第一過(guò)程控制基本概念

1、工業(yè)過(guò)程辨識(shí)與控制工業(yè)過(guò)程辨識(shí)與控制鄔晶鄔晶上海交通大學(xué)電信學(xué)院自動(dòng)化系上海交通大學(xué)電信學(xué)院自動(dòng)化系20122012學(xué)年冬季學(xué)期學(xué)年冬季學(xué)期教學(xué)內(nèi)容與要求教學(xué)內(nèi)容與要求教學(xué)內(nèi)容 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的基本概念 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的辨識(shí)與建模 多變量控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與控制器設(shè)計(jì) 過(guò)程控制系統(tǒng)的性能評(píng)估教學(xué)目標(biāo) 了解控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的，掌握控制系統(tǒng)方塊圖描述法 掌握過(guò)程機(jī)理模型建模的一般方法 掌握PID等常規(guī)控制策略，了解先進(jìn)控制技術(shù)，掌握其設(shè)計(jì)思想、概念、特點(diǎn)及適用場(chǎng)合 在了解、熟悉、掌握生產(chǎn)工藝流程與生產(chǎn)過(guò)程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝要求，應(yīng)用控制理論、現(xiàn)代控制技術(shù)，分析、設(shè)計(jì)、整定過(guò)程

2、控制系統(tǒng)。課程要求及參考書(shū)目課程要求及參考書(shū)目考核及成績(jī)?cè)u(píng)定方法教材及主要參考書(shū)目工業(yè)系統(tǒng)辨識(shí)與控制，李少遠(yuǎn)等，化學(xué)工業(yè)出版社，2010年自動(dòng)控制原理，胡壽松，科學(xué)出版社，2001年及以后新版本現(xiàn)代控制工程（第二版），緒方勝?gòu)┲?，盧伯英等譯，科學(xué)出版社，1984平時(shí)作業(yè)、課堂測(cè)試、上課參與程度及出勤40%期終考試60%第一章第一章 過(guò)程控制的基本概過(guò)程控制的基本概念念1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng) 石油化工：輸油，煉油，乙烯，合成橡 膠，合成氨 電力：火電廠 冶金：冶金加熱爐，熱處理爐 生化：啤酒，制藥 輕工：食品，漂染 環(huán)境：水處理，大氣監(jiān)測(cè) 其它：農(nóng)業(yè)，養(yǎng)殖業(yè)，過(guò)程控制領(lǐng)域過(guò)程控

3、制領(lǐng)域1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)例1.1 加熱器的溫度控制（見(jiàn)圖1.1）控制目標(biāo)：通過(guò)加熱水箱中的水使其達(dá)到期望的溫度。系統(tǒng)的主要組成：TT(Temperature Transmitter)TC(Temperature Controller)加熱器（執(zhí)行器）水箱（Process）重要參數(shù)：R Reference signalM MeasurementC Controlled V Variable1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng) T Steam Ti(t) Process fluid T(t) TT TC SP Condensate return Sensor Final

4、control element Transmitter Controller 例1.2 換熱器的溫度控制（見(jiàn)圖1.3）圖1.3 換熱器的控制框圖控制目標(biāo)：使工藝流體的溫度從Ti(t)T(t)。系統(tǒng)的主要組成：TT/SensorTCFinal control elementProcess重要術(shù)語(yǔ)：S Set P Point 設(shè)定值P Process rocess 被控對(duì)象C Controlledontrolled V Variable ariable 被控變量1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)(Process Control System)的定義的定義 以表征生產(chǎn)過(guò)

5、程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。物質(zhì)和能量有相互作用和轉(zhuǎn)換被控對(duì)象：被控對(duì)象：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各種生產(chǎn)裝置和設(shè)備，如加熱爐，鍋爐，分餾塔，反應(yīng)器等被控變量被控變量：溫度、壓力、流量、液位或料位、成分與物性等六大參數(shù)1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)的基本組成過(guò)程控制系統(tǒng)的基本組成被控對(duì)象被控對(duì)象傳感器和變送器傳感器和變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器控制器Gc (s)執(zhí)行器Gv (s)控制通道Gp (s)測(cè)量變送Gm (s)設(shè)定值ysp偏差 e+_控制變量u操縱變量q被控變量y測(cè)量值ym擾動(dòng) D干擾通道GD (s)+被控對(duì)象圖1.4 簡(jiǎn)單過(guò)程控制

6、的系統(tǒng)框圖1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)語(yǔ)被控對(duì)象(Process/Object)：被控制的設(shè)備或裝置被控變量(Controlled Variable)：需要對(duì)其進(jìn)行控制的工藝變量擾動(dòng)(Disturbance)：影響被控變量的各種擾動(dòng)作用操縱變量(Manipulated Variable)：受執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱用于克服擾動(dòng)影響的變量測(cè)量值(Measurement )：被控變量經(jīng)檢測(cè)變送后即是測(cè)量值給定值(Set Point)：即被控變量的設(shè)定值偏差值(Error)：被控量的給定值與測(cè)量值之差控制器Gc (s)執(zhí)行器Gv (s)控制通道Gp (s)測(cè)量變送Gm (s)設(shè)定值ys

7、p偏差 e+_控制變量u操縱變量q被控變量y測(cè)量值ym擾動(dòng) D干擾通道GD (s)+被控對(duì)象1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 被控對(duì)象的多樣性 對(duì)象動(dòng)態(tài)特性存在滯后和非線性 控制方案豐富多樣 有多個(gè)過(guò)程檢測(cè)控制儀表過(guò)程控制系統(tǒng)的目標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)的目標(biāo)：在擾動(dòng)存在的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)操縱變量使被控變量保持在其設(shè)定值。1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)為什么要采用過(guò)程控制？為什么要采用過(guò)程控制？ 安全性：安全性：確保生產(chǎn)過(guò)程中人身與設(shè)備的安全，保護(hù)或減少生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響； 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：確保產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定，以抑制各種外部干擾； 經(jīng)濟(jì)性

8、：經(jīng)濟(jì)性：實(shí)現(xiàn)效益最大化或成本最小化。過(guò)程控制系統(tǒng)的分類過(guò)程控制系統(tǒng)的分類 按調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律分：P、PI、PD、PID等 按被控量的多少分：?jiǎn)巫兞亢投嘧兞靠刂葡到y(tǒng) 按系統(tǒng)的復(fù)雜程度來(lái)分：?jiǎn)位芈泛投嗷芈废到y(tǒng) 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)分：反饋控制，前饋控制，復(fù)合控制(前饋-反饋控制) 1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)1.1 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)控制目標(biāo)被控對(duì)象，被控變量，操縱變量，控制器方案設(shè)計(jì)過(guò)程控制流程圖過(guò)程控制流程圖1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇PID控制器控制器（包括：?jiǎn)位芈稰ID、串級(jí)、前饋、均勻、比值、分程、選擇或超馳控制等）特點(diǎn)：特點(diǎn)：主要適用于SI

9、SO系統(tǒng)、基本上不需要對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在線調(diào)整方便。APC控制器控制器（先進(jìn)控制方法，包括：解耦控制、內(nèi)?？刂?、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制等），特點(diǎn)：特點(diǎn)：主要適用于MIMO或大純滯后SISO系統(tǒng)、需要?jiǎng)討B(tài)模型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在線計(jì)算量大。PID控制是控制工程中技術(shù)成熟、理論完善、應(yīng)用最為廣泛的一種控制策略，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型結(jié)構(gòu)。在很多情形下，PID 控制可以方便靈活地改變控制策略，實(shí)施P、PI、PD 或PID 控制。PID 不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)，而且對(duì)大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過(guò)程也可應(yīng)用。PID 控制參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)靈活，在眾多工業(yè)過(guò)程控

10、制中取得了滿意的應(yīng)用效果。1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇PID控制器控制器（包括：?jiǎn)位芈稰ID、串級(jí)、前饋、均勻、比值、分程、選擇或超馳控制等）特點(diǎn)：特點(diǎn)：主要適用于SISO系統(tǒng)、基本上不需要對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在線調(diào)整方便。APC控制器控制器（先進(jìn)控制方法，包括：解耦控制、內(nèi)?？刂?、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制等），特點(diǎn)：特點(diǎn)：主要適用于MIMO或大純滯后SISO系統(tǒng)、需要?jiǎng)討B(tài)模型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在線計(jì)算量大。PID：Proportional Integral Derivative1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID控制控制PID控制：對(duì)偏

11、差信號(hào)e=ysp-ym進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律?？刂破鱃c (s)執(zhí)行器Gv (s)控制通道Gp (s)測(cè)量變送Gm (s)設(shè)定值ysp偏差 e+_控制變量u操縱變量q被控變量y測(cè)量值ym擾動(dòng) D干擾通道GD (s)+被控對(duì)象圖1.4 簡(jiǎn)單過(guò)程控制的系統(tǒng)框圖比例積分微分1.2.1 1.2.1 比例作用（比例作用（P P） 控制器輸出信號(hào)u(t)與誤差信號(hào)e(t)成比例關(guān)系，即：其中稱為比例帶/比例度。1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制 teteKtuc1)(比例度定義為 Kc,比例控制作用就越強(qiáng)；Kc，比例控制作用就越弱。%1001%1

12、00minmaxminmaxcKuuuZZe例例1.3 1.3 換熱器的溫度控制系統(tǒng)換熱器的溫度控制系統(tǒng)原理: 熱水溫度是由傳感器T獲取信號(hào)并送到調(diào)節(jié)器C的, 調(diào)節(jié)器控制加熱蒸汽的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度以保持出口水溫恒定, 加熱器的熱負(fù)荷既決定于熱水流量Q也決定于熱水溫度。 假定現(xiàn)在采用比例調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)閥開(kāi)度直接視為調(diào)節(jié)器的輸出。水溫愈高，調(diào)節(jié)器應(yīng)把調(diào)節(jié)閥開(kāi)得愈小。圖1.5 換熱器系統(tǒng)1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制直線直線1：是是比例調(diào)節(jié)器的靜比例調(diào)節(jié)器的靜特性特性, 即調(diào)節(jié)閥開(kāi)度隨水溫即調(diào)節(jié)閥開(kāi)度隨水溫變化的情況變化的情況. ,斜率斜率曲線曲線2和和3：分別代表

13、加熱分別代表加熱器在器在不同的熱水流量下的不同的熱水流量下的靜特性靜特性,他們表示加熱器在他們表示加熱器在沒(méi)有調(diào)節(jié)器控制時(shí)沒(méi)有調(diào)節(jié)器控制時(shí),在不同在不同流量下的穩(wěn)態(tài)出口水溫與流量下的穩(wěn)態(tài)出口水溫與調(diào)節(jié)閥開(kāi)度之間的關(guān)系調(diào)節(jié)閥開(kāi)度之間的關(guān)系0()psQcKH1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制直線直線1 1與直線與直線2 2的的交點(diǎn)交點(diǎn)O O：代：代表在熱水流量為表在熱水流量為Q0Q0，在，在P P調(diào)調(diào)節(jié)下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。此時(shí)出節(jié)下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。此時(shí)出口水溫為口水溫為0 0，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為為u u0 0. .若若熱水流量減小為熱水流量減小為Q1Q1，則調(diào)，則

14、調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，新的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，新的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)將是直線將是直線1 1與與3 3的交點(diǎn)的交點(diǎn)A A。P P調(diào)節(jié)下殘差為調(diào)節(jié)下殘差為: : A A-0 0無(wú)調(diào)節(jié)下無(wú)調(diào)節(jié)下: : B B-0 0結(jié)論：結(jié)論：P P調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制殘差的計(jì)算殘差的計(jì)算: :KcKvKpKmreuyym調(diào)節(jié)閥被控過(guò)程測(cè)量變送器調(diào)節(jié)器1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制特點(diǎn)：特點(diǎn)：反應(yīng)速度快，在時(shí)間上沒(méi)有延滯Kc殘差e但有穩(wěn)態(tài)余差有穩(wěn)態(tài)余差, ,不不能消除能消除rKKKrKKKKyrepmvpmvcm1111

15、1Kc控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。(與自控理論的分析一致。)0y(t)t1.2.2 積分作用（I） 積分控制是控制器的輸出變化率與誤差成正比，即：1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制0duS edt00tuSedt式中S0稱為積分速度，可視情況取正值或負(fù)值此時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號(hào)的積分成正比或特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）當(dāng)且僅當(dāng)e=0時(shí), 積分調(diào)節(jié)器的輸出是恒定的，沒(méi)有穩(wěn)態(tài)余差。（2）對(duì)于相同的對(duì)象，積分控制作用總是慢于比例控制，難以對(duì)干擾進(jìn)行及時(shí)而且有效的抑制，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）S0穩(wěn)定性,最終出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程比例積分作用（PI）1.2 1.2 控制規(guī)律的選

16、擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制tItcedtTeedtSeKu00011特點(diǎn)：特點(diǎn)：既能及時(shí)控制，又能消除余差，但也降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 式中TI是積分時(shí)間常數(shù)。TI的定義的定義：在階躍偏差作用下，控制器的輸出達(dá)到比例輸出的兩倍所經(jīng)歷的時(shí)間。在Kc和A確定的情況下，直線的斜率將取決于積分時(shí)間TI的大?。?TI越大，積分作用越弱，消除余差的能力弱；TI越小，積分作用越強(qiáng)，消除余差的能力強(qiáng)，但是，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性越差。26例1.4: 熱水加熱器熱水流量階躍減小后的調(diào)節(jié)情況, 它顯示了各個(gè)量之間的關(guān)系.熱水流量Q: 出口水流量,發(fā)生階躍擾動(dòng)出口水溫: 被調(diào)量,最初穩(wěn)定在0比例調(diào)節(jié)p:它

17、與曲線成鏡面對(duì)稱, 只是幅值不一樣1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制殘差的消除是殘差的消除是PIPI調(diào)節(jié)器積分動(dòng)作的結(jié)果比例部分的閥位輸出調(diào)節(jié)器積分動(dòng)作的結(jié)果比例部分的閥位輸出p p在調(diào)節(jié)過(guò)程在調(diào)節(jié)過(guò)程的初始階段起較大作用的初始階段起較大作用, ,調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后返回到擾動(dòng)發(fā)生前的數(shù)值調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后返回到擾動(dòng)發(fā)生前的數(shù)值. . p p=K=Kc ce, e, 當(dāng)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，當(dāng)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，e=0,e=0,則則p p=0,=0,回到原來(lái)的位置回到原來(lái)的位置1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制1.2.3 1.2.3 微分作用（微

18、分作用（D D）微分控制是指微分控制是指調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)時(shí)間的導(dǎo)調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，即：數(shù)成正比，即：1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制dtdeSu2注：注： 微分調(diào)節(jié)只能起輔助作用，不能單獨(dú)使用微分調(diào)節(jié)只能起輔助作用，不能單獨(dú)使用可以與其它調(diào)節(jié)動(dòng)可以與其它調(diào)節(jié)動(dòng) 作結(jié)合成作結(jié)合成PD或或PID控制。控制。式中式中S S2 2是微分時(shí)間常數(shù)。是微分時(shí)間常數(shù)。式中TD微分時(shí)間比例微分作用（比例微分作用（PDPD）1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制dtdeTedtdeTeKdtdeSeKu

19、DDcc12特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1 1）在穩(wěn)態(tài)下）在穩(wěn)態(tài)下,de/dt=0, PD,de/dt=0, PD調(diào)節(jié)器的微分部分輸出為零調(diào)節(jié)器的微分部分輸出為零, ,因此因此PDPD調(diào)節(jié)也是調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)有差調(diào)節(jié). .與與P P調(diào)節(jié)相同調(diào)節(jié)相同（2 2）微分調(diào)節(jié)動(dòng)作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩）微分調(diào)節(jié)動(dòng)作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩, , 能能提高系提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3 3）能增加開(kāi)環(huán)增益，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。）能增加開(kāi)環(huán)增益，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。（4 4）對(duì)干擾較為敏感。）對(duì)干擾較為敏感。1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制注：注：(1)微分作用的強(qiáng)弱要適當(dāng) TD

20、太小，作用不明顯，控制質(zhì)量改善不大 TD太大，作用過(guò)強(qiáng)，引起被調(diào)量幅度振蕩，穩(wěn)定性下降(2) 微分調(diào)節(jié)動(dòng)作對(duì)于純遲延過(guò)程是無(wú)效的。 (3) PD調(diào)節(jié)器的抗干擾能力很差, 只能應(yīng)用于被調(diào)量的變化非常平穩(wěn)的過(guò)程, 一般不用于流量和液位控制系統(tǒng). 越小(Kc越大)，比例作用越強(qiáng);TI越小, 積分作用越強(qiáng);TD越大, 微分作用越強(qiáng); TD 0, 則為PI控制; TI , 則為PD控制.1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制比例積分微分控制器（比例積分微分控制器（PIDPID）dtdeTedtTedtdeTedtTeKdtdeSedtSeKuDtIDtIctc0020011

21、1小結(jié)小結(jié)1.2 1.2 控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇-PID-PID控制控制控制器控制器控制參數(shù)控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響對(duì)控制性能的影響PKc(=1/) Kc(比例作用越強(qiáng))穩(wěn)定性, 有穩(wěn)態(tài)余差，時(shí)間常數(shù)較小時(shí)間常數(shù)較小, 負(fù)荷變化較小負(fù)荷變化較小,工藝要求不高工藝要求不高ITITI(積分作用越強(qiáng))穩(wěn)定性, 無(wú)穩(wěn)態(tài)余差DTDTD(微分作用越強(qiáng))穩(wěn)定性, 有穩(wěn)態(tài)余差，但過(guò)大，系統(tǒng)易振蕩導(dǎo)致不穩(wěn)定PIKc，TI時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大，無(wú)殘差時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大，無(wú)殘差PDKc，TD時(shí)間常數(shù)較大或容積遲延較大，容許有殘差時(shí)間常數(shù)較大或容積遲延較大，容許有殘差PIDKc，TI，TD時(shí)間常數(shù)

22、較大或容積遲延較大，無(wú)殘差時(shí)間常數(shù)較大或容積遲延較大，無(wú)殘差時(shí)間常數(shù)或容積遲延很大時(shí)間常數(shù)或容積遲延很大, 負(fù)荷變化很大時(shí)負(fù)荷變化很大時(shí)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)APC積分飽和的定義：由于積分過(guò)量造成的控制不及時(shí)現(xiàn)象稱為積分飽和。原因： 誤差長(zhǎng)時(shí)間存在 積分區(qū)間誤差太大危害 使調(diào)節(jié)系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)作用 調(diào)節(jié)不及時(shí)易造成事故 1.3 積分飽和現(xiàn)象與抗飽和方案積分飽和現(xiàn)象與抗飽和方案閉環(huán)系統(tǒng)性能達(dá)不到期望的線性性能指標(biāo)并衰減閉環(huán)系統(tǒng)性能達(dá)不到期望的線性性能指標(biāo)并衰減1.3 積分飽和現(xiàn)象與抗飽和方案積分飽和現(xiàn)象與抗飽和方案防止積分飽和的措施 輸入受限：對(duì)控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入幅值進(jìn)行限制 反饋補(bǔ)償 采用可實(shí)現(xiàn)參考值

23、 條件積分過(guò)程控制系統(tǒng)控制目標(biāo)被控對(duì)象，被控變量，操縱變量，控制器方案設(shè)計(jì)控制器參數(shù)整定和性能指標(biāo)評(píng)估過(guò)程控制流程圖過(guò)程控制流程圖1.4 控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估控制器參數(shù)整定的基本要求 前提條件: 設(shè)計(jì)方案合理, 儀表選擇得當(dāng), 安裝正確 實(shí)質(zhì): 通過(guò)選擇控制器參數(shù), 實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果 控制質(zhì)量的決定因素:被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性評(píng)定整定效果的指標(biāo)衰減率超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間ts上升時(shí)間tr1.4 控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估常用的整定方法 理論理論計(jì)算整定法 時(shí)域法、頻率特性法、根軌跡法等 工程工程整定法 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法：Ziegler-Ni

24、chols，Cohen-Coon，帶誤差積分指標(biāo)的整定公式（IAE，IE，ISE，ITAE） 經(jīng)驗(yàn)湊試法 穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法） 衰減曲線法勞斯表1.4 控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估例1.4 設(shè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 ，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)Kc的取值范圍328sGopKcGopreuy特征方程：088126082233ccKsssKs08806)88(112688612101112131cccKsKsKss穩(wěn)定的條件：81088126088cccKKK理論計(jì)算整定法例1.5 給定如下位置跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中 請(qǐng)確定控制器的參數(shù)使得系統(tǒng)滿足如下設(shè)計(jì)指標(biāo)：（1）階躍輸入下位

25、置跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差小于10%；（2）在考慮純延遲情況下，相位裕度大于50；（3）階躍輸入時(shí)超調(diào)量小于10%。sT78. 041.4 控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估理論計(jì)算整定法-頻域分析法頻域分析法2) 1()()()(,)(sKsGsGcsLKsGc采用比例控制，不考慮純延遲時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：設(shè)計(jì)思路：設(shè)計(jì)思路：首先采用最簡(jiǎn)單的比例控制，看能否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)？首先采用最簡(jiǎn)單的比例控制，看能否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)？如果不能，采用如果不能，采用PI控制，再確定控制器參數(shù)。控制，再確定控制器參數(shù)。1.4 控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估階躍輸入R(s)=a/

26、s 時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差：KaKaeKsGsGcKpsssp11,)()(lim0根據(jù)指標(biāo)（1），確定K的取值范圍：9101KaKaess由圖可知：在滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求，且未考慮純延遲情況下，系統(tǒng)相位裕度約為39。不能滿足指標(biāo)（2）的要求。如果考慮純延遲，系統(tǒng)幅頻特性不會(huì)變化，但相位會(huì)進(jìn)一步滯后，相位裕度會(huì)進(jìn)一步減小。取K=9，繪制系統(tǒng)Bode圖。1.4 控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估繪制K=9，純延遲取不同值時(shí)系統(tǒng)Nyquist圖。由圖可見(jiàn)：純延遲達(dá)到0.24時(shí)系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，達(dá)到0.78時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了確保具有純延遲時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，必須減小K。但減小K值將不能滿足穩(wěn)態(tài)誤差

27、要求。結(jié)論：結(jié)論：本系統(tǒng)采用比例控制難以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。本系統(tǒng)采用比例控制難以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。sTesKsGsGcsL2) 1()()()(1.4 控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估sKsKsKKsGcIpIp)(sTIpesKsKsKsGsGcsL2) 1()()()(考慮采用PI控制器系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)控制器加入積分，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)變?yōu)镮型，自然滿足指標(biāo)（1）的要求。目前只需考慮滿足指標(biāo)（2）和（3）。對(duì)于指標(biāo)（3）：P.O. 10%，由超調(diào)量計(jì)算式得0.59。PI控制器為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)增加了一個(gè)零點(diǎn) z=-KI/KP ，此零點(diǎn)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響不大，將影響動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)阻尼

28、與相位裕度近似公式0.01，選擇系統(tǒng)相位裕度為60可滿足指標(biāo)（2）和（3）。PI控制器的Bode圖-20-10010203040Magnitude (dB)10-310-210-1100101-90-450Phase (deg)Bode DiagramFrequency (rad/sec)PIKK1.4 控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能評(píng)估42) 1(9)(sessG再次繪制 Bode圖 由圖可知，使此系統(tǒng)相位裕度達(dá)到60的頻率為0.87rad/s。幅頻特性需要垂直降低14.5dB。所以，控制器sKKsKsGcPIP)(188. 010205 .14PK為了使控制器的相移不對(duì)系統(tǒng)相位裕度產(chǎn)生大的影響，其轉(zhuǎn)折頻率：0164. 01 . 0PcIKK87. 010cPIKKsssGc0164. 0188. 0)(0.87-1201.4 控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)性能