第二讲基本控制规律与控制过程课件

自动控制规律及过渡过程 第一节第一节 概论概论 自动控制仪表的作用：自动控制仪表的作用：自动控制仪表的作用：自动控制仪表的作用：将将对对测测量量值值与与给给定定值值相相比比较较，产产生生一一定定的的偏偏差差，控控制制仪仪表表根根据据 该该偏偏差差进进行行一一定定的的数数学学运运算算，并并将将运运算算结结果果以以一一定定的的信信号号形形式式送送到到执执行行器器，以以实实现现对对于于被被控控变变量量的的自自动控制。动控制。控控制制规规律律是是指指控控制制器器的的输输出出信信号号与与输输入入信信号号之之间间的的关系。关系。即即控制器的输入：比较机构送来的偏差信号控制器的输入：比较机构送来的偏差信号e,e=z-x;控制器的输出：控制器送往执行器的信号控制器的输出：控制器送往执行器的信号p。经经常常是是假假定定控控制制器器的的输输入入信信号号e是是一一个个阶阶跃跃信信号号，然后来研究控制器的输出信号然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。随时间的变化规律。在研究控制器的控制规律时在研究控制器的控制规律时在研究控制器的控制规律时在研究控制器的控制规律时 第二节第二节 基本控制规律及其对控制系统基本控制规律及其对控制系统过渡过程的影响过渡过程的影响控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律比例控制比例控制（P P）积分控制积分控制（I I）微分控制微分控制（D D）P P、I I、D D的组合的组合 简单比例控制系统示意图如上图，根据相似三角形原理如上图，根据相似三角形原理如上图，根据相似三角形原理如上图，根据相似三角形原理所以，对于具有比例控制的控制器所以，对于具有比例控制的控制器所以，对于具有比例控制的控制器所以，对于具有比例控制的控制器pba=eKeabpp=eP=KP e （4-4）1、比例控制规律及其特点、比例控制规律及其特点比例控制器Kpep比例控制器Kp是一个可调的放大倍数是一个可调的放大倍数.它确定比例控制作用的强它确定比例控制作用的强弱。弱。Kp越大，比例控制作用越强，越大，比例控制作用越强，比例度比例度比例度比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的输是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。出变化相对值之比的百分数。（4-5）2.2.2.2.比例度比例度比例度比例度%100/minmaxminmax*-=pppxxed输入的最大变化量，输入的最大变化量，即仪表的量程即仪表的量程输出的最大变化量，即控输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围制器输出的工作范围举例一一只只比比例例作作用用的的电电动动温温度度控控制制器器,它它的的量量程程是是 400400800,800,电电动动控控制制器器的的输输出出是是0 010mA 10mA,假假如如当当指指示示值值从从600600变变化化到到700700时时,相相应应的的控控制制器器输输出出从从4mA4mA变化到变化到9mA,9mA,这时的比例度为为这时的比例度为为 ()()()()%50%100010/49400800/600700=*-=d 当当温温度度变变化化(输输入入）全全量量程程的的50%50%时时,控控制制器器的的输输出出从从0mA0mA变变化化到到10mA10mA。在在这这个个范范围围内内,温温度度的的变变化化和和控控制制器器的输出变化的输出变化p是成比例的。是成比例的。说明比例度与输入输出的关系比例度与输入输出的关系比例度的大小与放大比例度的大小与放大倍数是什么关系？倍数是什么关系？即 对对于于一一只只具具体体的的比比例例控控制制器器，仪仪表表的的量程和控制器的输出范围都是固定的量程和控制器的输出范围都是固定的,令令%100)(minmaxminmax*-=xxppped%100)(1minmaxminmax*-*=xxppKPd对一只控制器来说，对一只控制器来说，K是一个固定常数。是一个固定常数。得得（9-10）而而 KP值与值与值都可以用来值都可以用来表示比例控制作用的强表示比例控制作用的强弱。控制器的的比例度弱。控制器的的比例度越小，放大倍数越大，越小，放大倍数越大，它将偏差放大的能力越它将偏差放大的能力越强，控制作用就越强，强，控制作用就越强，反之，亦然。反之，亦然。%100*=PKKdepKP=3.3.3.3.比例控制系统的过渡过程及余差比例控制系统的过渡过程及余差比例控制系统的过渡过程及余差比例控制系统的过渡过程及余差图4-5 简单比例控制系统示意图Q2 Q1 P简单水槽的比例控制过程在在t=tt=t0 0时时，系系统统外外加加一一个个干干扰扰作作用用，出出水水量量Q Q0 0有有一一阶阶跃跃增加增加被控变量液位被控变量液位h h开始下降开始下降作用在控制阀上的信号作用在控制阀上的信号Q0图4-7 简单水槽的比例控制过程进进水水量量增增加加，经经过过一一定定时时间间的的调调整整，进进水水量量等等于于出出水水量量，液液位位稳定在新的数值。稳定在新的数值。偏偏差差的的变变化化曲曲线线，控控制制过过程程结结束束后后，液液位位的的稳稳定定值值低低于于给给定定值值，差值为余差。差值为余差。为什么产生余差？为什么产生余差？比例控制规律其余差的大小与阀门的开度是一一对应的，有一个阀门开度就有一个对应的偏差值。eKpp=4.4.4.4.比例度对过度过程的影响比例度对过度过程的影响比例度对过度过程的影响比例度对过度过程的影响比例度对过渡过程的影响比例度越大，放大倍数越比例度越大，放大倍数越小，由于小，由于 ，要获得同样的控制作用，要获得同样的控制作用，所需的偏差就越大。为了所需的偏差就越大。为了减小余差，就要增大减小余差，就要增大Kp,但但是会使系统的稳定性变差。是会使系统的稳定性变差。eKpp=图9-11 比例度对过渡过程的影响比例度比例度越大越大，过渡过程的曲线，过渡过程的曲线越平稳，但余差也越大。越平稳，但余差也越大。比例度比例度越小越小，则过渡过程曲线，则过渡过程曲线越振荡；越振荡；比例度比例度越过小越过小，就有可能出现，就有可能出现发散振荡。发散振荡。当比例度大时，控制器放大倍数当比例度大时，控制器放大倍数Kp小，控制器小，控制器的控制作用弱，在干扰加入后，控制器的输出变的控制作用弱，在干扰加入后，控制器的输出变化很小，阀门开度改变也小，这样被控变量的变化很小，阀门开度改变也小，这样被控变量的变化就很缓慢化就很缓慢.当比例度减少时，控制器放大倍数当比例度减少时，控制器放大倍数Kp增加，控制增加，控制作用加强，即在同样地偏差下，控制器输出较大，控作用加强，即在同样地偏差下，控制器输出较大，控制阀开度改变较大，被控变量变化也比较迅速，开始制阀开度改变较大，被控变量变化也比较迅速，开始有些振荡有些振荡,余差不大。余差不大。当比例度再减小，控制阀开度改变就更大，当比例度再减小，控制阀开度改变就更大，大到有些过分的时候，被控变量也就跟着过大到有些过分的时候，被控变量也就跟着过分的变化，等到再拉回来时，就拉过头了，分的变化，等到再拉回来时，就拉过头了，结果会出现剧烈的振荡。结果会出现剧烈的振荡。当比例度减少到某一数值时，系统出现等幅当比例度减少到某一数值时，系统出现等幅振荡，这时比例度称为振荡，这时比例度称为临界比例度临界比例度k。当比例度小于临界比例度，系统在加入干扰当比例度小于临界比例度，系统在加入干扰后，将出现不稳定的发散振荡过程。后，将出现不稳定的发散振荡过程。优点：优点：反应快，控制及时反应快，控制及时缺点：缺点：存在余差存在余差 若若对对象象的的滞滞后后较较小小、时时间间常常数数较较大大以以及及放放大大倍倍数数较较小小时时，控控制制器器的的比比例例度度可可以以选选得得小小些些，以以提提高高系系统统的的灵灵敏敏度度，使使反反应应快快些些，从从而而过过渡渡过过程程曲曲线线的的形形状状较较好好。反反之之，比例度就要选大些以保证稳定。比例度就要选大些以保证稳定。结论结论 积分控制1、积分控制规律及其特点 当当对对控控制制质质量量有有更更高高要要求求时时，就就需需要要在在比比例例控控制的基础上，再加上能制的基础上，再加上能消除余差消除余差的积分控制作用。的积分控制作用。积分控制规律：积分控制规律：控制器的输出变化量控制器的输出变化量p与输入与输入偏差偏差e的积分成正比，即的积分成正比，即 积分速率积分速率=edtKpI积分控制图9-12 积分控制规律当输入偏差是常数当输入偏差是常数A A时时AtKedtKpII=当偏差存在时，输出信号将随时间增长。只有当偏差为零时并不再变化时，输出p才能不再变化停止变化在某一值上，系统才能稳定下来，所以积分控制组成的控制系统可以达到无余差.积分控制能消除余差吗？积分控制能消除余差吗？积分控制优点：消除余差缺点：控制作用缓慢、出现控制不及时积分控制作用输出信号的大小不仅取决于偏差信积分控制作用输出信号的大小不仅取决于偏差信号的大小号的大小,而且主要取决于偏差存在的时间长短。而且主要取决于偏差存在的时间长短。积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。积分控制作用在最后达到稳定时，偏差等于零。积分控制作用在最后达到稳定时，偏差等于零。结论积分控制2、比例积分控制规律与积分时间比例积分控制规律可用下式表示比例积分控制规律可用下式表示 比例作用是即时的、快比例作用是即时的、快速的，而积分作用是缓速的，而积分作用是缓慢的、渐近的。慢的、渐近的。()+=edtKeKpIp由于由于则则（4-9）+=edtTeKpIp1在比例积分控制器中，经常用在比例积分控制器中，经常用积分时间积分时间TI来表示积分来表示积分速度速度KI的大小的大小.积分控制若偏差是幅值为若偏差是幅值为A A的阶跃干扰的阶跃干扰在时间在时间t=Tt=TI I时，有时，有当总得输出等于比例作当总得输出等于比例作用输出的两倍，其时间用输出的两倍，其时间就是积分时间就是积分时间AtTKAKpppIppIP+=+=PpppIPpA2KAKAKppp=+=+=2图图4-10 4-10 比例积分控制规律比例积分控制规律 积分时间积分时间TI越短，积分速度越短，积分速度KI越大，积分特性越大，积分特性曲线的斜率越大，即积分作用越强。曲线的斜率越大，即积分作用越强。反之，积分时间反之，积分时间TI越大，表示积分作用越弱。越大，表示积分作用越弱。若积分时间为无穷大，则表示没有积分作用，控若积分时间为无穷大，则表示没有积分作用，控制器就成为纯比例控制器了。制器就成为纯比例控制器了。积分控制3、积分时间对系统过渡过程的影响 积积分分时时间间对对过过渡渡过过程程的的影影响响具具有有两重性两重性 当缩短积分时间当缩短积分时间,加强积分控制作用加强积分控制作用时时,一方面克服余差的能力增加一方面克服余差的能力增加。（有利）（有利）另一方面会使过程振荡加剧另一方面会使过程振荡加剧,稳定性降稳定性降低。积分时间越短低。积分时间越短,振荡倾向越强烈振荡倾向越强烈,甚至会甚至会成为不稳定的发散振荡。成为不稳定的发散振荡。（不利）（不利）积分时间过大，积分作用不明显余差消除很慢；积分时间过小，易于消除余差，但过渡过程振荡太剧烈；积分时间适当，过渡过程能较快地衰减而没有余差。图图4-11 4-11 积分时间对过渡过程的影响积分时间对过渡过程的影响微分控制微分控制比比例例积积分分控控制制同同时时具具有有比比例例和和积积分分控控制制规规律律的的优优点点，比比例例度度和和积积分分时时间间两两个个参参数数均均可可调调整整，因因此此使使用用范范围围较宽。较宽。当当对对象象滞滞后后很很大大时时，可可能能控控制制时时间间较较长长、最最大大偏偏差差也较大；也较大；负负荷荷变变化化过过于于剧剧烈烈时时，由由于于积积分分动动作作缓缓慢慢，使使控控制制作用不及时，此时可增加作用不及时，此时可增加微分作用微分作用。1 1、微分控制规律及其特点、微分控制规律及其特点具有微分控制规律的控制器具有微分控制规律的控制器具有微分控制规律的控制器具有微分控制规律的控制器（4-10）微分控制微分控制 偏差变化的速度越大，则控制器的输出变偏差变化的速度越大，则控制器的输出变化也越大，即微分作用的输出大小与偏差变化化也越大，即微分作用的输出大小与偏差变化的速度成正比。的速度成正比。微分时间微分时间dtdeTpD=图4-12 微分控制的动态特性微分控制微分控制理想微分控制理想微分控制dtdeTpD=优点：优点：即使偏差很小，只有出现变化趋势，马上就进行控制，固有超前作用。超前作用。缺点：缺点：输出不能反映偏差的大小，假如固定偏差，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制 结果不能消除偏差不能消除偏差。当比例作用和微分作用结合时当比例作用和微分作用结合时,构成比例微分控制规律构成比例微分控制规律 比比例例微微分分控控制制器器的的输输出出p等等于于比比例例作作用用的的输输出出pP与与微微分分作作用用的的输输出出pD之之和和。改改变变比比例例度度(或或KC)和和微微分分时时间间 TD分分别别可可以以改改变变比比例例作作用用的的强强弱弱和和微微分分作作用用的的强弱。强弱。说明：说明：微分控制微分控制+=+=dtdeTeKpppDpDP图图4-14 4-14 微分时间对过渡过程的影响微分时间对过渡过程的影响 微分作用改善控制质量，减小最大偏差（减少被控变量的波动幅度），节省控制时间，具有抑制振荡的效果，可以提高系统的稳定性。微分作用也不能加得过大，引起大幅度的振荡。微分控制微分控制比例积分微分控制比例积分微分控制 同同时时具具有有比比例例、积积分分、微微分分三三种种控控制制作作用用的的控控制制器器称称为为比例积分微分控制器比例积分微分控制器。习惯用。习惯用PIDPID表示。表示。（9-28）图 PID控制器输出特性 比例度、积分时间 TI和微分时间 TD。三个可调参数适用场合 对象滞后较大、负荷变化较快、不允许有余差的情况。控制规律 比例控制、积分控制、微分控制。微分控制微分控制预调预调细调细调粗调粗调比例控制比例控制 根据偏差的大小来进行控制，用比例度根据偏差的大小来进行控制，用比例度来表示其作用来表示其作用的强弱的强弱，越小，控制作用越强。越小，控制作用越强。积分控制积分控制 根据偏差是否存在来进行控制。用积分时间根据偏差是否存在来进行控制。用积分时间TI表示作用表示作用的强弱的强弱，TI越小，积分作用越强。越小，积分作用越强。微分控制微分控制 根据偏差变化速度来进行控制。用积分时间根据偏差变化速度来进行控制。用积分时间TD表示作用表示作用的强弱的强弱，TD大，作用越强。大，作用越强。总结总结Thank You!