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1、课件,1,第五章常规控制器的选型、整定和系统投运,5.1 基本概念 P59 5.2 三类常规控制器 P59 5.3 控制规律的选取 P63 5.4 控制器参数整定 P64 5.5 控制系统的投运 P67,本章的主要内容:,课件,2,5.1.1 控制器的作用 5.1.2 控制器（调节器）的种类 按能源分类 按控制作用分类 按传递运算信号形式分类 5.1.3 PID控制器概述,5.1 基本概念,本节的主要内容:,课件,3,控制器是控制系统的心脏，是系统重要的组成部分，其输出一般送到控制阀。 控制 (调节)作用：将被控量与给定值进行比较，得到偏差，并按一定的控制规律发出控制信号，控制生产过程，使被控
2、量等于给定值。 控制规律：调节器的输出随输入的变化而变化的 规律。,5.1.1 控制器的作用,课件,5,按控制作用分类 P 调节器 PI 调节器 PD 调节器 PID 调节器 双位调节器 双位调节器:只有通断（或开、闭）两种工作 状态，作用不连续 。实质是增 益很大的P调节器。,5.1.2 控制器（调节器）的种类,课件,6,按传递信号形式分类 模拟调节器 数字调节器,5.1.2 控制器（调节器）的种类,课件,7,PID控制：比例、积分、微分控制 在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。 在40年代以前，除了在最简单的情况下可采用开关控制外，PID是唯一的
3、控制方式。,5.1.3 PID控制器概述,课件,8,PID控制：比例、积分、微分控制 随着科学技术的发展，特别是C的诞生和发展，涌现出许多新的控制算法，如模糊控制、自适应控制、鲁棒控制等。 PID控制由于其自身的优点，仍是最广泛应用的基本控制方式。,5.1.3 PID控制器概述,课件,9,PID控制的优点： 原理简单，使用方便 适应性强: 按PID进行工作的自动调节 器早已商品化，目前最新式的过程控制 计算机，其基本的控制规律仍然是PID 控制。 鲁棒性强: 其控制品质对被控对象特性 的变化不太敏感。,5.1.3 PID控制器概述,课件,10,在过程控制中，人们首先想到的总是PID控制。一个大
4、型的现代化生产装置的控制回路可能多达一二百甚至更多，其中绝大部分都采用PID控制。,5.1.3 PID控制器概述,课件,11,例外情况： 1. 被控对象易于控制，控制要求又不 太高，可采用简单的开关控制方式； 2. 被控对象难以控制，要求又特别高 的情况，这时若PID控制难以达到生 产要求，就要考虑采用更先进的控 制方式。,5.1.3 PID控制器概述,课件,12,5.2.1 比例控制器（P） 5.2.2 比例积分控制器（PI） 5.2.3 比例积分微分控制器（PID） 5.2.4 积分饱和及其防止,5.2 三类常规控制器,本节的主要内容:,课件,13,1)最基本、最主要的控制规律: 属于有差
5、（余差、残差或偏差）调节。 优点：能迅速克服扰动影响，较快稳定 下来； 适用：干扰变化幅度小，自平衡能力强， 对象滞后（/T）较小，控制质量 要求不高，系统允许有一定范围 余差的场合。,5.2.1 比例控制器（P控制器）,课件,14,表达式： 微分方程式 (5.1-1) 传递函数 (5.1-3) 应用：压缩机储气罐压力控制、储液槽液位控制,5.2.1 比例控制器（P控制器）,课件,15,2)比例度（比例带）的概念（ ，PB） 控制器中采用比例度表示比例作用的强弱， 其表达式为： 式中： ：调节器输出信号的变化范围 ：仪表量程,5.2.1 比例控制器（P控制器）,课件,16,2)比例度（比例带）
6、的概念（ ，PB） P59 通常： 1PB500% e 偏差 P调节器输出 对单元组合仪表调节器： (5.1-2),5.2.1 比例控制器（P控制器）,课件,17,比例度（PB）的物理意义 物理意义：输出信号作全范围的变化时，所需输入的信号的变化（占全量程）的百分数。 对于阀门开度：PB代表阀门开度改变100，即从全关到全开时，所需的被调量的变化范围。只有当被调量处在这个范围以内，阀的开度（变化）才与偏差成比例。超过这个“比例带”以外，阀就处于全开或全关的状态，此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，调节器暂时失去控制作用。,5.2.1 比例控制器（P控制器）,课件,18,3) Kc变化对系
7、统指标的影响 见表5.1-1,5.2.1 比例控制器（P控制器）,课件,19,3) Kc变化对系统指标的影响 Kc参数的整定，就是对这两个指标作权衡，使得两个指标都符合要求。,5.2.1 比例控制器（P控制器）,课件,20,P调节：快速消除干扰影响 I调节：消除残差，无差调节（I调节的特 点） 优点：引入积分作用，系统具有消除余差的 功 能。 适用：要求静态无余差，控制对象容量滞后 小，负荷变化幅度较大，变化过程较 缓慢的场合。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,21,P I调节器： 添加积分作用的目的：在系统经受干扰后，使输出返回设定值，即消除余差。 注意：PI控制器在某些控制系统中
8、，可能产生积分饱和现象，具体选用时，应注意考虑采取抗饱和措施。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,22,比例积分控制器表达式： 微分方程式 (5.1-5) 传递函数 (5.1-6) 幅频相频特性：P60图5.1-2 低频：振幅比很大,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,23,幅频相频特性： P60图5.1-2 低频：振幅比 很大,PI控制器,课件,24,积分控制作用可以消除静差，但因积分作用时随着时间积累而逐渐加强，所以控制作用缓慢，在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及时控制。 当对象的惯性较大时，被控参数将出现较大的超调量，控制时间也较长，严重时甚至使系统难以稳定。 因此，
9、积分作用不宜单独使用，往往将P和I组合成PI调节器，这样控制既及时，又能消除余差。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,25,积分作用的特点： 具有积分作用的控制器，其静态增益无穷大，因而能消除余差。 积分作用引起的相角滞后会恶化系统动态性能。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,26,例：有一广义对象的传递函数为 式中，T11， T20.1 讨论：PI控制器当积分时间Ti 变化时，对系统 质量的影响。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,27,解：1）先求开环频率特性： (5.1-8),5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,28,2）按十倍频之差选三种积分时间 绘制开环
10、频率特性图（对数频率特性） P61图5.1-3 0对象频率特性 1，2，3经Ti1、Ti2、Ti3叠加后系统开 环特性,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,29,开环频率特性图 （对数频率特性） P61图5.1-3 0对象频率特性 1，2，3 - 经Ti1、 Ti2、Ti3叠加后 系统开环特性,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,30,3）讨论对系统质量的影响 P61表5.1-4 积分时间对系统质量影响,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,31,由图中观察到： （1） （2） （3）,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,32,临界震荡条件： a. 开环系统的振幅比为1
11、b. 开环系统的相角为-180 其中（3）由（2）观察推得： KP(Kci) max与Gi成反比 Gi小，KP(Kci)max大,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,33,结论：积分作用使系统稳定性降低 （ ） PI调节器引入积分作用带来消除系统残 差的好处，同时却降低了原有系统的稳 定性。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,34,5.2.2 比例积分控制器（PI）,结论： PI调节器是在牺牲控制系统的动态 品质的情况下，来换取较好的稳定性能。 为了维持原有稳定性，控制器增益必 须降低，即PI调节器的比例带必须适量 加大。,课件,35,讨论：Ti变化对过渡过程的影响 P61图5.
12、1-4,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,36,积分时间变化对过渡过程的影响： 1) 其它参数不变（Kc不变），仅Ti变化 Ti 最大偏差 工作频率 2) 系统稳定性不变，Ti变化 （ Ti变化后，要调整比例度PB） Ti 最大偏差 工作频率,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,37,由此可见，同样是减小，但是前提条件不同时，对最大偏差和工作频率的影响正好相反。 说明：在讨论实际问题时，必须重视问题的 前提条件，具体问题具体分析。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,课件,38,1）微分调节的特点 P62 P、I调节：根据当时偏差的大小和方向进行调节 微分调节：根据被控量的变化速
13、度来调节，不要等 到被控量已经出现大偏差后才开始动作， 等于赋予控制器以某种程度的预见性， 调节效果会好些。 微分调节的表示：,5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,课件,39,1）微分调节的特点 单纯按上述规律动作的调节器是不能工作的。因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象的流入、流出量只相差很少，以致被调量只以调节器不能觉察的速度缓慢变化时，调节器并不会动作。但是经过相当长的时间后，被调量却可以积累到相当大的数字而得不到校正。这种情况是不容许的。 因此，微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节器结合成PD和PID调节器。,5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器
14、）,课件,40,2) PID调节规律 表达式： (5.1-9),5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,课件,41,2) PID调节规律 理想的微分作用TDS 在物理上是不能实现的，一般用超前滞后单元来产生近似的微分作用。 (5.1-10) 其中， 的取值：1/61/20,5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,课件,42,幅频 - 相频特性： P60图5.1-2（c） PID控制器传递函数： (5.1-11) 频率特性： P60图5.1-2（d） 近似方程( : 1/61/20 ，忽略不计)： (5.1-12),5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,课件,43,化为理想PID形式
