自動控制原理：第三章 線性系統(tǒng)的時域分析法-3-5

1、Automatic Control Principle Page: 1自動控制原理自動控制原理 南南京京航航空空航航天天大大學(xué)學(xué) 3.5 線性系統(tǒng)的時域設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)有效的控制以滿足設(shè)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)有效的控制以滿足設(shè)定的性能指標(biāo)。為此，需要在系統(tǒng)中加入控制器調(diào)節(jié)系的性能指標(biāo)。為此，需要在系統(tǒng)中加入控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能。為改善二階系統(tǒng)性能，分別增加了測速反統(tǒng)的性能。為改善二階系統(tǒng)性能，分別增加了測速反饋控制和比例微分控制。饋控制和比例微分控制。 比例比例- -積分積分- -微分控制器微分控制器簡稱簡稱 PID (Proportion PID (Proportion I

2、ntegration Differentiation)Integration Differentiation)控制器是工程實(shí)踐控制器是工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的控制器。中應(yīng)用最為廣泛的控制器。 PIDPID控制器具有串聯(lián)控制器具有串聯(lián)PIDPID控制和并聯(lián)控制和并聯(lián)PIDPID控制兩種基控制兩種基本形式，具有不要求精確數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)本形式，具有不要求精確數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)。方便等特點(diǎn)。Automatic Control Principle Page: 2自動控制原理自動控制原理 南南京京航航空空航航天天大大學(xué)學(xué) 一、PID控制原理及形式1.PID1.PID控制器的輸入輸

3、出關(guān)系控制器的輸入輸出關(guān)系其中其中 分別為比例系數(shù)分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)pidKTT、 、01( )( )( )( )tpdide tu tKe te t dtTTdx其數(shù)學(xué)模型為其數(shù)學(xué)模型為圖示為工程中普遍使用的串聯(lián)圖示為工程中普遍使用的串聯(lián)PIDPID控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)。( )G s1( )(1)( )( )cpdDiIPKUG sKTssKKTsEsssAutomatic Control Principle Page: 3自動控制原理自動控制原理 南南京京航航空空航航天天大大學(xué)學(xué) 2.PID2.PID控制器基本控制形式控制器基本控制形式pi

4、dKTT、 、參數(shù)參數(shù) 的不同組合可以構(gòu)成的不同組合可以構(gòu)成4 4種形式的控制器種形式的控制器 比例比例(P)(P)控制器控制器( )cpG sK 控制作用是放大誤差信號，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，控制作用是放大誤差信號，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差。減小穩(wěn)態(tài)誤差。 比例比例- -微分微分(PD)(PD)控制器控制器( )(1)cpdG sKT s 控制作用是引入誤差的變化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速控制作用是引入誤差的變化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，縮短過渡過程時間。度，縮短過渡過程時間。Automatic Control Principle Page: 4自動控制原理自動控制原理 南南京京航航空空航航天天大大學(xué)

5、學(xué) 1( )(1)cpiGsKT s 比例比例- -積分積分(PI)(PI)控制器控制器 控制作用是引入系統(tǒng)的累積誤差，增加系統(tǒng)的型控制作用是引入系統(tǒng)的累積誤差，增加系統(tǒng)的型別，提高控制精度，加強(qiáng)對擾動的抑制。別，提高控制精度，加強(qiáng)對擾動的抑制。例3.5-1 分析二階系統(tǒng)的比例-積分(PI)控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為222(1)1( )(1)(2)(2)pnnipininKTsG sKTs s sTs s由于增加了積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)型別由由于增加了積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)型別由型提高為型提高為型。型。解：Automatic Control Principle Page: 5自動控制原理自動控制

6、原理 南南京京航航空空航航天天大大學(xué)學(xué) 二、PID控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定1.PID1.PID控制器設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì) 工程實(shí)際中，可以采用工程實(shí)際中，可以采用PIDPID控制控制器的某種基本控制形式，也可以根據(jù)工程實(shí)際需要器的某種基本控制形式，也可以根據(jù)工程實(shí)際需要或控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，采用或控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，采用分段分段PIDPID控制控制或或分類分類PIDPID控制控制，即在不同時間段，或在不同的工況下，采，即在不同時間段，或在不同的工況下，采取不同的取不同的PIDPID控制形式或采用不同的控制器參數(shù)。控制形式或采用不同的控制器參數(shù)。 隨著數(shù)字化測控儀器的廣泛應(yīng)用，隨著數(shù)字化測控儀器的廣泛應(yīng)用

7、，PIDPID控制器已控制器已成為標(biāo)準(zhǔn)配置，并出現(xiàn)了自適應(yīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置，并出現(xiàn)了自適應(yīng)PIDPID、模糊、模糊PIDPID等新等新型控制器。型控制器。00( )(),ktie t dtTe iTtkT( )()(1) )de te kTekTdxT 為采樣間隔為采樣間隔 為采樣數(shù)值為采樣數(shù)值Te微分器和積分器的數(shù)字化為微分器和積分器的數(shù)字化為Automatic Control Principle Page: 6自動控制原理自動控制原理 南南京京航航空空航航天天大大學(xué)學(xué) 2.PID2.PID控制器參數(shù)整定控制器參數(shù)整定 大致分為三類參數(shù)整定方法大致分為三類參數(shù)整定方法: : PIDPID控制器參

8、數(shù)的工程整定方法，簡單易行，得控制器參數(shù)的工程整定方法，簡單易行，得到廣泛應(yīng)用，主要有臨界比例度法、飛升曲線法到廣泛應(yīng)用，主要有臨界比例度法、飛升曲線法和衰減曲線法。和衰減曲線法。 在線優(yōu)化方法在線優(yōu)化方法，根據(jù)性能指標(biāo)和優(yōu)化策略，在線，根據(jù)性能指標(biāo)和優(yōu)化策略，在線自動調(diào)整參數(shù)。自動調(diào)整參數(shù)。 工程整定方法工程整定方法，主要是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通過系統(tǒng)，主要是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通過系統(tǒng)試驗(yàn)現(xiàn)場整定；試驗(yàn)現(xiàn)場整定； 理論計(jì)算方法理論計(jì)算方法，即由數(shù)學(xué)模型確定參數(shù)初值，再，即由數(shù)學(xué)模型確定參數(shù)初值，再在現(xiàn)場調(diào)整；在現(xiàn)場調(diào)整；Automatic Control Principle Page: 7自動控制原理自動控制原理 南南京京航航空空航航天天大大學(xué)學(xué) 臨界比例度法臨界比例度法在三種方法中具有代表性。在三種方法中具有代表性。1 1）只采用）只采用比例控制比例控制，逐漸增大逐漸增大 使系統(tǒng)出使系統(tǒng)出現(xiàn)現(xiàn)等幅振蕩等幅振蕩, ,得到臨界得到臨界比例系數(shù)比例系數(shù)