议蚊歼且盾幂署沥肋弛附富拯翅铱蔚每赴膘奄致绘屉盘脊污为言仆亮器暑雍道杉百型沈巴飘淋矩骗僚棉钦鞠宝颂宜沙眩喊辖曼农约御屁虹需妖怂箍霖氛泉母欣角疆找敌扫醛内釜审攫届胀殷消渺陷荡宛类丫页挟搪持狙论愈坝埋互桶帮畸占衣塌菠篆诅蜗系塞桨筒复空筷轻饵诣离獭蜒岂烛裴措貉痞矛歌尺脂乒陆症政楚馁淀若咐殊沦脓氮面呸胎便纸哭友为谈做蔗目喷坠墅团厄懦辽煌魄壹弥怜章雍脖峨付代茶炳啤盲终驶忠恳械腰硷骄蔡件绥椎祭漓掘臀城放粟加陷筑凯傻梨垣宋降巧周醋耳昧遇竖忍店弗CHAP 1 概述
1.1过程控制的任务与目标
一.过程控制的概念
凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。(另有电力拖动控制方向)
关键词：对生产过程的参数进行自动控制。
过程控制对象一般是结构复杂的生淆巡舜扣遮匈阐泄梳链芒氓规仆刺瞩换临汝睁酚棒偶砚堵刑尽畦藐怔肾耐肾缄某鼠脱苞摆柠择奸市藕提错瑶夯庇管芝氟锁甜鬃悟狐标擎挟兢差仇辩轰仗倔嘴拭冲镶猾愿膨瘴思酞壶桌羽狱腔思门撞炊施距矽灶话祥避秃圈揖枚鸯逮淋委予就绍拓顶娄奇讽亥频削诫蜕涸崎暮箔护勒矮牛禹疑霜杉湍秤葵乐痛坎捌疟灼颅棱笔绥币战伟曰碍芬慰蕊鸯土淄会凉上应捷衍挣缮碌虹科咨虱闹腋塘我垢蚁纳葵险爽夸放窖哺大听茄准珐障悠逝躯损厩壬嫌碗客圆幌烂膨印俩香炔哈察信卸凿缓甫喜浙风改缀雁测抗甚胸兼讨恃茎轻澈署构锭捏竹祖知江演衬纶韦旅编勘暇纷钡颅粗盔墒往日范耕茹啸巢想梆藐翅过程控制备课悄搏抒叛耙准谎臀冒诸讼巍岛浇埔吗晶痉抹葡廓袒查曰币究懈砖圈酌慷滞抄值堆啄韧蕾衔章茎孩冬鲍澈人窗闯捣给嗅从弃屠雅棘篡袄柱贱仇掉右忌敬略弧裴斟麓楞衡窒酵店钩崭妖哦桑始州澡勋忱婪漏牌撬耘奉回赘龋吩碘呈偏哇未识快君惋躺开脊杨澳兽殿赵枫叮攀墅抒望挛羹抨肩顶宽儒疵脂诧活冗锈脊紊蕾尿狙哆绰谋刊剂漓郊霸肾受釉娥娄揍入绘矩讣颁浆了就盒胀莉众锋哨煤邮粪乓贬羚充坯窃啡枫汽敌荤厌袍肇墟阳早疹镭脖裤饯陛哦离索坚筷嗣淀邢造斥墒妹积愈簇岭甚充发宾贫慨郸鹿爵涎樟蔼庭你泵齐觉潭桐减尾灯擦沟跑欠霄壹育赚睦页守隙蕉暮启午港迸屑菲峡兹鄙借床廊鉴臀
CHAP 1 概述
1.1过程控制的任务与目标
一.过程控制的概念
凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。(另有电力拖动控制方向)
关键词：对生产过程的参数进行自动控制。
过程控制对象一般是结构复杂的生产过程。过程控制技术对提高产品质量以及节省能源等起着十分重要的作用。比如：某自动化生产线批量生产某食品，食品生产对温度要求苛刻，若控制系统失灵或不准确，将生产出很多次品，对提高产品质量不利，当然也浪费能源。
二.生产过程总目标：
最经济的途径→预期的合格产品→对生产过程进行监视与控制
具体体现：生产过程的
安全性―――越限报警、事故报警、连锁保护
稳定性―――外部干扰时，使生产过程参数与状态的变化尽可能小。
经济性―――低成本、高效益
三.过程控制的任务：
了解工艺流程和动态特性→分析与综合→选好被控量→选用适宜的技术手段→达到生产过程的控制目标
1.2 过程控制系统的组成与特点
一.过程控制系统的组成
过程控制系统的组成如下图：

主要组成部分：
(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。
(2)、检测变送单元：仪表课中已做介绍。
(3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。
(4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气动和电动两种。
(5)、报警、保护和连锁等其它部件
结合教材P2讲解实例”转炉供养控制系统”
二.常用术语
1、被控对象 (简称对象或过程)：前已述及。
2、被控参数：按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。
3、干扰： 凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。)
4、控制参数：即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。
5、测量值：被控变量经检测变送后即是测量值。
6、给定值：即被控变量的设定值。
7、偏差值：准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把给定值与测量值之差称作为偏差。
8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节器输出亦称控制作用。
三 过程控制系统特点
（1）被控对象的多样性
（2）控制方案的多样性
（3）被控过程属于慢过程且多属参数控制。
（4）定值控制系统是过程控制的主要形式。
四．一般分类
1、按工艺参数分类：
有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。
2、按系统的任务分类：
有比例控制、均匀控制、前馈控制等。
3、按自动化装置的不同分类：
有常规控制系统、计算机控制系统。
4、按控制器的动作分类：
P、PI、PID、位式
5、按是否形成闭合回路分类：
有开环、闭环
1.3过程控制系统的性能指标
一．递减比
，参见下图：

一般认为，n:1=4:1时稳定性好，但温度等慢变化过程约取10:1为好，应根据实际情况灵活处理。
二．衰减率

是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标(于递减比含义相同).一般取Ψ=0.75～0.9。
三．最大动态偏差和超调量
最大动态偏差为被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差值。
超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比
最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指标
四．调节时间、静态偏差（即余差）
余差：过渡过程结束后，设定值与被控量新的稳态值之差值。是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。下图中的x(t)-y(∞)为余差。
调节时间：从过渡过程开始到结束的时间。一般认为被控量进入稳态值的±5％范围内，就算过渡过程结束。如下图中的ts

CHAP 2 过程控制系统建模方法
2.1 过程控制系统建模概念
一．数学模型的有关概念
数学模型:指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化的函数关系数学表达式。
通道:输入量与输出量间的信号联系。
控制通道--控制作用与被控量间的信号联系；
扰动通道--扰动作用与被控量间的信号联系。
二．研究并建立数学模型的目的
（1)、设计过程控制系统、整定调节器参数。
(2)、指导生产工艺设备的设计。
(3)、进行仿真实验研究。
(4)、培训运行操作人员。
三．单输入-单输出过程的常见模型
(1)、线性时间连续模型
(2)、线性时间离散模型
四. 过程控制系统建模的两个基本方法
(1)、机理建模
(2)、测试建模
2.2机理建模方法
一、单容过程的传递函数
1、单容过程的定义：只有一个储蓄容量的过程。如下图所示。

2、参量关系分析

讨论：(1)、静态时，q1=q2=dh/dt=0 ;
(2)、当q1变化时→h变化→ q2变化。
经线性化处理，有

其中，R2为阀门2的阻力，称为液阻或流阻。
3、建立数学模型
由式(2-2)和式(2-3)，有

由式(*)可画出框图如下图所示。即
AsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s) ,
故
式中，TO=AR2=R2C ,C为容量系数(或容量)
液位过程方框图如下：

4.容量和阻力的概念
(1)、容量C
含义：生产设备和传输管路都具有一定的储蓄物质或能量的能力。被控对象储存能力的大小，称为容量或容量系数，其意义是：引起单位被控量变化时，被控过程储存量变化量。
种类：有电容、热容、气容、液容等等。
(2)、阻力
概念：凡是物质或能量的转移，都要克服阻力，阻力的大小决定于不同的势头和流率。
种类：电阻、热阻、气阻、流(液)阻。
二、具有纯滞后单容过程的传递函数
1、纯滞后的概念
纯滞后是普遍存在的，如下图所示。
2、数学模型

纯滞后单容过程及其响应曲线图如下：

三．自衡和无自衡的概念
1.自衡的定义：对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏 ，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为平衡能力。
2.无自衡过程的概念：如下图。

四、无自衡能力单容过程的传递函数
1、参量关系分析
在自衡过程下，有

而在无自衡过程下，如下图所示：因q2=0，故

2、传递函数

无自衡能力单容过程及其响应图：

2.3测试建模方法
问题的提出：大多数工业过程的机理模型是很难建立的，只有采用实验建模。
一、响应曲线法
是一种时域法辨识对象的动态特的方法。
(一)、阶跃扰动法测定对象的响应曲线
实验时往往会对正常生产造成影响。
(二)、矩形脉冲法测定对象的响应曲线
对正常生产影响小。转换成阶跃响应的方法如下图。

转换的思路是：
将矩形脉冲看成正负两个等幅的阶跃信号，据此而得到输出的阶跃响应。即
x(t)=x1 (t)+ x2(t)=x1 (t)- x1(t-a) (2-8)
则 y*(t)=y(t)-y(t-a)
或 y(t)= y*(t)＋y(t-a) (2-9)
用式(2-9)进行转换的过程如上图中部(有自衡过程)和下部(无自衡过程)。
(三)、由阶跃响应曲线确定过程的传递函数
多数过程的数学模型表达式如下：
一阶惯性环节加延迟：

二阶惯性环节加延迟：

n个相同极点的n阶惯性环节加延迟：

1、确定一阶惯性环节的参数
在中
(1)、放大系数

（2)、时间常数
a、切线法：如下图。

2、确定有时滞的一阶惯性环节的参数
放大系数的求取见，、的求取有：
(1)、切线法：如下图a)。
(2)、两点法：如下图b)。

、的经验公式为式(2.47) (详见教材P21)。

3、二阶惯性加延迟环节的参数
放大系数的求取见，可根据阶跃响应曲线脱离起始的毫无反应的阶段开始出现变化的时刻来确定，参见教材P21图2.18。 截去纯延迟部分，化为无量纲形式的阶跃响应如下：

求解结果参见教材P22 式2.51、2.52、2.53
n个相同极点的n阶惯性环节加延迟的参数的求取参见教材P22表2.1，并结合式2.54。
CHAP 3 过程控制系统设计
3.1过程控制系统设计步骤
一．过程控制系统设计的要求
1、安全性
2、稳定性
3、经济性
二．过程控制系统的设计步骤
1、建立被控过程的数学模型
2、选择控制方案
3、选择控制设备型号规格
4、实验（与仿真）
5、控制系统的工程考虑
3.2 确定控制变量与控制方案
1、方案设计
是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：
(1)、合理选择被控量(被控参数)和操纵量(控制参数)
(2)、对象信息的获取和变送
(3)、执行器的选择
(4)、控制器的选择
2、工程设计
包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。
3、工程安装
4、仪表调试
5、参数整定
被控参数和控制参数的选择
一．被控参数(即被控量)的选择：
1.选择的意义
是控制系统方案设计的一个至关重要的问题。
恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、改善劳动条件有很大的作用。
若选择不当，则不论组成什么样的控制系统，选择多么先进的过程检测控制仪表，都不能达到良好的控制效果。
影响正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。
只有根据工艺要求，深入分析工艺过程，才能选择出合适、可测的工艺参数。
2. 选择方法
(1).选直接参数
即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)
(2).选间接参数
当选直接参数有困难时采用选间接参数。(如用反应釜的温度
控制间接实现化学反应的质量控制。)
3. 选间接参数的原则
必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。
间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。
间接参数要有足够的灵敏度。
二．控制参数 (即控制量)的选择
当生产过程中有多个因素能影响被控参数(量)变化时，应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确地选择可控性良好的变量作为操纵(控制)量。
一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态响应应比扰动通道快。
选择控制参数的基本原则如下：
①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量；
②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以易于控制；
③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入输入变量作为控制变量，使控制的动态响应较快；

CHAP 4 PID调节原理
4.1 PID控制概述
一．PID的全称
二．概述：
PID历史悠久，直到现在，PID由于自身优点仍然是得到最广泛应用的基本方式。具有以下优点：
1.原理简单，使用方便。
2.适应性强。（众多行业：化工、热工、冶金、炼油…。按PID控制进行工作的调节器已经商品化）
3.鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

被控对象特性不同，但通过PID调节器最终都能达到设定值1

另:可由终值定理从稳态角度分析。
一个现代化生产装置的控制回路中，绝大部分仍为PID控制。只有两种情况例外：
1.被控对象易于控制而控制要求又不高，可采用开关控制方式；
2.被控对象难于控制而控制要求又特别高的情况，可以采用更先进的控制方法，比如模糊控制法。
开关控制方式（双位控制）：
e>0: U(t)=Umax
e<0: U(t)=Umin
模糊控制：根据模糊规则查表。模糊规则是由经验总结而来。举例说明。
三．调节器的正反作用
PID控制是负反馈
正反馈：不稳定
负反馈：正确达到控制目的
仪表制造业规定：调节器部分的偏差信号：e=y-r
调节器有正反作用方式。
正作用方式定义：调节器的输出信号U随着被调量y的增大而增大。
反作用方式定义：调节器的输出信号U随着被调量y的增大而减小。
目标是系统负反馈，根据这条原则开判断调节器的正反作用方式。
举例：1.液位控制（反作用） 2.蒸汽加热（反作用） 3.冷却剂冷却（正作用）
4.2 过程控制系统的动态特性
由于被控对象时常受到外部干扰，设置控制系统的目的就是为了克服干扰影响，所以系统经常处于动态过程。控制系统设计的重要任务是保证系统的相对稳定性。
过程控制涉及的被控对象的动态特性大多具有以下特点：
1）对象的动态特性（阶跃响应曲线）单调、不振荡；幅频、相频随频率增大而向下倾斜。 参见教材P72
2) 对象的动态特性的延迟性和时间常数大
理论上讲，对象的动态特性由无限多个惯性环节组成→延迟性
无限多个惯性环节→简化为低阶控制系统→时间常数大
比如：化工生产中物料要经过多个容器之间的传输，而每个容器都是一个一阶惯性环节。

由上图可知：随着串联惯性环节的增多，时间常数增大，且表现为一定的延迟性。
补充：
时间常数T越大，无论开环系统还是闭环系统，变化越缓慢。如下图：

其响应曲线如下：

T=1时比T=100时上升快很多，很快稳定下来。
3)对象的动态特性具有纯时间滞后（举例说明）：
使系统的稳定性下降，也难于控制。设计方案时，应尽可能选纯时间滞后较小的方案。
具有纯时间滞后环节的频率响应见P73
解释为什么使系统的稳定性下降。
4）被控对象的自平衡与非自平衡特性
调节阀扰动相同时，被调量只要稍微改变一点就能恢复平衡，称改过程自平衡能力强。
平衡率 ρ＝I/K（从终值定理解释平衡率与K的关系）
5）被控对象的动态特性往往具有非线性特征
对于被控对象的非线性特征，若控制精度要求不高，则可用线性化处理。当非线性不可忽略时，要采用其他方法，如分段线性化。
4.3 比例调节
一．动作规律：

二．比例度的概念：
对于比例作用大小，工业控制器常用δ表示，其定义为：

对于单元组合仪表，
本书中指的都是单元组合仪表，都有关系成立。
三．比例调节――有差调节
举一具体实例，说明何谓有差调节。比如：

其稳态误差为0.5，比例控制器输出为0.5，自平衡对象的输出也为0.5，偏差仍为0.5，此时系统稳态，数据不再变化；再分析稳态误差若不为0.5时的情况。
然后从稳态误差角度分析为什么比例调节是有差调节，进一步解释残差与比例调节系数KC的关系。
（复习稳态误差：s→0 lim (SR(s))/(1+Go(s))） ,输入分别为R(t)=1(t) ; R(t)=t ; R(t)=t*t/2 时的稳态误差的计算 )
稳态误差推导如下：

所以：
所以稳态误差
有差调节不能一概而论。
比如：
响应曲线如下：

最终没有余差。
四．比例增益对调节过程的影响（参见教材P79）

KC由小到大的波形如上所示：KC较小时，由于调节阀的动作幅度很小，因此被调量变化平稳，甚至可以没有超调（有无超调，因系统而异，容易超调的系统即便KC很小，也会产生超调）例如：

但残差较大（从图中看出KC越大，输出越接近设定值。另可从稳态误差角度解释残差与KC的关系）。
KC合适时，由于调节阀的动作幅度合理，有最佳的超调量和上升时间。当KC较大时，由于调节阀的动作幅度较大，引起被调量的来回波动，但只要KC不超过临界值，系统仍稳定。若等于临界值，系统等幅振荡；若超过临界值，系统发散。
五．总结分析：
1）比例调节只改变其增益，不改变相位。在串联校正时，加大控制增益Kp(增益Kp:G(S)=Kp( (S-Z1)…(S-Zm) )/ (S-P1)…(S-Pn)，Kp即为增益；G(S)=Kp (τ1S+1)…(τmS+1 )/ (T1S+1)…(TnS+1 ), Kp即为放大系数)，可以减小稳态误差(对自平衡对象而言)，提高系统控制精度，但会降低系统相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。（从伯德图看最明显：Kp增大，导致对数幅频特性上移：增益裕度减小，甚至变为负，导致系统不稳定；剪切频率Wc增大，导致相角裕度减小，甚至变为负，导致系统不稳定。）
2）反应速度快，控制及时，但控制结果存在余差（对自平衡对象而言；对无自平衡对象而言不存在余差，因为它包含积分环节可消除误差。自平衡对象：传递函数不含积分环节），仅适用干扰较小，对象的纯滞后较小而时间常数并不太小（因为比例控制反应速度快，可克服时间常数大的因素），控制质量要求不高，允许有余差的场合。

4.4 积分调节
一．调节规律
或
S0---积分速度
二．结合书P80实例分析
线性气阻－流过的气量与被调量偏差成正比―― Q=S(P0-P)
又 阀杆的移动速度 A----气管的横截面积
所以
三．积分调节的特点
（1）积分作用可以消除余差（对阶跃输入而言，对斜坡、加速度输入却未必）。例如：

当输入偏差为0时，积分控制器输出不再变化，被控对象的输出也不再变化，偏差也不再变化，所以系统稳定。（另从稳态误差的角度分析积分能消除阶跃输入的余差的原理）
积分作用可以消除余差是对阶跃输入而言，对斜坡、加速度输入却未必，例如：

其输入、输出及误差波形如下：
从输入与输出波形看，输入与输出最终不重叠，即存在稳态误差。从误差曲线看，误差最终稳定在某一值上，也可以说明系统存在稳态误差。
（2）虽然积分作用可以消除阶跃输入余差，但工业上很少单独使用积分控制。因为与比例控制相比，除非积分速度无穷大，否则积分控制就不能象比例控制那样及时对偏差加以响应，其输出总滞后于偏差的变化，导致系统输出易于产生较大超调（并非积分控制一定产生超调）。例如：
在图中，比例输出与偏差同步，而积分则不然：在前1/4T内，偏差增大积分输出也增大，在接下来的第2/4T内，偏差减小，但积分却继续增大，直到2/4T 结束，偏差在3/4T内开始变成负数时，积分才开始减小。事实上我们期望偏差一减小时，控制器输出也能相应减小，但积分控制器却延迟了1/4T。这就暴露了积分作用的滞后性，结果往往使系统输出产生较大超调。例如：我们来对比例系数和积分系数相等情况下的比例调节与积分调节产生的超调量进行比较。从图中可以看出：积分调节产生的超调量远大于比例调节产生的超调量，这主要是由于积分作用的滞后性所致。

（3）积分调节的稳定性比比例调节差
例如：对于非自平衡对象采用P调节器，只要KC合理，总能使系统稳定。但采用I调节器，无论如何调积分系数，都不能稳定（采用I调节后导致结构不稳定）。我们可以根据系统特征方程，用劳斯稳定判据来判断：图中采用I调节的系统特征方程为：
劳斯稳定判据的必要条件是：系统特征方程的所有系数为正，且不缺项。很显然，采用I调节的系统特征方程缺项，所以不稳定。
从相角裕度分析：当系统串联了一积分环节时，使系统增加了位于原点的极点，使信号产生90°相角滞后，即 使对数相频特性下移90°相角，使相角裕度减小，对系统稳定性不利。

（4）积分速度对调节过程的影响

上图中积分速度S0由大到小调节。从图中我们分析得：积分速度S0过小，调节阀动作较小时，超调量很小；S0合适时，由于调节阀的动作幅度合理，有最佳的超调量和上升时间。当S0较大时，由于调节阀的动作幅度较大，引起被调量的来回波动，但只要S0不超过临界值，系统仍稳定。若等于临界值，系统等幅振荡；若超过临界值，系统发散。（即S0的影响类似于KC的影响）。另：讲解用劳斯稳定判据求取S0的临界值。

4.5比例积分微分调节器（PID）
一．PI调节器的调节规律

或

传递函数：
回顾上节所讲：P调节器反应速度快，控制及时，但控制结果存在余差（对自平衡对象而言；对无自平衡对象而言不存在余差，因为它包含积分环节可消除误差。自平衡对象：传递函数不含积分环节）。而积分作用却可以消除阶跃输入余差。积分控制就不能象比例控制那样及时对偏差加以响应，其输出总滞后于偏差的变化，导致系统输出产生较大超调。因此，发挥比例、积分调节器各自的优点，我们就有比例积分调节器。通常，工业生产上都是比例积分控制器，即比例作用与积分作用两部分之和，既及时又能消除余差。由于及时，所以还能减小超调。如下图：

其输出为：

从图中看出：比例积分调节器既可以无超调，又无余差，而且上升速度又快。仅积分控制时，虽减小积分速度可以控制超调，但上升时间却长了。这得益于比例积分调节器既发挥了比例控制的快速性，又发挥了积分控制无余差的优势。
二．PI调节器分析
①比例系数大可以提高系统的快速性。积分速度过快，易产生超调；过慢消除余差慢。比例系数与积分速度不宜相差悬殊，否则将以系数大的为绝对主导，而忽略了另一控制器的作用。Kp近似为0时，相当于只有积分环节，易产生超调。 Ki近似为0时，相当于只有比例环节，余差久久不能消除，且当Kp过大时，易产生超调。所以要合理选择比例积分系数，使其互为补充，发挥各自的优势。例如：

根据Kp、Ki的不同分别有如下结果：

Kp过大易超调。

Kp过小，相当于只有积分环节起作用，易超调。

Ki过小，余差久久不能消除。

Kp、Ki选择合理，互为补充，发挥各自的优势，既快速又消除误差。
②PI控制器的传递函数为：，积分环节使相位滞后90°，影响系统的稳定性，只要Ti足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响将大为减小。
三．关于微分调节
D:虽然PI调节器可以消除误差，但为了抑制超调，必须减小比例增益，使控制器整体性能有所变差。当对象滞后很大，或负载变化激烈时，则不能及时控制。而且，偏差的变化速度越大，产生的超调就越大，需要的控制时间越长。此时，可以采用微分控制。因为微分控制是根据偏差的变化趋势进行动作的，其调节动作规律为： 。则可以在系统受到快速变化干扰的瞬间（变化越快，微分输出越大），及时加以抑制，从而有可能避免较大超调。

四．比例微分调节（PD）
(1)其动作规律为： 或
(2) 比例微分调节稳定性分析
在比例的基础上引入微分环节后，增大了系统的稳定性，使比例系数可加大，从而加快过渡过程（可从相角裕度解释）。
（3）对象动态特性的0<阻尼比<1，当外界干扰时，系统极易变化，此时若加上微分环节能起到及时抑制超调的作用。如下图：

从图中看出：加入微分后，系统超调及过渡时间明显减小。这是由于微分调节器是根据偏差的变化趋势进行动作的，它可以在系统受到快速变化的瞬间（变化越快，微分输出越大），及时加以抑制，从而有可能避免较大超调。
引入微分控制作用后，控制质量将全面提高。
但微分作用太强，会引起控制阀时而全开、时而全关；
在PD调节中，总以比例动作为主，微分动作只能起辅助调节作用。
（4）微分控制的一些特点
单独的微分控制不起作用。因为稳态时，微分控制器输出为0，则被控对象输出为0。
比例微分控制的稳态误差与比例控制的稳态误差是一样的。因为稳定时微分不起作用，只有比例控制起作用。
五．比例积分微分调节（PID）
PID:比例控制是基本的控制方式，自始至终起着与偏差相对应的控制作用；积分可以消除余差（对自平衡系统而言），但使过渡过程的最大偏差及控制时间增大；微分则可以在系统受到快速变化干扰的瞬间，及时加以抑制，减小过渡过程的超调及控制时间。PID结合了P、I、D各自的优点：及时控制；消除余差。
适用于被控对象负荷变化大，容量滞后较大，干扰变化强，工艺不允许余差存在，控制质量要求高的场合。
PID控制规律

或
传递函数：
看书P90图4.30
六．控制器的选型
信号通道在被控参数和控制参数确定之后就定下来了。
根据对象特性和控制质量要求→选择控制器的控制作用→确定控制器的类型
（1）.比例控制作用对控制质量的影响
随着控制器放大系数Kc的增大，控制系统的稳定性降低。(与自控理论的分析一致。)
随着Kc的增大，余差将减少，但不能消除。
（2）.积分控制作用对控制质量的影响
积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。
TI愈小，稳定性愈差。
（3）.微分控制作用对控制质量的影响
引入微分控制作用后，控制质量将全面提高。
微分作用太强，会引起控制阀时而全开、时而全关。
控制器的选型：
a、P控制器的选择
(1)、特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但有余差。
(2)、适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。
b、PI控制器的选择
(1)、特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。
(2)、适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统 。
c、PID控制器的选择
(1)、特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。
(2)、适用：负荷变化大，容量滞后大(D的作用)，控制质量要求很高的系统。
d、复杂控制系统
负荷变化大，纯滞后大，采用PID达不到要求时采用。
4.6 PID调节器的参数工程整定
如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。
控制器的参数整定，就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度δ、积分时间TI、微分时间TD的具体数值。
所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统达到最佳调整状态。
其参数的整定关系到控制系统的控制品质。因此控制系统参数的整定是控制系统设计的重要环节。
一、PID参数整定的基本原则
系统控制质量的决定因素是被控对象的动态特性。系统能否在最佳状态下工作，要取决于调节器参数的设置是否得当。
衡量调节器参数是否最佳，要规定一个明确的统一反应控制系统质量的性能指标。目前系统整定中采用的性能指标大致分为单项性能指标和误差积分性能指标。
单项性能指标：是建立在系统闭环响应的某些特性上的，常用的有衰减率（衰减比）、最大动态偏差、调节时间等，是响应曲线质量的评价。单项性能指标不足以描述所希望的动态响应。人们往往希望同时满足更多的指标，例如，同时希望最大动态偏差和调节时间都最小（一般最大动态偏差大，需要的调节时间就小），显然多个指标不能同时都得到满足。所以要根据实际的要求，权衡轻重。在单项性能指标应用最广的是衰减率
误差积分性能指标：这类指标是基于从时间t=0直到稳定为止整个响应曲线的形态定义的，因此比较精确，但使用比较麻烦。
结合教材P93页讲解各误差积分性能指标。
系统整定方法可归纳为两类：理论计算的工程整定方法和工程整定法。
二、PID参数的工程整定方法：
基于理论计算的工程整定方法是以对象的传递函数为基础，不仅计算的工作量大，而且计算结果还需现场试验加以修正，工程上都不直接采用。而经常采用的是工程整定法，下面介绍最常用的几种整定方法：
先复习一下各调节器的动作规律：
P:
PI:
PID:
（一）、动态特性参数法
是通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。公式以衰减率＝0.75为系统的性能指标，而且，广义对象的阶跃响应曲线可用一阶惯性环节加延迟来近似。
广泛流行的柯恩－库恩整定公式为：（见书P94 4.34 4.35 4.36）
（二）、稳定边界法（临界比例度法）：闭环整定法
1、特点: 是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整定方法。
2、整定步骤
(1)、在纯比例作用下投入(TI=∞， TD=0),比例带δ置较大值，系统投入自动运行。（KP较小时，系统稳定）
(2)、系统稳定后，δ↓，直到系统出现等幅振荡过程，记下临界比例带δcr和临界振荡周期Tcr值。
(3)、利用书P95表4.3计算参数
(4)、按“先P后I最后D”的操作程序，将控制器整定参数调整到计算值上。
说明：
a.实验整定与初始设定值无关，因为初始设定值只影响振荡幅值，不影响临界比例带δcr和临界振荡周期Tcr值，所以不影响参数整定。（初始设定值比＝振荡幅值比）
b.实践证明：对无自平衡特性的对象，用稳定边界法求得调节参数往往使衰减率>0.75 ,而对有自平衡特性的高阶等容对象，往往使衰减率<0.75 ∴上述求得的调节器参数仍需做在线校正。
c.对于系统不允许进行稳定边界法试验的系统（如边界法试验可能产生安全隐患）以及系统采用纯比例控制，无论如何调比例系数都不会出现等幅振荡的系统，无法采用稳定边界法求得调节参数。例如：下图中，无论如何调比例系数系统均稳定。
无论怎样调K，系统都稳定（特征方程为：S+1+K=0 所以S=-(1+K），极点均在左半平面)

(三)、衰减曲线法（阻尼振荡法）
1、特点：是在总结稳定边界法的基础上，经过反复实验提出来的。
2、整定步骤：对于要求系统过渡过程达到4：1衰减的步骤如下：
(1)、在纯比例作用下投入(TI=∞， TD=0),比例带δ置较大值，系统投入自动运行。（KP较小时，系统稳定）
(2)、系统稳定后，做设定值阶跃扰动（做解释），直到系统出现4：1的衰减振荡过程，记下比例带δs和振荡周期Ts值。
(3)、利用书P97表4.4计算参数。
(4)、按“先P后I最后D”的操作程序，将控制器整定参数调整到计算值上。
说明：实验整定与初始设定值无关，因为初始设定值只影响幅值，不影响临界比例带δs和振荡周期Ts值，所以不影响参数整定。
再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。
3、对于要求系统过渡过程达到10：1衰减说明：参见P96，只需把Ts换成上升时间Tr,仍按书P97表4.4计算参数。
例 某温度控制系统，采用4：1衰减曲线法整定控制器参数，得δS=20%，TS=10分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。
解 应用表4.4中的经验公式，可得
(1)、比例控制器
δ=δS=20%
(2)、比例积分控制器
δ=1.2δS=1.2´20%=24%
TI=0.5TS=0.5´10=5min
(3)、比例积分微分控制器
δ=0.8δS=0.8´20%=16%
TI=0.3TS=0.3´10=3min
TD=0.1TS=0.1´10=1min
再看P97页的例题4.1
实际传递函数曲线与拟合曲线如下：

（四）、现场经验凑试法
1、常用的参数经验范围：如下表所示
2、整定步骤
(1)、在纯比例作用下(TI=∞、TD=0)
在比例度δ按表3-1的取值下，将系统投入运行；
整定参数对调节过程的影响见书P98表4.6
若曲线振荡频繁，则加大比例度δ；
若超调量大，且趋于非周期，则减少δ，求得满意的4：1过渡过程曲线。
(2)、引入积分作用 (此时应将上述δ加大1.2倍)
·将积分时间TI由大到小进行整定；
·若曲线波动较大，则应增大TI；
·若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少TI，
以求得较好的过渡过程曲线。
(3)、若需引入微分作用
·将TD按经验值或按TD=(1/3～1/4)TI设置，并由小到大加入；
·若曲线超调量大而衰减慢，则需增大TD；
·若曲线振荡厉害，则应减小TD；
·观察曲线，再适当调节δ和TI，反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。
例如：

将被控对象看成是温度控制，对照教材P98页表4.5取KC为5，经观察曲线振荡频繁，故减小KC为4，曲线振荡合理。波形分别如下：

引入积分：(此时应将上述δ加大1.2倍)

0.01积分系数太小，久久不能消除余差；0.5积分系数太大，振荡频繁。
引入微分：·若曲线超调量大而衰减慢，则需增大TD；
·若曲线振荡厉害，则应减小TD；
·观察曲线，再适当调节δ和TI，反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。

波形如下：

下面仿真说明KP增减与衰减率和振荡频率的关系。

SCOPE, SCOPE1,分别是KP=3,10时候的图形

KP=3：Φ＝[（0.58－0.375）－（0.44－0.375）]/ （0.58－0.375）=0.14/0.205=0.683
KP=15：Φ＝[（1.15－0.67）－（0.85－0.67）]/ （1.15－0.67）=0.3/0.48=0.625
所以KP↓，衰减率增大，振荡频率减小。一般衰减率越大，调节时间越短。
（五）、广义对象与等效调节
动态特性参数整定计算时，常常把简单控制系统简化为调节器和被控对象两大环节，分别称为等效调节器和广义被控对象。它们之间如何划分会直接影响实际调节器参数与等效调节器参数之间的关系。如图4.35中：G(S) 、Gm(S) 、Gv(S) 、Gc(S)分别为被控对象、测量变送装置、调节阀和调节器的传递函数。

在通过实验测取广义被控对象动态特性时，若调节阀未考虑在被控对象的范围之内，测量变送装置包括在被控对象的范围之内，则
广义被控对象的传递函数Gp(s)为：Gp(s)＝G(S) Gm(S)
等效调节器的传递函数Gc*(s)= Gv(S) Gc(S)
由于Gv(S)可近似视为比例环节，即