2[1].4控制规律及其对过渡过程影响(精品)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,广义对象,回忆：控制器作用,被控对象,测量变送,控制器,执行器,被控变量,设定值,扰动,控制器作用：给出输出控制信号，以消除被控变量与给定值之间的偏差。,控制效果的好坏很大程度上决定于控制器的性能，也即控制规律的选择。,2.4,控制规律及其对过渡过程的影响,研究控制规律时是把控制器的输出和系统断开，即在系统开环时单独研究控制器本身的特性。,y(t),被控变量的测量值,r(t),被控变量的给定值,控制器的输出信号：相对于控制器输入信号,e,的输出的变化量,u,。,分析方法：输入,e(t,),给一个阶跃信号，分析输出信号随时间的变化规律。,e(t,)=y(t),r(t),偏差：,控制规律,:,指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。,常用控制规律：,位式控制,比例控制,(P),比例积分控制,(PI),比例微分控制,(PD),比例积分微分控制,(PID),P,：,proportion,I,：,integration,D,：,differentiation,一、双位控制,或者,双位调节系统示例：利用电极式液位计控制电磁阀的开启与关闭。,理想的双位调节特性曲线,J,H,0,u,开位,关位,e,双位控制,控制器,罐,压力,变送器,排放,电磁阀,例如：某压力控制系统，控制设定值为,100KPa,，当罐内,压力刚好达到,100KPa,时，控制器输出为,0,，电磁阀关；,罐内压力稍稍大于,100KPa,时，控制器输出为,1,，电磁阀,开，排除气体降低系统压力，此时罐内压力马上又小于,设定值,100KPa,，电磁阀关，内部压力马上又会重新升,高，大于,100,KPa,，控制器输出为,1,，电磁阀,开,，这样控制器输出在,0,与,1,之间不断变,化，电磁阀也在,“,开,”,和,“,关,”,二个状态上不停的动作。,这种现象在实际工业系统中是绝对不允许的，因为任何一种设备都有一定的使用寿命，电磁阀的使用寿命一般在,10,万,50,万次。,如果把双位,特性调整为,x(t,),z(t,),e(t,),u(t,),+,u,max,u,min,双位控制,总结,由于位式控制的执行器是从一个固定位置到另一个固定位置，,所以整个系统不可能保持在一个平衡状态。,被控变量总在设定值的附近波动，其过渡过程是持续的等幅振荡，,滞回区间的大小影响振荡频率。,振荡频率低，控制质量差；振荡频率高，影响执行器的使用寿命。,位式控制的特点：简单、过渡过程是振荡的,位式控制的适用范围：时间常数大,纯滞后小,负荷变化不大也不激烈,控制要求不高。,二、比例控制,(P),O,a,b,O,a,b,e,u,阀门开度的改变量与被控变量,(,液位,),的偏差值成比例,浮球液位控制系统,式中,e-,为调节器的输入,;u-,为调节器的输出,;,比例调节规律,:,调节器的输出信号变化量与偏差信号成比例,e,t,特点：控制作用及时迅速。,一旦偏差不为,0,，调节器的输出即刻发生改变。,传递函数：,A,u,K,P,A,t,K,P,为比例增益，表征比例控制作用的强弱程度。,K,P,越大：控制作用越强,但是，在工业现场，一般都习惯于用,比例度,来表示比例作用的强弱,比例度,的定义：输入信号的相对变化量占输出信号的相对变化量的百分数。,其中：,C,仪表常数，当输入输出是统一信号时，仪表常数,C,1,，,K,P,越大,越小,控制作用越？,。,x,max,x,min,：控制器输入的变化范围，即测量仪表的量程,max,min,：控制器输出的变化范围,答：越强,具体意义：使控制器的输出变化满刻度时,(,控制阀从全关到全开或相反,),，相应的控制器的输入变化量占输入变化范围的百分数。,此时：,比例度与输入、输出的关系：,例：一台比例作用的温度控制器，其温度的变化范围为,400800,、控制器的输出范围是,420mA,。当温度从,600,变化到,700,，,控制器相应的输出从,8mA,变为,12mA,，求其比例度的值为多少？,解：,28.,某比例式温度控制器，其测量值的变化范围为,01000,，控制器的输出变化范围是,0100,。若控制器的比例度为,50,，当测量值变化,100,时，控制器的输出相应变化了多少？,解：,思考题与习题（,P44,）,比例作用对过渡过程的影响,某控制系统的方块图如右图所示，求设定值、干扰分别发生阶跃变化时的稳态变化量。,先求,Y(s,)=?,X(s,)+?,F(s,),令设定值发生单位阶跃变化：,则：,存在余差,令干扰发生单位阶跃变化：,则：,对被控变量有影响，产生余差。,Kp,增大，余差减小,。,比例控制的特点,:,控制作用及时迅速，余差不可避免,，因此亦称有差调节。,比例度对控制过程的影响,比例度的选择原则,:,若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小（系统易稳定）时，比例度选大一点还是小一点？,比例度愈大，过渡过程曲线震荡愈小，余差愈大；,比例度愈小，过渡过程曲线震荡激烈，可能不稳定。,反之，若系统不易稳定，就要选择大的比例度来保证稳定。,答：选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。,比例调节器适用对象：干扰幅值小、滞后较小、时间常数较大的对象。,三、比例积分控制,(PI),1,、积分控制,(I),积分作用微分方程表达式,:,t,t,e,u,T,I,：,积分时间，表示积分速度的大小和积分作用的强弱,。,阶跃响应曲线,传递函数,:,特点,:,可消除余差,缺点,:,控制作用不及时（不单独使用）,T,I,越大，积分作用越强还是越弱？,答：越弱,2,、比例积分控制,(PI),在阶跃信号作用下（幅值为,A),PI,输出响应由比例和积分两部分组成,当,t=T,I,u=2K,P,A,微分方程表达式,:,t,KpA,t,KpA,e,u,T,I,由此可确定积分时间。,积分时间,T,I,的物理意义：,在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。,积分时间对过渡过程的影响,T,I,太大,:,积分作用不明显，余差消除也慢,;,T,I,时有没有余差？,注意积分饱和问题,积分饱和：由于某种原因，偏差一时无法消除时，一段时间后，调节器输出将进入深度饱和状态。系统将失去控制。,T,I,太小,:,积分作用加强，易于消除余差，系统的振荡加剧。,四、比例微分控制,(PD),1,、微分控制,(D),理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：,在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。,微分时间,e,t,0,t,0,特点：,超前调节,，不能消除余差。（不能单独使用）,微分控制主要是用来克服对象的大容量滞后、大时间常数。,2,、比例微分调节,(PD),t,e,t,u,理想,PD,控制器的阶跃响应曲线,比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间,d,成正比。,微分时间越大，微分作用越强,。,工业实际使用的比例微分调节,(PD),K,d,：,微分增益,，它反映了实际微分特性与理想微分,特性接近的程度,K,d,越大微分作用越接近理想程度，,K,d,一般为,5,10,。,实际比例微分控制作用的阶跃响应,实际比例微分控制作用的阶跃响应,e(t,),a,u(t,),0.632K,P,(K,d,-1)a,K,P,a,K,d,K,P,a,(,K,d,-)K,P,a,d,当,t=0,+,时,u,K,d,K,P,a,当,t,时,u,K,p,a,当,t=,d,时,u,K,P,a,0.368,（,K,d,1,）,K,P,a,K,p,的测定：,u(,)/a,K,d,的测定,：,u(0)/u,(,),T,d,的测定：测出,d,后乘以,K,d,PD,控制不足之处：,一般只适应于,时间常数较大或多容过程,（即被调量变化比较平稳的过程）的调节控制，而,不适用,于流量、压力等一些,变化剧烈,的过程。,微分时间对过渡过程的影响：,PD,控制优点：能提高系统的响应速度，抑制过渡过程的最大动态偏差。,Td,太大，微分作用太强，导致反应速度过快，引起系统振荡。,其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。微分作用对纯滞后的对象不起作用。,PD,控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。,五、比例积分微分控制,(PID),PID,阶跃响应特性曲线,PID,三作用控制器虽然性能效果比较理想，但并非任何情况下都可采用,PID,三作用控制器。因为,PID,三作用控制器需要,整定,比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。,阶跃响应特性可以看作是,PI,阶跃响应曲线,PD,阶跃响应曲线的叠加。,适当选择,、,T,I,、,T,d,即可获得满意的控制质量。,常见对象特点及其常用调节器类型,:,液位,滞后不大，一般控制要求不高，常用,P,或,PI,调节器；,流量,滞后很小，响应快，测量信号有脉动信号，常用,PI,调节器（一般不能加,D,）；,压力,液体介质：滞后小，气体介质：滞后适中，常用,P,或,PI,调节器，有时可用位式控制；,温度,滞后较大，响应较慢，常用,PID,调节器。,练习题：,某比例积分控制器输入、输出范围均为,4,20mA,，若将比例度设为,100,，积分时间设为,2min,，稳态时输出调为,5mA,，某时刻，输入阶跃增加,0.2mA,。试问经过,5min,后，输出将由,5mA,变化到多少？,解：,变化到的值,5,0.7,5.7mA,已知：,得：,思考题与习题（,P44,）,30.,某控制规律为,PID,的调节器，初始（稳态）输出为,50,，当输入信号突然增加,10,的阶跃时（给定值不变），输出变为,60,，随后输出线性上升，经,3min,输出为,80,，试求其,Kp,、,Ti,、,Td,。,解：经分析得该控制规律为比例积分控制。,