熱工控制系統(tǒng)課堂ppt_第三章調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律及其對控制過程的影響

1、第三章第三章 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律及其調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律及其 對控制過程的影響對控制過程的影響第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其對過渡過程的影響比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其對過渡過程的影響第三節(jié)第三節(jié) 積分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對過渡過程的影響積分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對過渡過程的影響第四節(jié)第四節(jié) 微分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對過渡過程的影響微分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對過渡過程的影響第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 最基本的自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖最基本的自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖3-13-1所示，它由變送器、調(diào)節(jié)所示，它由變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和被控對象組成的閉環(huán)系統(tǒng)。器、執(zhí)行器和被控對象組成的閉環(huán)系統(tǒng)。 圖圖-1 -1 控制系統(tǒng)組成原理框圖控制系統(tǒng)組成原理

2、框圖 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器被控對象被控對象變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器+-c內(nèi)擾內(nèi)擾外擾外擾r r 實(shí)際中，在系統(tǒng)分析時(shí)又往往將執(zhí)行器（包括調(diào)節(jié)閥）、對實(shí)際中，在系統(tǒng)分析時(shí)又往往將執(zhí)行器（包括調(diào)節(jié)閥）、對象及變送器稱為象及變送器稱為“廣義對象廣義對象”，這樣就形成如圖，這樣就形成如圖3-23-2所示的控制系所示的控制系統(tǒng)組成方框圖。統(tǒng)組成方框圖。圖圖3-2 3-2 控制系統(tǒng)等效原理框圖控制系統(tǒng)等效原理框圖 r調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器廣義對象廣義對象+-c擾動(dòng)擾動(dòng)d 在上圖中，基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)由調(diào)節(jié)器和在上圖中，基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)由調(diào)節(jié)器和“廣義對象廣義對象”（下稱對象）兩部分組成；除調(diào)節(jié)閥對對象的擾動(dòng)作用外，其他（

3、下稱對象）兩部分組成；除調(diào)節(jié)閥對對象的擾動(dòng)作用外，其他擾動(dòng)信號綜合為擾動(dòng)信號綜合為d d。系統(tǒng)的傳遞方框圖如圖所示：系統(tǒng)的傳遞方框圖如圖所示： WT(s)W(s)WZ(s)D(s)C(s)R(s)E(s)U(s)+-+圖圖- - 控制系統(tǒng)傳遞方框圖控制系統(tǒng)傳遞方框圖 調(diào)節(jié)器的控制作用調(diào)節(jié)器的控制作用U(s)U(s)影響對象的被調(diào)量影響對象的被調(diào)量, ,該回路稱為控制通該回路稱為控制通道。道。WT(s)為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù);W(s)為廣義對象的傳遞函數(shù)為廣義對象的傳遞函數(shù)WZ(s)為擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)為擾動(dòng)通道傳遞函數(shù);D(s)為擾動(dòng)作用，通過為擾動(dòng)作用，通過WZ(s)影響被調(diào)量影

4、響被調(diào)量C(s); 調(diào)節(jié)規(guī)律就是調(diào)節(jié)器輸出信號與其輸入信號之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，調(diào)節(jié)規(guī)律就是調(diào)節(jié)器輸出信號與其輸入信號之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，從理論上說可有各種形式的函數(shù)關(guān)系從理論上說可有各種形式的函數(shù)關(guān)系，然而實(shí)踐總結(jié)出，然而實(shí)踐總結(jié)出三種基本三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律，為廣泛采用，三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律，為廣泛采用，三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律: : 本章內(nèi)容的重點(diǎn)就是分析和比較不同調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器的本章內(nèi)容的重點(diǎn)就是分析和比較不同調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器的控制效果，及其動(dòng)態(tài)參數(shù)對控制過程的影響。控制效果，及其動(dòng)態(tài)參數(shù)對控制過程的影響。比例調(diào)節(jié)規(guī)律比例調(diào)節(jié)規(guī)律積分調(diào)節(jié)規(guī)律積分調(diào)節(jié)規(guī)律微分調(diào)節(jié)規(guī)律微分調(diào)節(jié)規(guī)律第二節(jié)比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其對

5、控制過程影響第二節(jié)比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其對控制過程影響 一、比例調(diào)節(jié)規(guī)律一、比例調(diào)節(jié)規(guī)律 所謂比例調(diào)節(jié)規(guī)律，就是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用所謂比例調(diào)節(jié)規(guī)律，就是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用U(t)U(t)與其偏與其偏差輸入信號差輸入信號e(t)e(t)之間成比例關(guān)系。即：之間成比例關(guān)系。即： U tK e tP比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： WSUSESKPP 工程中，常用比例帶工程中，常用比例帶 來描述其控制作用的強(qiáng)弱，即：來描述其控制作用的強(qiáng)弱，即： 1KP比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如圖比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如圖- -所示所示: : ttU(t)e(t)EKpE圖圖- - 比例調(diào)節(jié)規(guī)律比例調(diào)節(jié)規(guī)

6、律 物理意義：物理意義：調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移改變調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移改變100%100%時(shí)，偏差應(yīng)有的改變量。時(shí)，偏差應(yīng)有的改變量。 如如=20%=20%，則表明調(diào)節(jié)器輸出變化，則表明調(diào)節(jié)器輸出變化100%100%時(shí)，需要其輸入時(shí)，需要其輸入信號變化信號變化20%20%。越大，調(diào)節(jié)作用越？越大，調(diào)節(jié)作用越？ 由圖由圖3-43-4可以看出，在可以看出，在t t0 0時(shí)刻前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；時(shí)刻前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；t t0 0 時(shí)刻時(shí)刻偏差信號發(fā)生階躍變化，對于定值控制系統(tǒng)，即被調(diào)量產(chǎn)生階躍偏差信號發(fā)生階躍變化，對于定值控制系統(tǒng)，即被調(diào)量產(chǎn)生階躍變化，調(diào)節(jié)器輸出控制作用變化，調(diào)節(jié)器輸出控制作用U(t)U(

7、t)將成比例地變化，而且?guī)缀跏峭瑢⒊杀壤刈兓規(guī)缀跏峭瑫r(shí)產(chǎn)生的。時(shí)產(chǎn)生的。 調(diào)節(jié)及時(shí)，迅速調(diào)節(jié)及時(shí)，迅速; ; 調(diào)節(jié)過程結(jié)束，被調(diào)量偏差仍存在，稱為有差調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程結(jié)束，被調(diào)量偏差仍存在，稱為有差調(diào)節(jié)。 由此由此, ,可得比例調(diào)節(jié)規(guī)律的兩個(gè)特點(diǎn)可得比例調(diào)節(jié)規(guī)律的兩個(gè)特點(diǎn): : t 由圖由圖3-4還可看出，在還可看出，在 時(shí)調(diào)節(jié)過程結(jié)束時(shí)調(diào)節(jié)過程結(jié)束,但偏差信號但偏差信號e(t)仍存在，換言之，調(diào)節(jié)過程結(jié)束被調(diào)量的偏差仍未完全消除。仍存在，換言之，調(diào)節(jié)過程結(jié)束被調(diào)量的偏差仍未完全消除。二、單容對象的比例調(diào)節(jié)過程二、單容對象的比例調(diào)節(jié)過程 Q1Q2aabbR1R2圖圖3-5 3-5 水位的

8、控制過程水位的控制過程 在圖在圖3-53-5所示的系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：所示的系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： WSbbaaObOaKTP 1 水箱水位在調(diào)節(jié)閥開度的擾動(dòng)下的傳遞特性為：水箱水位在調(diào)節(jié)閥開度的擾動(dòng)下的傳遞特性為： WSKTS11 在調(diào)節(jié)閥開度不變，而流出側(cè)閥門開度階躍變化時(shí)，水位的在調(diào)節(jié)閥開度不變，而流出側(cè)閥門開度階躍變化時(shí)，水位的響應(yīng)為：響應(yīng)為： )(12122TTSTKSWD由上述三式可畫出該系統(tǒng)的傳遞方框圖如圖由上述三式可畫出該系統(tǒng)的傳遞方框圖如圖- -所示所示: : STK111 STK221KpHHg+-+2圖圖 系統(tǒng)傳遞方框圖系統(tǒng)傳遞方框圖 由圖由圖3-63-6可

9、得：可得： TSKSTKKSTKSSHP1111111222式中：式中： KKKKTTKKPP211111,由終值定理知：由終值定理知： 221limKSTSKSStth 則被調(diào)量最終穩(wěn)態(tài)值為：則被調(diào)量最終穩(wěn)態(tài)值為： 21221221KKKKKKhP上述分析可以得出：上述分析可以得出： (2)(2)控制過程結(jié)束控制過程結(jié)束, ,被調(diào)量有穩(wěn)態(tài)偏差被調(diào)量有穩(wěn)態(tài)偏差, ,偏差大小與調(diào)節(jié)器偏差大小與調(diào)節(jié)器比例帶有關(guān)比例帶有關(guān), ,因此比例增益因此比例增益( (或比例帶或比例帶) )不僅反映了調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)不僅反映了調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱而且也表現(xiàn)出消除偏差的能力。作用的強(qiáng)弱而且也表現(xiàn)出消除偏差的能力。 (1

10、) (1)單容對象在比例調(diào)節(jié)器作用下單容對象在比例調(diào)節(jié)器作用下, ,控制過程是非周期的控制過程是非周期的, ,不會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。不會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。 (3)(3)調(diào)節(jié)作用的加入使得系統(tǒng)過渡過程加快調(diào)節(jié)作用的加入使得系統(tǒng)過渡過程加快, ,同時(shí)也減小了同時(shí)也減小了穩(wěn)態(tài)偏差。穩(wěn)態(tài)偏差。三、有自平衡雙容對象配比例調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程三、有自平衡雙容對象配比例調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程有自平衡雙容對象配比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為有自平衡雙容對象配比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為: : 200220021212122121221212121111111SSKTTKKSTTTTSTTKKKSTTSTTKSTSTKKSTSTKSDSCPP

11、P)1)(1 (21STSTKKpC(S)Hg+-+)(sD圖圖 系統(tǒng)傳遞方框圖系統(tǒng)傳遞方框圖 )1)(1 (21STSTK 設(shè)干擾信號為幅值為的階躍信號，據(jù)終值定理：設(shè)干擾信號為幅值為的階躍信號，據(jù)終值定理： KKKSKKSTTSTTKSSttCPP1110lim21221 上式表明，在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，調(diào)節(jié)過程結(jié)束，被調(diào)量仍存上式表明，在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，調(diào)節(jié)過程結(jié)束，被調(diào)量仍存在穩(wěn)態(tài)偏差在穩(wěn)態(tài)偏差K/(1+KpK/(1+KpK)K)，只是比無調(diào)節(jié)作用時(shí)減小。偏差大小與，只是比無調(diào)節(jié)作用時(shí)減小。偏差大小與比例帶成正比。比例帶成正比。 式中式中: :0121KKT TPTTT TKKP12122

12、1KKK KP01第三節(jié)第三節(jié) 積分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對調(diào)節(jié)過程的影響積分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對調(diào)節(jié)過程的影響一、積分調(diào)節(jié)規(guī)律一、積分調(diào)節(jié)規(guī)律 積分調(diào)節(jié)規(guī)律積分調(diào)節(jié)規(guī)律: :調(diào)節(jié)器輸出控制作用調(diào)節(jié)器輸出控制作用u(t)u(t)與其偏差輸入信號與其偏差輸入信號e(t)e(t)隨時(shí)間的積累值成正比隨時(shí)間的積累值成正比, ,即：即： 積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如圖積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如圖3 37 7所示所示: : EEtte(t)u(t)Ti圖圖3-7 3-7 積分作用曲線積分作用曲線 dtteTtui)(1)(WST SIi1傳函為：傳函為：表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，被調(diào)量的偏差必然為零。表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)

13、，被調(diào)量的偏差必然為零。由圖由圖3-7可以看出可以看出: 當(dāng)被調(diào)量出現(xiàn)偏差并呈階躍形式變化時(shí)，積分調(diào)節(jié)器輸出的當(dāng)被調(diào)量出現(xiàn)偏差并呈階躍形式變化時(shí)，積分調(diào)節(jié)器輸出的控制作用并不立即變化，而是由零開始線性增長?？刂谱饔貌⒉涣⒓醋兓?，而是由零開始線性增長。只要偏差存在，積分控制作用一直增加；只要偏差存在，積分控制作用一直增加；只有偏差為零時(shí)，積分作用才停止變化；只有偏差為零時(shí)，積分作用才停止變化；由以上分析由以上分析, ,可知積分調(diào)節(jié)規(guī)律具有以下特點(diǎn)可知積分調(diào)節(jié)規(guī)律具有以下特點(diǎn): : （5 5）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)考慮偏差變化速度的大小與方向）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)考慮偏差變化速度的大小與方向, ,易產(chǎn)生方向錯(cuò)易產(chǎn)生方向

14、錯(cuò) 誤而引起調(diào)節(jié)過程振蕩。誤而引起調(diào)節(jié)過程振蕩。（1 1）積分調(diào)節(jié)作用是不及時(shí)的；）積分調(diào)節(jié)作用是不及時(shí)的；（2 2）只要偏差信號存在，調(diào)節(jié)器輸出的旨在消除對系統(tǒng)影響的控）只要偏差信號存在，調(diào)節(jié)器輸出的旨在消除對系統(tǒng)影響的控制作用就一直增加，且其增長的速度始終為初始速度；制作用就一直增加，且其增長的速度始終為初始速度；（3 3）控制作用在積分時(shí)間）控制作用在積分時(shí)間Ti Ti 越小時(shí)越強(qiáng)越小時(shí)越強(qiáng); ;（4 4）積分調(diào)節(jié)規(guī)律的另一特點(diǎn)就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)）積分調(diào)節(jié)規(guī)律的另一特點(diǎn)就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié); ;二、單容對象的積分調(diào)節(jié)過程二、單容對象的積分調(diào)節(jié)過程 將系統(tǒng)方框圖將系統(tǒng)

15、方框圖3-63-6中比例調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)換為積分調(diào)節(jié)器傳遞中比例調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)換為積分調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，得到單容對象積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖如下函數(shù)，得到單容對象積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖如下: : STK11 HHg+-+STK221sTi12圖圖3-8 3-8 系統(tǒng)傳遞方框圖系統(tǒng)傳遞方框圖 下面分析在單容水箱流出側(cè)閥門作階躍開度變化后，系統(tǒng)的下面分析在單容水箱流出側(cè)閥門作階躍開度變化后，系統(tǒng)的控制過程?？刂七^程。 由圖由圖3-83-8寫出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：寫出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)： )(21111112120021211121212121122TTSSTSKTTKSTSSTKKSTSTTSTKSTKSTSTKS

16、Wiiiii式中式中: :0111112KT TTT Kii, 上式表明，在流出側(cè)閥門階躍擾動(dòng)后，被調(diào)量隨時(shí)間的變化上式表明，在流出側(cè)閥門階躍擾動(dòng)后，被調(diào)量隨時(shí)間的變化規(guī)律決定于積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間和對象的特征參數(shù)規(guī)律決定于積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間和對象的特征參數(shù)T T1 1和和K K1 1。 當(dāng)當(dāng) 即即T Ti i4T4T1 1K K1 1時(shí)，調(diào)節(jié)過程為非周期時(shí)，調(diào)節(jié)過程為非周期; ; 當(dāng)當(dāng) 即即T Ti i4T4T1 1K K1 1時(shí)，為衰減振蕩過程時(shí)，為衰減振蕩過程; ; 當(dāng)當(dāng) 相當(dāng)于相當(dāng)于T Ti i0, 0, 即積分作用無限強(qiáng)時(shí)，為等幅振蕩即積分作用無限強(qiáng)時(shí)，為等幅振蕩過程。過程。，1，

17、1，0積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Ti對控制過程的影響如下圖：對控制過程的影響如下圖： 然而然而, ,單容對象的一階方程描述是經(jīng)過簡化的，忽略了其他單容對象的一階方程描述是經(jīng)過簡化的，忽略了其他一些因素后抽象出的數(shù)學(xué)表達(dá)式，一旦其他因素在積分作用較強(qiáng)一些因素后抽象出的數(shù)學(xué)表達(dá)式，一旦其他因素在積分作用較強(qiáng)時(shí)起了作用，那么調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可能出現(xiàn)不穩(wěn)定。時(shí)起了作用，那么調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可能出現(xiàn)不穩(wěn)定。 以上分析知以上分析知:單容對象配積分調(diào)節(jié)器單容對象配積分調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)過程總是穩(wěn)定（調(diào)節(jié)過程總是穩(wěn)定（Ti0）。）。三、比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律三、比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律 積分調(diào)節(jié)規(guī)律很少單獨(dú)使用，它總是與比例調(diào)

18、節(jié)規(guī)律結(jié)合成為比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律很少單獨(dú)使用，它總是與比例調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合成為比例積分規(guī)律，以發(fā)揚(yáng)各自的特長，彌補(bǔ)對方的不足。積分規(guī)律，以發(fā)揚(yáng)各自的特長，彌補(bǔ)對方的不足。比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： WSKT ST SPIPii 11111比例積分調(diào)節(jié)器的飛升特性如圖所示：比例積分調(diào)節(jié)器的飛升特性如圖所示： te(t)EE2tTiu(t)圖圖3-9 3-9 比例積分響應(yīng)曲線比例積分響應(yīng)曲線 由圖可以看出由圖可以看出: 被調(diào)量一旦偏離給定值而出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)被調(diào)量一旦偏離給定值而出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)與偏差成比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；與偏差成

19、比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；當(dāng)隨著時(shí)間的增長，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來；當(dāng)隨著時(shí)間的增長，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來；由此可見由此可見: 比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時(shí)和積分作用消除偏差的優(yōu)比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時(shí)和積分作用消除偏差的優(yōu)點(diǎn)，從而克服了單純比例作用時(shí)不能消除偏差的缺點(diǎn)和單純積分點(diǎn)，從而克服了單純比例作用時(shí)不能消除偏差的缺點(diǎn)和單純積分作用時(shí)控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。作用時(shí)控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。 只要偏差存在，控制作用就一直增長，直至消除偏差時(shí)，控只要偏差存在，控制作用就一直增長，直至消除偏差時(shí)，控制作用才停止變化；制作用才停止變化；四、單容對象配比例積分調(diào)節(jié)

20、器的控制過程四、單容對象配比例積分調(diào)節(jié)器的控制過程 )11(sTkipSTK1+-R(s)C(s)+D(s)圖圖3-10 PI3-10 PI控制系統(tǒng)傳遞方框圖控制系統(tǒng)傳遞方框圖 2002221111111SSSTKKKSTKKSTTSKTTSKSTKTSKSDSCPiPiiiP式中：式中：02KKTTTKKTPii,由圖由圖310可寫出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：可寫出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)： 在上圖中，受控對象為一階慣性環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為在上圖中，受控對象為一階慣性環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為K，時(shí)間，時(shí)間常數(shù)為常數(shù)為T；干擾信號為；干擾信號為D。 上式表明上式表明, ,系統(tǒng)受到階躍擾動(dòng)后系統(tǒng)受到階躍擾動(dòng)后, ,在在

21、PIPI調(diào)節(jié)器的作用下調(diào)節(jié)器的作用下, ,調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)過程結(jié)束時(shí)過程結(jié)束時(shí), ,被調(diào)量的偏差為零。被調(diào)量的偏差為零。 但實(shí)際積分具有飽和性但實(shí)際積分具有飽和性, ,即在偏差仍然存在的情況下即在偏差仍然存在的情況下, ,積積分作用在增長到一定程度后會(huì)因?qū)嶋H儀表輸出達(dá)到其上限分作用在增長到一定程度后會(huì)因?qū)嶋H儀表輸出達(dá)到其上限( (或或下限下限) )值而停止變化值而停止變化, ,就是說就是說, ,具有積分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器不能具有積分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器不能完全消除偏差。完全消除偏差。由終值定理知：由終值定理知： CSSK T SSSS lim02102002 系統(tǒng)的過渡過程與阻尼比系統(tǒng)的過渡過程與阻尼比 有

22、關(guān)，而有關(guān)，而 又與對象的特征參又與對象的特征參數(shù)數(shù)T T 和和K K 以及調(diào)節(jié)器參數(shù)以及調(diào)節(jié)器參數(shù) 和和Ti Ti 有關(guān)。有關(guān)。 當(dāng)當(dāng) 11， 即即 時(shí)，調(diào)節(jié)過程為非周期過程時(shí)，調(diào)節(jié)過程為非周期過程; ; 當(dāng)當(dāng) 1 1，即，即 時(shí)，調(diào)節(jié)過程為衰減振蕩過程時(shí)，調(diào)節(jié)過程為衰減振蕩過程; ; 當(dāng)當(dāng) 00，即，即T Ti i00時(shí)時(shí), ,積分作用趨于無限強(qiáng)積分作用趨于無限強(qiáng), ,調(diào)節(jié)過程為等幅振蕩過調(diào)節(jié)過程為等幅振蕩過程。程。24KTKTiTTKKi42 積分時(shí)間積分時(shí)間Ti對調(diào)節(jié)過程的影對調(diào)節(jié)過程的影響如右圖：響如右圖： 現(xiàn)在我們將積分調(diào)節(jié)過程和比例積分調(diào)節(jié)過程加以比較，兩現(xiàn)在我們將積分調(diào)節(jié)過程和

23、比例積分調(diào)節(jié)過程加以比較，兩種調(diào)節(jié)過程的阻尼比為：種調(diào)節(jié)過程的阻尼比為： 在在Ti Ti 相同時(shí)，比例積分調(diào)節(jié)過程要比積分調(diào)節(jié)過程約快相同時(shí)，比例積分調(diào)節(jié)過程要比積分調(diào)節(jié)過程約快 xdsfdsfxdsfdsf 倍。倍。PKK1 而在相同的而在相同的 下，可把下，可把PIPI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間取得小些，調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間取得小些，因而調(diào)節(jié)過程的被調(diào)量短期偏差減小，周期時(shí)間也會(huì)縮短。因而調(diào)節(jié)過程的被調(diào)量短期偏差減小，周期時(shí)間也會(huì)縮短。IiTTK12PIPPiKKKTTK121結(jié)論：結(jié)論：PI要比純要比純I優(yōu)越得多，工程中常用優(yōu)越得多，工程中常用PI，很少用純，很少用純I。 PI調(diào)節(jié)器中，積分作用的強(qiáng)弱

24、要適當(dāng)，過強(qiáng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，因調(diào)節(jié)器中，積分作用的強(qiáng)弱要適當(dāng)，過強(qiáng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，因積分作用旨在消除偏差，但使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。積分作用旨在消除偏差，但使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。 因此，采用與純比例調(diào)節(jié)器相比，比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶因此，采用與純比例調(diào)節(jié)器相比，比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶應(yīng)適當(dāng)增大，以補(bǔ)償積分作用造成的穩(wěn)定性下降。應(yīng)適當(dāng)增大，以補(bǔ)償積分作用造成的穩(wěn)定性下降。第四節(jié)微分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對調(diào)節(jié)過程的影響第四節(jié)微分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對調(diào)節(jié)過程的影響 一、微分調(diào)節(jié)規(guī)律一、微分調(diào)節(jié)規(guī)律 微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比度成正

25、比, ,即即： dttdcTdttdeTtudd)()(WSTSDd傳函傳函: :引言引言 P、PI共同點(diǎn)共同點(diǎn)? 控制作用只有在偏差出現(xiàn)后產(chǎn)生?？刂谱饔弥挥性谄畛霈F(xiàn)后產(chǎn)生。 這對存在遲延或慣性較大的對象來說，要獲得滿意的調(diào)節(jié)效這對存在遲延或慣性較大的對象來說，要獲得滿意的調(diào)節(jié)效果是很困難的，故引入微分調(diào)節(jié)規(guī)律。果是很困難的，故引入微分調(diào)節(jié)規(guī)律。 上式是理論上的理想微分調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式，因?yàn)槠钭麟A躍變化上式是理論上的理想微分調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式，因?yàn)槠钭麟A躍變化時(shí)是瞬間的，控制作用將為無窮大量，這是任何物理元件都不可能實(shí)時(shí)是瞬間的，控制作用將為無窮大量，這是任何物理元件都不可能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的微分

26、調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，其傳遞函數(shù)為現(xiàn)的。實(shí)際的微分調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，其傳遞函數(shù)為 ： W SKT ST SKT SW SDDDdDDd11式中：式中：TdTd微分時(shí)間；微分時(shí)間；K KD D微分增益。微分增益。 微分調(diào)節(jié)作用只與偏差信號的變化速度有關(guān)，與偏差值大小微分調(diào)節(jié)作用只與偏差信號的變化速度有關(guān)，與偏差值大小無關(guān)。無關(guān)。 因此對象受到較小擾動(dòng)后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很因此對象受到較小擾動(dòng)后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很小，微分作用由于自身動(dòng)作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動(dòng)作；小，微分作用由于自身動(dòng)作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動(dòng)作； 這樣經(jīng)一段時(shí)間后，偏差積累成一較大值，故純微分作用的這樣經(jīng)一

27、段時(shí)間后，偏差積累成一較大值，故純微分作用的調(diào)節(jié)器不能單獨(dú)使用，要與調(diào)節(jié)器不能單獨(dú)使用，要與P或或PI相結(jié)合使用。相結(jié)合使用。微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，如圖微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，如圖3-113-11所示：所示： tte(t)u(t)E圖圖3-11 3-11 微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng) 由圖由圖3-113-11可以看出，當(dāng)偏差作幅度為可以看出，當(dāng)偏差作幅度為E E的階躍變化時(shí)，微分作的階躍變化時(shí)，微分作用將立即產(chǎn)生，其值為偏差的用將立即產(chǎn)生，其值為偏差的K KD D倍，從這一點(diǎn)上看與比例作用相比，倍，從這一點(diǎn)上看與比例作用相比，調(diào)節(jié)及時(shí)且作用強(qiáng)。在時(shí)間較長后微分作用消失，直到為零。調(diào)節(jié)

28、及時(shí)且作用強(qiáng)。在時(shí)間較長后微分作用消失，直到為零?？梢娢⒎肿饔弥饕谡{(diào)節(jié)過程的初期，和積分作用恰好相反?？梢娢⒎肿饔弥饕谡{(diào)節(jié)過程的初期，和積分作用恰好相反。二、雙容對象配比例微分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程二、雙容對象配比例微分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程雙容對象的系統(tǒng)傳遞方框圖如圖雙容對象的系統(tǒng)傳遞方框圖如圖3-123-12所示所示: :STKDP11121STSTKC(s)R(s)+-D(s)+圖圖3-12 3-12 系統(tǒng)傳遞方框圖系統(tǒng)傳遞方框圖 從系統(tǒng)方框圖可寫出閉環(huán)傳遞函數(shù)：從系統(tǒng)方框圖可寫出閉環(huán)傳遞函數(shù)： 200221212121221212121111111SSTTKTTKKSTTTKKTTSTTKST

29、STKSTKSTSTKSDSCSWPDPDP上式中：上式中：21021211)1 (2TTKKKKTTTKKTTPPDP 在前面分析雙容對象配比例調(diào)節(jié)器時(shí)，已知在前面分析雙容對象配比例調(diào)節(jié)器時(shí)，已知 ：PPKKTTTT122121 由比較可見控制系統(tǒng)過渡過程的由比較可見控制系統(tǒng)過渡過程的阻尼比提高阻尼比提高了，阻尼比的增了，阻尼比的增加相應(yīng)于過程的加相應(yīng)于過程的衰減率增大衰減率增大，系統(tǒng)的，系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高穩(wěn)定性提高了。此外，阻尼了。此外，阻尼比的增加使控制過程的比的增加使控制過程的超調(diào)量減小超調(diào)量減小，從而使過渡過程的，從而使過渡過程的動(dòng)態(tài)偏差動(dòng)態(tài)偏差減小減小。微分作用的引入使系統(tǒng)控制過程的

30、。微分作用的引入使系統(tǒng)控制過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都得以穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都得以提高提高。但。但不能消除穩(wěn)態(tài)偏差不能消除穩(wěn)態(tài)偏差。 當(dāng)系統(tǒng)受到幅值為當(dāng)系統(tǒng)受到幅值為1 1的擾動(dòng)信號的擾動(dòng)信號D D作用后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，作用后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，被調(diào)量的偏差值為：被調(diào)量的偏差值為： CSSK T TSSSKKKKKKPPPlim()021111122002 與純比例調(diào)節(jié)時(shí)一樣，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)偏差，而偏差的大小與與純比例調(diào)節(jié)時(shí)一樣，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)偏差，而偏差的大小與調(diào)節(jié)器的比例帶有關(guān)。由于微分作用的加入提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)器的比例帶有關(guān)。由于微分作用的加入提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此可適當(dāng)減小比例帶以減小穩(wěn)態(tài)偏差，這正是微分作用的間接因此可適當(dāng)減小比例帶以減小穩(wěn)態(tài)偏差，這正是微分作用的間接效果。效果。 微分作用大小一定要適度，過大微分作用會(huì)造成調(diào)節(jié)閥時(shí)而微分作用大小一定要適度，過大微分作用會(huì)造成調(diào)節(jié)閥時(shí)而全關(guān)，時(shí)而全開的大幅度動(dòng)作，這是多數(shù)生產(chǎn)過程不允許的。全關(guān)，時(shí)而全開的大幅度動(dòng)作，這是多數(shù)生產(chǎn)過程不允許的。實(shí)際應(yīng)用：實(shí)際應(yīng)用： 常規(guī)調(diào)節(jié)器的