第3章-控制器的控制规律-zhm课件

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,*,控制器:又称自动控制仪表、控制器/调节器,第3章 控制器的控制规律,等效为,设计控制系统目的：y=x,问题出现：被控变量,能否,回到给定值上，或者,以什么样的途径、经过多长时间,回到给定值上来？,与被控对象特性有关（2章已讲述），,而且还与控制器的特性有关（3章）。,分析控制器的作用及其在控制系统中的作用,控制器:又称自动控制仪表、控制器/调节器第3章 控制器的控制,1,控制通道,干扰,通道,分析过程控制系统时:,e=x-z,但单独分析控制仪表时:习惯采用e=z-x,习惯上：e0称为正偏差；e0称为正偏差；,2,控制规律：,控制器输出值的变化量,u,与输入值e之间存在一定的函数关系,即:u=f(e)=f(z-x),这个函数关系决定控制器接受了e信号之后输出信号变化的规律这个规律称为控制器的控制规律。,最基本的控制规律有：,位式调节、P、I、D及其组合PI、PD、PID,不同控制规律适应不同的生产要求必须根据生产要,求来选取合适的控制规律。,若选择不当不但起不到好的控制作用反而会使控制,过程恶化甚至造成事故。,要选择合适的控制器，首先必须了解常用控制规律,的特点及适应条件，然后依据过度过程品质指,标要求结合具体对象特性做出正确的选择.,控制规律：控制器输出值的变化量u与输入值e之间存在一定的,3,3.1 双位控制,控制器的输出只有两个值：最大值或最小值。,理想的双位控制规律的数学表达式为：,当 （或 ）时，,当 （或 ）时，,当z x（或z0（或100KPa时，调节器输出为1，电磁阀开排除气体降低系统压力,P,当P,100KPa时，调节器输出为0，电磁阀关，P,当P,100KPa，调节器输出为1，电磁阀开，,这样调节器输出在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。,y势必产生等幅震荡,刚好,达到,缺点：在实际工业系统中,这种现象是绝对不允许的，因为任何一种,5,实际上的双位控制器是有中间区的，即,当测量值(或110),(90P110),(P0,u0(或e0,u0,u0)即二者异号,即测量值y增加，控制器输出u却减少，则该控,制器为反作用控制器,正作用：,反作用：,选择控制器正/反作用的目的：,保证控制系统成为负反馈,所谓“任意环节”作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向,环节,输入,（或 ）,输出,（或 ）,输入,（或 ）,输出,（或 ）,正作用,反作用,注意：在控制系统分析时，,e,=r-y,控制器增益定义：Kc=u/e,故正作用控制的增益Kc为负，而反作用控制器的增益Kc为正,，其,（2）控制器正/反作用：e=y-r=pv-sp若e0,11,（3）比例度对系统过渡过程的影响,为什么P,控制规律,会产生余差呢？是P,控制规律,自身的特点 思考!,结论：在扰动（例如负荷）及设定值变化时有余差存在。,假设系统原处于平衡状态，则y,=x,由于扰动,f的加入，使对象的输出发生变化，破坏了平衡状态,若f,y,则,y,x,e进入调节器，经,P运算后，则有输出u去克服扰动f，力图使y,因P调节器:,p=K,p,e,若想输出一定的信号p去克服扰动f的,影响，就必须有一定的输入信号e存在,比例控制器是有余差的控制，故：,对于控制系统要求较高不允许有余差，则纯比例满足不了要求,由控制原理知识可更清晰描述e存在：,（3）比例度对系统过渡过程的影响为什么P控制规律会产生余差呢,12,Kc对被控对象过渡过程的影响：,当广义对象的稳态增益为有限值时（自衡过程）,Kc,，余差减少,若受到设定值扰动时，余差为：,若受到外界扰动时，余差为：,Kc,e,(),但0,对广义对象的稳态值为无限值（非自衡特性）,对设定值变化时，e(),0，即余差为0,对干扰作用时，若G,f,(s)为自衡过程 则,e()0,若G,f,(s)为非自衡过程 则,e(),0,自己验证！,Kc对被控对象过渡过程的影响：当广义对象的稳态增益为有限值,13,Kc对系统稳定性的影响：,一般地，Kc,，稳定性降低,幅值裕度：,K,c,k,g,w,g,=G(jw,g,)=-180,对开环不稳定系统,K,c,1/K,0,是闭环稳定的条件,控制器参数整定时，对于一阶或二阶系统，结论是成立的,仿真结果：,Kc对系统稳定性的影响：一般地，Kc，稳定性降低对开,14,一般来说，若对象滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，Kc选大些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，Kc选小些以保证稳定。,工业生产中定值控制系统通常要求控制系统具有振荡不太剧烈，余差不太大的过渡过程，即衰减比在4:110:1的范围内，而随动控制系统一般衰减比在10:1以上,Kc小（,越大），过渡过程曲线越平稳；,Kc，系统的振荡程度加剧，衰减比，稳定程度降低。,若Kc较大，则振荡频率提高，因此把被控变量拉回到设定值所需时间就短。,Kc太大，系统出现等幅振荡，甚至发散,在扰动作用下，Kc 越大（,越小），最大偏差越小；,在设定作用下且系统处于衰减振荡时，Kc越大（,越小）最大偏差却越大,一般来说，若对象滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，K,15,纯比例控制适用场合：,纯比例调节系统的特点：,控制及时,控制结果有余差,干扰幅度较小,控制通道滞后较小,负荷变化不大,控制要求不太高,u(t,),t,O,A,e(t,),t,O,K,c,A,t,0,t,0,常见的：储槽液位控制系统、压缩机储气罐的压力控制等,如：在液位控制中，往往只要求液位稳定在一定的范围之内，,没有格要求，只有当比例控制系统的控制指标不能满足,工艺生产要求时，才需要在比例控制的基础上适当引入,积分或微分控制作用,纯比例控制适用场合：纯比例调节系统的特点：控制及时干扰幅度较,16,3.3,积分/,比例积分控制,（PI控制）,比例控制,最大的优点,是反应快，控制作用及时,最大的缺点,是控制结果存在余差,当工艺对控制质量有更高要求，不允许控制结果存在余差时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。,比例积分控制就是由,比例作用,和,积分作用,二种控制作用组合而成,3.3积分/比例积分控制（PI控制）比例控制最大的优点是,17,积分作用：指控制器的输出与输入（偏差e）对时间的积分成比例,表达式为：,u,I,(t),e,(t),A,u,I,(t),e,(t),A,积分作用的输出取决于：,e存在与否？,e0,输出随t积累而增大或减少,e=0时输出不再变化而,稳定在某一数值上,(积分具有,饱和,特性),只要e存在，调节器输出会不断变化，直到e为0,消除余差,当e=A时：,为一直线 如下图,T,I,：积分作用的变化速度,T,I,越小(变化速度越快，直线越,陡峭)，则I作用越强,T,I,越大(变化速度越慢，直线越,平坦),则I作用越弱,。,T,I,是描述I作用强弱的物理量,3.3.1 积分控制（I控制）,积分作用：指控制器的输出与输入（偏差e）对时间的积分成比例表,18,积分作用的特点：,三个,（1）无差调节,只要e不为零，则u不断增大,（优点）,（2）稳定性变差,I作用的传函：,（缺点）,提供了-90相角滞后，使临界频率降低，临界增益（稳定裕度）,减少，降低了系统的稳定性。,增加了一个位于零点的开环极点（另一方面纯积分环节的静态增,益趋于无穷大），使稳定性降低，系统的幅值裕度为零,（3）调节速度慢,与纯P比较而言,I作用在e变化后，其变化规律是从0开始逐,渐,，经T,i,时间后才会达到比例作用的大小,其变化速度与Ti关，Ti越小系统变化快，,其变化的速度总是要,小于,比例作用,故Ti是反应动作快慢的指标,2K,P,A,T,I,y,P,y,I,K,P,A,e,(t),A,y,t,t,0,0,对对象惯性较大y将出现较大超调量，过度时间也较长，,这样会使y波动得厉害，引入积分后会使系统易于振荡。,故一般不单独采用积分作用而与比例作用配合使用,积分作用的特点：三个（1）无差调节 只要e不为零，则u不断,19,思考题：,控制系统在纯比例作用下已整定好，加入积分作,用后，,为保证原稳定度,，此时应将比例度（）,A.增大 B.减小 C.不变,思考题：,20,PI控制,由比例和积分作用组合而成,如果加入e为幅值为A的阶跃信号则：,积分时间T,I,的定义：在阶跃输入下，积分作用的输出变化到比例作用的输出所经历的时间。如图所示 即y,p,=y,I,时所对应的时间,工程中常用此法求T,I,比例项,积分项,2K,P,A,T,I,y,P,y,I,K,P,A,e,(t),A,y,t,t,0,0,比例项,积分项,3.3.2比例积分控制（PI控制）,综合P、I作用的优点 P：作用迅速，但有余差 I：无余差，但稳定性差，动作缓慢,t=0仅P起作用，t0时输出在比例基础上逐渐增加即累积，如图,PI控制由比例和积分作用组合而成 如果加入e为幅值为A的阶跃,21,（1）PI作用可以消除余差,利用终值定理：,PI 传函：,对象传函：,可求误差传函为：,当输入阶跃信号时，,或也可以用PI作用环节的稳态增益趋于无穷来证明稳态误差为0,（1）PI作用可以消除余差利用终值定理：当输入阶跃信号时，,22,举例证明：,某控制系统的方块图如图所示，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：,无余差,令干扰发生单位阶跃变化：,则：,无余差,积分作用能消除余差！,数学角度分析余差产生,举例证明：先求 Y(s)=?X(s)+?,23,（2）积分时间Ti 对系统性能的影响：,引入积分作用的根本目的:,消除稳态,余差,注意：,T,i,越小，I作用越强,导致闭环系统的稳定性下降,在同样的Kc下:,扰动作用下:,T,i,小，最大偏差下降，振荡频率增加;,给定作用下：T,i,，积分作用加强，消除余差较快,但控制系统的,振荡加剧，系统的稳定性下降；,T,i,过小，系统振荡越强烈，,可能导致系统不稳定，,甚,至发散振荡,。,（2）积分时间Ti 对系统性能的影响：引入积分作用的根本目,24,注意事项：PI,PI控制器在克服干扰时，虽然消除了余差，但也降低了系统的,稳定性。因此，要保持原有的稳定程度，必须减小比例增益,（增大比例度约1.2倍或降低比例增益），这又使系统的其他控,制指标有所下降。,当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；,当负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用,不及时，此时可增加微分作用,PI适用场合：,控制通道滞后较小、负荷变化不大、y不允许有余差,其积分时间应根据不同的对象特性加以选择，一般情况下的大致范围是：,压力控制：,流量控制：,温度控制：,液位控制：一般不需积分作用,注意事项：PIPI适用场合：压力控制：,25,3.3.3 积分饱和,问题：,简答题,1、什么是控制器的积分饱和现象？,2、产生积分饱和的条件是什么？,3、积分饱和的主要危害是什么？,如何预防？,3.3.3 积分饱和问题：简答题,26,积分饱和定义：,控制器具有I作用，当其处于开环工作状态时，若e一直存在，将,使该控制器输出就会不停的变化（若正作用：,或反作用：,）,从而导致u达到极限位置。此后若e继续,（或,）,，u也不会再,（或,）,，即系统输出超出正常运行范围而进入饱和区。,一旦出现反向偏差，u逐渐从饱和区退出。进入饱和区愈深（如：,深度饱和状态,达到气源压力0.14MPa或0MPa）则退饱和时间愈长,此段时间内,，执行器仍停留在极限位置而不能随着偏差反向立即,做出相应的改变，导致控制器的输出产生滞后，从而造成调节过,程中动态偏差加大，,这时系统就像失去控制一样，,造成控制性能,恶化，甚至引起危险,。该现象称,积分饱和产生条件：,1）控制器具有积分作用,2）单方向e长期存在,3）控制器处于开环工作状态,举例说明：积分饱和产生及其预防,积分饱和定义：积分饱和产生条件：,27,u,例：恒压放空系