控制系统性能指标教学课件PT

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1、第九讲 控制系统性能指标主要内容主要内容一、反馈一、反馈控制系统控制系统概述概述 二、二、控制控制系统系统性能指标性能指标 最基本也是应用最广泛的控制系统是单回路反馈控制系统。是由被控对象、测量变送环节、反馈控制器以及末端执行机构组成，实现对被控变量的定值和跟踪控制。对于特定的被控过程，选择好测量变送器和末端执行元件后，控制效果的好坏是由所选择的反馈控制器以及相应的控制器参数所决定的。因此，反馈控制器的选择及其参数设置对于控制质量起着举足轻重的作用。一、反馈一、反馈控制系统控制系统概述概述 一般的反馈控制系统“反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传递，从而形成一个闭合回

2、路的控制方法。说明几点 ： 简单控制系统有两个通道：控制通道和扰动通道。 框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的流向 ，并非物流或能流的方向。 各环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加时，其输 出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出减小则增 益为负。 对象的增益有正、有负。例如：加热系统的增益为正、冷 却系统的增益为负； 气开阀的增益为正、气关阀的增益为负； 正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益为正； 检测变送器的增益一般为正。二、二、控制控制系统系统性能指标性能指标 工业过程在运行中常常会受到外来扰动的影响或者改变 设定值，使得原来的稳态遭到破坏，被控变量将偏离其设定 值

3、。经过一段时间的调整后，如果系统是稳定的，被控变量 将会重新达到设定值或其附近，系统恢复稳定平衡工况。这 种从一个稳定到达另一个稳定的过程称为过渡过程。为了比较不同控制方案的优劣，或者对控制器参数进行 最佳整定，必须首先规定出评价控制系统优劣的性能指标。 即当设定值发生变化或系统受到扰动都，系统能否在控制器 的作用下稳定下来，以及回到设定值的准确性、平稳性和快 速性如何。通常主要采用两类性能指标：以阶跃响应曲线的 几个特征参数作为性能指标和偏差积分性能指标。1 1、以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标、以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标在工业过程中以阶跃作用下的过渡过程为准， 采用时域内的单

4、项指标来评价控制的好坏。主要的 时域指标包括：1.衰减比n：衰减比表示振荡过程的衰减程度，是控制系统的稳 定性指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即： n1衰减振荡 n越大，衰减越快，系统就越接近非周期过程 衰减率也用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个 周期后，波动幅度衰减的百分数，即： 2超调量和最大动态偏差 随动控制系统中，超调量是反映超调情况和衡量稳定程 度的指标，超调量定义为：C为最终的稳态值与其初始值的差。 定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度，指的 是在单位阶跃扰动下，最大振幅与最终稳态值之和的绝 对值，即： 3余差它是控制系统的最终稳态偏差e()。在阶跃输入作 用下

5、，余差（Steady-state error）为： 余差是控制系统稳态准确性指标。4回复时间和振荡频率：被控变量从过渡过程开始到进入稳态值5%或2% 范围内的时间作为过渡过程的回复时间ts。回复时间是 控制系统的快速性指标。振荡频率与振荡周期T的关系是在相同衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短 ；在相同振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。5偏离度：控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。在相同干扰作用下，定值控制系统输出的最大偏 差越大，系统的偏离度越大；在相同的衰减比下， 系统输出的周期越大，系统的偏离度越大。2 2、积分性能指标积分性能指标单项指标固然清晰明了，但还是希望用一个综合指标

6、来全面反映控制过程的品质。常用的综合性 能指标是偏差积分指标，它是过渡过程中偏差e和时 间t的函数在时间轴上的积分无论是偏差幅度还是偏差存在的时间都与该指 标有关系，可以反映出衰减比、超调量、调节时间 等因素，因此是综合指标。说明：采用不同的偏差积分性能指标意味着对过渡过程 优良程度的侧重点不同。假若针对同一广义对象，采用 同一种控制器，使用不同的性能指标，会得到不同的控 制器参数。随着控制理论的发展，针对不同的控制要求 ，又提出了许多新的性能指标，相应地出现了许多新的 控制器和控制系统。对于控制系统性能指标，需要根据 具体的工艺和整体情况统筹兼顾，提出合理的控制需求 。并不是所有的回路都有很

7、高的控制要求。例如，储槽 的液位控制，只要求不超出规定的上、下线就可以了， 没有必要精益求精。有些性能指标相互之间还存在着矛 盾，需要折中处理，保证关键的指标。小结小结一、反馈控制系统概述 二、控制系统性能指标 谢 谢！第十讲第十讲 常规的反馈控制模式常规的反馈控制模式 主要内容主要内容一、一、基本控制算法分析基本控制算法分析 二、二、比例控制算法比例控制算法 三、三、比例积分控制算法比例积分控制算法 四、比例积分微分算法四、比例积分微分算法反馈控制器的作用是将测量信号与设定值相比较产生偏 差信号，并按照一定的运算规律生成输出信号，用来操纵末 端执行元件。本课程介绍三种基本的控制模式：比例控制

8、（P）、比 例积分控制（PI）、比例积分微分控制（PID）。一、一、基本控制算法分析基本控制算法分析 KC 被称为控制器增益，通常无量纲，偏置u0是控制器的稳态输出，反映了比例控制的工作点。u（t）为控制器的输出信号；e（t）为设定值ysp（t） 和测量值ym（t）之差；比例控制系统框图如图所示。比例 控制作用只与偏差e（t）成比例二、比例控制算法 定义：比例度是指 使控制器输出全范 围变化所对应的控 制误差的比例。在很多工业控制器中都没有控制器增益设定，而是采用比例度来进行设定。可见，小的比例度对应于大的控制器增益， 而大的比例度对应于小的控制器增益。理想比例控制器的输出特性如左图所示，对于

9、 控制器的输出没有物理限制。但在实际的控制器是 具有物理限制的，当输出达到上限或者下限，控制 阀就饱和了，如图所示。实际上，比例控制器的传递函数为可见，Kc反映了控制器输出对控制误差的灵敏度。P P 控制回路的仿真结果控制回路的仿真结果Fi(t) 在10 min 时，从10升/min 阶跃增加至11升/min仿真结果分析随着Kc的变化，过渡过程各项指标如表所示。可以看到反馈控制器增益调整中的基本矛盾： 稳定程度与控制精度的矛盾。 Kc增加能使控制精度 提高，但稳定程度变差。 Kc参数的整定就是对这两 项指标的权衡。纯比例控制器的缺点：当设定值改变后总是存在一 定的余差。比例增益对控制性能的影响

10、 纯比例控制器只有一个可调参数 Kc。其最 大问题是总存在不同程度的余差，即CV难 以完全跟踪其SP。 对于某一给定的阶跃扰动，余差的大小取决 于比例增益大小。增益越大，余差越小。 当Kc超过某一临界值，大多数控制系统会变 为不稳定。积分作用的输出是误差相对于时间积分，Ti 被 称为积分时间.三、比例积分控制算法积分作用的 优点是能够消除余差。如图所 示，如果偏差为零，则积分控制器的输出不变 ，但偏差不为零时，偏差积分后使控制器的输 出向上或者向下变化。虽然积分作用能够有效消除系统的余差，但积分控制器很少单独使用，因为积分作用比较慢，需要误差的积累达到 一定的程度才能产生较为明显的控制作用。因

11、此通常是将积 分作用和比例作用一起使用。图所示为比例积分作用对偏差 的单位阶跃响应曲线。从图中可以看到增加了比例作用后， 控制器对偏差变化的响应迅速了很多。PI 控制回路的仿真结果Fi(t) 在10 min 时，从10升/min 阶跃增加至11升/min仿真结果分析积分作用对控制性能的影响积分作用对控制性能的影响 PI 控制器有两个可整定参数：控制增益（或比例 带）与积分时间（或积分速率1/Ti ），其最大的优 势是可消除余差。 PI 控制器的不足之处在于：由于积分作用的引入 ，使控制系统的稳定性下降。具体地，积分时间Ti 越短，积分速率1/Ti 越大，积分作用越强，闭环系 统消除余差的速度越

12、快，但控制系统的稳定性越 弱。Td 为微分时间微分的作用是通过误差的变化率来预报误差 信号的未来变化趋势。理想的PID 控制器四、比例积分微分（PID）算法PIDPID控制回路的仿真实验控制回路的仿真实验Ti(t) 在10 min 时，从50 阶跃增 加至60 。仿真结果分析微分作用对控制性能的影响 PID 控制器有三个可整定参数：控制器增益、积分 时间与微分时间。微分作用的引入可使控制器具 有超前预测作用。 PID 控制器主要适用于具有较长时间常数、且测量 噪声较少的慢过程，例如：温度与成分控制回路 。对于噪声水平较高的快速过程，例如流量与压 力回路，微分作用的引入将放大噪声，因此不宜 使用

13、。小结小结一、一、基本控制算法分析基本控制算法分析 二、二、比例控制算法比例控制算法 三、三、比例积分控制算法比例积分控制算法 四、比例积分微分算法四、比例积分微分算法谢谢 谢！谢！第十一讲第十一讲 PIDPID控制器控制器的选取的选取 主要内容主要内容一、控制器的选型一、控制器的选型二、控制器正反作用的选择二、控制器正反作用的选择 对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何 选择PID控制器形式 ?一、控制器的选型一、控制器的选型1、比例控制器比例控制器的优点是简单、调整方便，但会产生 余差。余差的大小随着开环增益的增加而减小。 比例控制适用于低阶过程，对于一个具有大的时间 常数的过程，因为过

14、程的稳定裕度大，往往允许有 很大的开环增益。 对于具有积分环节的对象，使用比例控制器不会产 生余差，而采用PI控制器却会使系统的稳定性严重 恶化，因此具有积分环节的对象特别适用于比例控 制器。 比例控制器多用于允许有余差存在的场合。例如液 位控制系统，不必要严格控制，只要保证不出现满 溢或抽干。2、比例积分控制器积分可以消除余差，当比例控制产生的余差超过 限定值时，可以使用比例积分控制器。 流量或者快速压力系统采用PI控制。因为，这些系 统的广义对象时间常数比较接近，稳定裕度小，因 而所用的比例度大，开环静态增益小，不用积分会 产生很大余差。另外，由于滞后小，运行周期短， 积分时间可以取得很小

15、。比例作用随偏差的产生会 瞬时变化，而积分作用总是有些滞后，所以有了积 分作用并相应地将比例作用调弱，还有利于减少高 频噪声的影响。3、比例积分微分控制器PI作用消除了余差，但降低了响应速度。对于 多容过程，它的响应过程本身就很缓慢，加入PI 控制器后，就变得更加缓慢。在这种情况下加入 微分作用，用它来补偿对象滞后，使系统稳定性 得到改善，从而允许使用高的增益，并提高响应 速度。但在具有高频噪声的场合，不宜使用微分，除 非先对噪声进行滤波。被控过过程控制器类类型温度 / 成份PID流量 / 压压力 /液位PI部分液位P对于某些具有较长时间常数的慢过程，建议 引入微分作用。但若存在较大的测量噪声

16、，需要 对测量信号进行一阶滤波或平均滤波二、控制器正反作用的选择二、控制器正反作用的选择 定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出 也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值 增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作 用”。通过设置控制器增益的正负来设定控制器的正 反作用，控制器增益Kc0时，随着测量信号的增大 ，偏差信号逐渐减小，控制器的输出也随之减小， 因此这是一个反作用的控制器。同理，当Kc0时控 制器是正作用的。问题：（1）正作用与反作用控制器的定义？（2）如何使控制回路成为“负反馈”系统 ?选择方法：（1）假设检验法。先假设控制器的作用方向， 再检查控制回路能否成为“负反馈”系统。（2）回路判别法。先画出控制系统的方块图， 并确定回路广义对象的作用方向，再确定控制 器的正反作