比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過程(初學(xué)版).ppt

1、Process Control過程控制清華大學(xué)自動(dòng)化系王京春,第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過程,2-1 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的品質(zhì)指標(biāo) 2-2 調(diào)節(jié)器的基本特性 2-3 比例控制器及其調(diào)節(jié)過程 2-4 積分制器及其調(diào)節(jié)過程 2-5 比例積分控制器及其調(diào)節(jié)過程 2-6 比例積分微分控制,2-1 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的品質(zhì)指標(biāo),一. 品質(zhì)指標(biāo)： 1.要求： 穩(wěn)定，準(zhǔn)確，快速。 以穩(wěn)定性為首要指標(biāo)；三者相互聯(lián)系，相互制約；評(píng)價(jià)系統(tǒng)的好壞，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮三個(gè)方面 2.性能指標(biāo)： 穩(wěn)定性指標(biāo)：衰減率 ，一般為7590,準(zhǔn)確性指標(biāo)： 穩(wěn)（靜）態(tài)偏差：新的穩(wěn)定值與設(shè)定值的差值 在干擾作用下 在給定值作

2、用下 最大動(dòng)態(tài)偏差：動(dòng)態(tài)過程中被控量與設(shè)定值的最大差值 超調(diào)量：定值擾動(dòng)下，經(jīng)常用它來描述動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性。,快速性指標(biāo)：過程調(diào)整時(shí)間ts 以穩(wěn)定值的5或2作一許可誤差范圍，從過程起點(diǎn)到被控量達(dá)到并保持在這一范圍內(nèi)所需要的時(shí)間,綜合指標(biāo)：,誤差積分,絕對(duì)誤差積分,平方誤差積分,時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積積分,3. 二階系統(tǒng)的性能指標(biāo) 與特征參數(shù)的關(guān)系,m 是特征根的實(shí)部與虛部之比，被稱為系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定度， 衰減率 m 阻尼比 0.75 0.221 0.215 0.9 0.366 0.344 0 1 m 系統(tǒng)趨向穩(wěn)定。,2-2 調(diào)節(jié)器的基本特性,常規(guī)控制器的組成：給定值設(shè)定機(jī)構(gòu)，偏差比較機(jī)構(gòu)，控制運(yùn)算模塊。,

3、一. 調(diào)節(jié)器的正、反作用：,調(diào)節(jié)器的首要任務(wù)是要構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 通過分析系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)的正負(fù)號(hào)，正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用，使系統(tǒng)成為負(fù)反饋系統(tǒng) 工業(yè)調(diào)節(jié)器正反作用的定義 正作用：測(cè)量值控制作用 反作用：測(cè)量值控制作用 測(cè)量值增大與減小的基準(zhǔn)是設(shè)定值,正反作用的選擇原則廣義過程 為時(shí)， 選反作用控制器 廣義過程 為時(shí)， 選正作用控制器,二. 運(yùn)算規(guī)律,調(diào)節(jié)器以偏差e為輸入，控制（操作）量為輸出 比例作用( Proportional control, P ) 比例調(diào)節(jié)器的參數(shù)： 比例放大倍數(shù)Kc 比例帶；,積分作用( Integral Control, I ) 積分調(diào)節(jié)器的參

4、數(shù): 積分速度Ki，積分時(shí)間Ti PI作用,微分作用( Derivative, D ) 理想微分 實(shí)際微分 PD作用,傳遞函數(shù)：,e,u,MATLAB中的PID控制器,2-3 比例控制器及其調(diào)節(jié)過程 一.比例控制器的動(dòng)作規(guī)律： 傳遞函數(shù)： 比例控制器的調(diào)整參數(shù)： Kc:比例放大倍數(shù)； ：比例帶； 階躍響應(yīng)曲線,y,u,二.控制實(shí)例：浮子水位控制,以原始平衡點(diǎn)作為設(shè)定點(diǎn)。例：流入量0.5t/h; 流出量0.5t/h, 水位高度40cm;,流出量 ? 新的水位高度？,浮子水位控制系統(tǒng)框圖,實(shí)例小結(jié) 閥位與偏差一一對(duì)應(yīng)：閥門位置與水位（浮子）位置一一對(duì)應(yīng)。 按比例動(dòng)作：閥芯移動(dòng)的數(shù)值與浮子上下移動(dòng)的

5、數(shù)值成比例，比值是杠桿比。 比例控制是有差控制：它必然存在靜態(tài)偏差。 比例控制是一種有效的控制作用。,三. 比例帶的定義：,比例帶是一個(gè)無量綱的純數(shù)值 其物理意義為：調(diào)節(jié)閥從全開到全關(guān)（輸出作全量程范圍變化時(shí)），輸入（被控量）的變化占其全量程變化范圍的百分?jǐn)?shù)。 輸入輸出是相對(duì)于控制器而言的,例：一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，溫度變送器的量程為100200，當(dāng)溫度變化4時(shí)，可使調(diào)節(jié)閥從50到70變化，比例帶 比例帶輸入/ 輸出； 比例帶越大，控制作用越弱；比例帶越小，控制作用越強(qiáng)。,四. 比例控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程,換熱器采用比例控制 1.調(diào)節(jié)器正反作用的討論,2.靜特性： 調(diào)節(jié)器的靜特性：偏差與控制信號(hào)的對(duì)應(yīng)

6、關(guān)系 過程的靜特性：在流入側(cè)溫度一定，入口流量一定時(shí)，蒸汽閥門開度與出口溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（不同負(fù)荷流量下，有不同的靜態(tài)特性曲線。,1,A,O,A,B,Q1Q2,A,B,O,C,C,B,O,C,調(diào)節(jié)器與水溫,Q1流量下水溫與調(diào)節(jié)閥,Q2流量下水溫與調(diào)節(jié)閥,系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)：系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)在過程與調(diào)節(jié)器的兩條靜態(tài)特性的交點(diǎn)O上。 調(diào)節(jié)動(dòng)作：入口流量D溫度調(diào)節(jié)器使閥門正確的控制使溫度趨于，最終達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)A。 終點(diǎn)：新的溫度高于O的溫度，新的閥門位置低于O 溫度偏差與控制器輸出或閥門位置一一對(duì)應(yīng)，控制結(jié)果必然有靜態(tài)偏差,3.動(dòng)態(tài)過程： 溫度控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程分析的基本思路：能量平衡，進(jìn)出熱量不

7、平衡引起溫度變化，溫度變化引起調(diào)節(jié)閥門動(dòng)作,t1,t2,t3,t4,D1,D0,qo,qi,五.比例帶對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響,給定通道分析,干擾通道分析,當(dāng)Kc（)時(shí)，引起; 穩(wěn)定性變差； 工作頻率動(dòng)作加快； e()穩(wěn)態(tài)偏差減小; 對(duì)給定通道，當(dāng)Kc（)時(shí)，引起最大動(dòng)態(tài)偏差增大（前向放大倍數(shù)增大)； 對(duì)干擾通道，Kc（)時(shí)，引起最大動(dòng)態(tài)偏差減?。ㄓ捎诳刂谱饔脧?qiáng)而有效抑制干擾）,2-4 積分控制器及其調(diào)節(jié)過程,一.積分控制器的動(dòng)作規(guī)律 Ki:積分速度；Ti :積分時(shí)間； 積分時(shí)間越大，積分作用越弱。 積分時(shí)間是指控制器在階躍作用下，從起點(diǎn)到控制器輸出累計(jì)到與輸入量相等所需要的時(shí)間,PI作用,二.

8、積分控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程,1. 實(shí)例：自立式氣壓調(diào)節(jié)閥,2. 積分控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： a.無差控制：只要有偏差存在，控制器就會(huì)一直調(diào)整輸出，直到偏差為零 b.動(dòng)作過程慢：積分環(huán)節(jié)有90相角滯后，增加一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，使過程變慢。 c.積分作用對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性不利,三. 積分控制器調(diào)整參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響,給定通道,干擾通道,當(dāng)Ki(Ti)時(shí)，引起; 穩(wěn)定性變差； 工作頻率動(dòng)作加快； 若系統(tǒng)穩(wěn)定，e()穩(wěn)態(tài)偏差為零; 對(duì)給定通道，當(dāng)Ki (Ti )時(shí)，引起最大動(dòng)態(tài)偏差增大(前向放大倍數(shù)增大)； 對(duì)干擾通道，當(dāng)Ki (Ti )時(shí)，引起最大動(dòng)態(tài)偏差減小(由于控制作用強(qiáng)而有效抑制干擾),2-5 比例積分

9、控制器及其調(diào)節(jié)過程,一、 比例積分控制器的動(dòng)作規(guī)律,Ti,Q,p,i,Qh1,Qh2,二、比例積分控制過程特點(diǎn),無差控制 比例控制作用為主 積分控制作用為輔（僅用于消除穩(wěn)態(tài)偏差） 比例、積分作用的參數(shù)要相互配合,三、積分飽和與抗積分飽和的措施,+,-,r,u,+,+,-,+,-,K,HS,LS,b,uh,uq,ua,Sh,f,間歇單元,Eh,A,Ah,Eo,Ei,R1,RI,C1,C2,R2,S,2-6 比例積分微分控制 一、微分作用及其特點(diǎn) 理想微分 實(shí)際微分 微分時(shí)間Td； 微分增益Kd 提供0至90o導(dǎo)前角，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性 微分作用在靜態(tài)時(shí)輸出為0，無控制作用,二.比例微分控制器的動(dòng)作規(guī)律,傳遞函數(shù) 階躍響應(yīng)曲線 調(diào)節(jié)器的調(diào)整（特征）參數(shù),三. 微分作用對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響,對(duì)穩(wěn)定性的影響 適當(dāng)引入微分，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響 無作用 對(duì)其它性能指標(biāo)的影響 引入Td ，可提高快速性，提高系統(tǒng)的工作頻率,特征方程： 按Roth判據(jù)可得，穩(wěn)定范圍為 1.32Td7.68 Td太大或太小，都會(huì)破壞