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1、控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 第二章 控制器 2.1 控制规律 2.2 模拟控制器 2.3 数字控制器 1 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 2.1.控制规律 控制规律的表示方法 基本控制规律 2 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 一、何为控制器的控制规律 x = Xm Xs x偏差 Xs给定值 Xm测量值 3 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 控制器的控制规律
2、 就是控制器 的输出信号随输入信号(偏差) 变化的规律。 这个规律常常称为控制器的特性 。 4 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 须注意： 在研究控制器特性时 1、输入是被控变量与给定值之差即偏差x ， 输出是输出信号的变化量y。 2、x0称正偏差 x0称负偏差 3、x0相应的y0, 称为正作用控制器 x0相应的y0, 称为反作用控制器 5 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 二、控制规律的表示方法 1、无因次化 为了用一个统一的式子表示控制 器的特性，可用相对变化量来表 示控制器
3、的输入和输出 X=x/( xmax-xmin) Y=y/( ymax-ymin) 6 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 2、五种表示方法 1) 微分方程表示法 用微积分的形式 表示控制器特性，它常用于测定控制器参 数。 P: PI: PD: PID : 7 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 2) 传递函数表示法 用拉普拉斯 变换式表示控制器特性。它常用于控 制器的特性分析以及控制系统的分析 计算 P: PI: PD: PID : 8 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动
4、化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 3 ) 频率特性表示法 用幅频特 性和相频特性形式表示控制器的特性 ，它用于控制系统的分析。 P: PI: 9 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 PD: PID: 10 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 4) 图示法 用控制器的输出随 时间变化曲线表示控制器特性 ，通常输入采用阶跃信号，这 时称为阶跃响应特性。图示法 比较直观，用它可进行控制器 参数的测定和控制器控制规律 的定性分析。 11 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院
5、自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 P:PI: PD:PID: 12 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 5) 离散化表示法 用离散化的形式 表示控制器特性，它用于数字控制器 以及各种计算机控制装置。 P: PI: PD: PID : 13 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 二、控制器的基本控制规律 1.比例控制规律 2.比例积分控制规律 3.比例微分控制规律 4.比例积分微分控制规律 14 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系
6、上页下页目 录 (一)比例控制规律 1、定义：只具有比例控制规律的控制 器为比例控制器，其输出与输入成比 例关系 15 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 2、比例控制规律的参数 比例增益Kp 比例度 与Kp的关系 : 比例度的一般表达式 16 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 3、比例控制规律的特点 快硬碰硬 有余差 17 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 (二)比例积分控制规律 1、积分作用 定义：积分作用的输 出与偏差
7、对时间的积 分成比例关系 18 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 积分作用的特点 能消除余差 慢慢来 积分作用一般不单独使用 19 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 2、比例积分控制规律 比例与积分两种作用的输出之和 20 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 3、积分作用的参数 积分时间TI 反映积分作用的强弱 在阶跃信号输入中，积分作用输出为 若取积分作用的输出等于比例作用的输出 积分时间的定义：在阶跃信号输入下，积分作
8、用的输出变化到等于比例作用的输出所经历的时间就 是积分时间TI 21 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 4、控制点、控制点偏差与控制精度 控制点：对于具 有积分作用的 控制器，当测 量值等于给定 值时，其输出 可以稳定在任 一值上 22 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 控制点偏差：具有积分作用的控制器 的输出稳定不变时，测量值与给定 值之间的微小偏差 控制精度：最大控制点偏差占输入信号 范围的百分数 表征控制器减小余差的能力 23 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动
9、化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 5、积分增益与开环放大倍数 实际PI控制器的传递函数: 24 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 在阶跃输入X 的作用下 控制器输出表达式为 25 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 利用始值定理 Y(0)=KPA 利用终值定理 26 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 积分增益 当最终变化量Y（）和比例增益 KP一定时，积分增益KI越大时，余差 越小，控制精度越高 开环放大倍数KO
10、P 27 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 6、积分饱和 具有积分作用的控 制器在单方向偏差信 号的作用下，其输出 达到输出范围上限值 或下限值以后，积分 作用将继续进行，从 而使控制器脱离正常 工作状态，这种现象 称为积分饱和 积分饱和的影响：控制不及时 28 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 防止积分饱和的方法 在控制器输出达到输出范围上限值 或下限值时 ，暂时去掉积分作用 在控制器输出达到输出范围上限值或 下限值时，使积分作用输出不继续增加 29 控制仪表和计算机控制装置
11、广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 (三)比例微分控制规律 1、微分控制规律 ： 控制器微分作 用的输出与偏差 变化的速度成正 比 30 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 微分作用的特点： 输入偏差变化的速度越大，则微分作 用的输出越大，然而对于一个固定不变 的偏差，不管这个偏差有多大，微分作 用的输出总是零 理想的微分作用不能单独作为控 制规律使用 31 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 2、实际比例微分控制规律 比例微分控制器传递函数 32 控制
12、仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 3、微分作用的参数及其测定 在阶跃信号输入时，经拉氏反变换 当t 时 Y（）=KP A 当t0时 Y（0）=KP KD A D微分时间常数 33 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 微分增益： 在阶跃输入下，实际比例微分 控制器的输出一开始（t=0）的变化量 与最终（t）的变化量的比值 微分时间TD反映了微分作用的强弱 微分时间：TD=KDD 34 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 假定t=D
13、YD（D）=KP（KD-1）Ae 1 =KP（KD-1） A36.8% 微分时间常数D ： 在阶跃信号输入下，比例 微分调节器的输出，从一开 始的跳变值，下降了微分作 用输出部分的63.2%所经过 的时间 35 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 4、比例微分控制规律的特点超前 36 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 (四)比例积分微分控制规律 理想的PID作用的微分方程为 传递函数为 37 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录
14、 1、模拟控制器的PID运算式 偏差型PID运算形 式 PID控制器的偏差构成形式 微分先行PID运算形式 38 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 偏差型PID运算式 测量值Xm与给定值Xs相减后，得到偏差x， 然后对偏差x进行比例、积分和微分的运算。 特点：对给定值的变化也进行PID运算 39 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 阶跃响应特性 40 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 微分先行PID运算 式 先对测量值Xm进
15、 行微分运算，再与 给定值Xs相减，然 后再进行比例积分 运算。 41 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 在给定值不变、测量值阶跃变化时，响应特性 42 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 2、数字式PID运算式 离散化处理 对于积分项 对于微分项 结果： 43 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 基本数字式PID运算式 位置型算式 输出与实际控制阀的阀位相对应 缺点：1.计算繁琐、占用的计算机内存很大 2.输出的是实际使用阀位值 优点：便于计算机运算的实现 44 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 增量型算式 输出为两个采样周期PID输出值之差 45 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 优点： 1.计算机运算所需的内存较小、 计算也相对简单; 2.每次只是输出增量; 3.易于系统手动和自动间的无扰 动切换 46 控制仪表和计算机控制装置 广东石油学工学院自动化系广东石油学工学院自动化系 上页下页目 录 速度型算式 输出是增量型算式的输出值与采 样间隔时间T之比 本质上与增
