过程控制第三章简单控制系统的整定

第一篇 简单控制系统,第三章 简单控制系统的整定,第三章,简单控制系统的整定,3-1 控制系统整定的根本要求,3-2 衰减频率特性法定性分析,3-3 工程整定方法,3-4 参数自整定,3-1 控制系统整定的根本要求,PID,广义被控对象,给定值,r,被调量,y,e,u,控制系统的任务是指在控制系统的结构已经确定、控制设备与控制对象等都处在正常状态的情况下,通过调整调节器的参数、TI、TD)，使其与被控对象特性相匹配，以到达最正确的控制效果。,1.参数整定,调整调节器参数的过程称为参数整定。当调节器的参数被整定到使控制系统到达最正确控制效果时，称为最正确整定参数。,2.参数整定的依据性能指标,1单项性能指标：衰减率、超调量、过渡过程时间。,=0.75适应于大局部允许有一些超调的工业过程。,=1适用于被控对象的惯性较大，且不允许有过调的控制系统。,2误差积分指标：IE、IAE、ISE、ITAE等。,在实际系统整定过程中，常将两种指标综合起来使用。,一般先改变某些调节器参数如比例带使系统获得规定的衰减率，然后再改变另外的参数使系统满足积分指标。经过屡次反复调整，使系统在规定的衰减率下使选定的某一误差指标最小，从而获得调节器的最正确整定参数。,3.调节器参数整定的方法,1理论计算整定法：根轨迹法、频率特性法基于数学模型通过计算直接求得调节器的整定参数，整定过程复杂，且往往由于被控对象是近似的，故所求得的整定参数不可靠。,2工程整定法：临界比例带法、衰减曲线法、图表整定法。这写方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似最正确整定参数，因而在工程种得到广泛的应用。,3-2,衰减频率特性法定性分析,从控制理论得知，对于二阶系统，其特征方程,假设有一对共轭复根：,对应的系统阶跃响应衰减率为,其中,，称为系统相对稳定度,在根平面上有,G,C,(s),G,P,(s),r,y,e,u,W,o,(s),1,.,衰减频率特性和稳定度判据,-,j,-,A,B,O,当频率从,，折线,AOB,上的任一点可表示为,将,s,的值带入系统开环传递函数,得到系统的开环,衰减频率特性,对应的推广乃氏稳定性判据,稳定度判据为：,在复平面,AOB,折线右侧有,p,个极点，那么当频率从,时,逆时针包围-1，j0的圈数为p，,那么闭环系统衰减率满足规定要求,假设,假设,在复平面,AOB,折线右侧无极点，,变化时，,不包围-1，j0，那么闭环系统衰减率满足规定要求,通过-1，j0，那么闭环系统衰减率满足规定要求,包围-1，j0，那么闭环系统衰减率不满足规定要求,当频率从,-,A,B,O,满足特征方程：,1,.,衰,减频率特性法整定调节器参数,设满足,的特征方程为,即：,求得以上满足幅值条件和相位条件的所组成的方程组便可得到调节器的整定参数及振荡频率。,1单参数调节器的参数整定,其中,s,是由相频特性求得的。,求解方程组：,1比例调节器:GC(ms,j)=KC,2积分调节器:,求解方程组：,结论,由频率特性方程组可得到：,单参数调节器唯一整定参数,P,调节和,I,调节的相频特性,:,对同一对象：,相对稳定度,m,越小，系统振荡频率越高；,P,调节的振荡频率比,I,调节的振荡频率高。,m=0,m=0.221,m=0.366,-,/2,-,0,1,2,4,6,5,3,P,：,I,：,2双参数调节器的参数整定,1PI调节,由频率特性方程组,，因此得到的解是多组解,解三个变量,=0,=0.75,=0.9,T,I,=,常数,(a),有自平衡能力的多容对象,;(b),无自平衡能力的多容对象,=0.75,=0.9,=0,s,0,s,0,s,1,s,1,PD,控制系统的等衰减率曲线,(n-1),阶对象,n,阶对象,(b),T,d,=T,(a),2PD调节,由频率特性方程组,，因此得到的解是多组解,解三个变量,PI,调节,PD,调节,综上分析可看到，用这种理论的整定方法整定调节器参数，当调节器的参数超过一个时，整定是非常麻烦的，计算量很大实用价值不高。但它可建立调节器整定参数与被控对象动态特性参数之间的关系，为工程整定的经验公式提供理论依据。,3-3,工程整定方法,1.动态特性参数法离线整定、开环整定,自衡对象：,非自衡对象：,齐勒格(Ziegler)-尼科尔斯(Nichols)整定公式=0.75,T,D,T,I,P,PI,PID,规律,参数,齐勒格-尼科尔斯整定公式比较粗糙，经过不断改进，广为流传的是科恩-库恩公式自衡对象=0.75,随着仿真技术的开展，又有以积分指标为辅助系统性能指标的调节器最正确参数整定公式，如教材表3.2针对自衡对象,2.稳定边界法临界比例带法闭环试验法,T,D,T,I,P,PI,PID,规律,参数,T,cr,使调节器为纯比例规律，且比例带较大；,使系统闭环，待稳定后，逐步减小比例带，当系统出现等幅震荡时，计下,G,C,(s),G,P,(s),r,y,e,u,W,o,(s),查表,3.3,注意：,适于临界稳定时振幅不大，周期较长Tcr30s的系统，对象的和T较小不适用；T较大的单容对象因采用P调节时，系统永远稳定，也不适用,对于非自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75,对于自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75,对于某些中性稳定对象，不能使用此法,3,.,衰减曲线法 闭环试验法,使调节器为纯比例规律，且比例带较大；,使系统闭环，待稳定后，逐步减小比例带，当系统出现衰减震荡时=0.75，=0.9，计下,G,C,(s),G,P,(s),r,y,e,u,W,o,(s),T,s,T,r,查表,3.4,T,D,T,I,P,PI,PID,规律,参数,=0.75,=0.9,T,D,T,I,P,PI,PID,规律,参数,注意：,对于扰动频繁而过程又较快的系统，,T,s,的测量不易准确，因此给参数整定带来误差。,4,.,经验法,先根据经验确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为参加阶跃扰动通常为调节器设定值扰动，观察被调量或调节器输出曲线变化，并依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的参数，一般先整定，再整定TI和TD，如此反复试验屡次，直到获得满意的阶跃响应曲线为止。,对象,参数,100,T,I,/min,T,D,/min,温度,压力,流量,液位,2060,3070,40100,2080,310,0.43,0.11,0.53,表,3.5,经验法调节器参数经验数据,表,3.6,设定值扰动下整定参数对调节过程的影响,对象,参数,T,I,T,D,稳态误差,衰减率,最大动态偏差,振荡频率,-,-,不同的整定方法按相同的衰减率整定，得到不相同参数整定值。,3-4,参数自整定,自学,