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1、1第第2 2章章 控制系统基本组成环节特性分析控制系统基本组成环节特性分析 qq被控对象特性及其对过渡过程的影响被控对象特性及其对过渡过程的影响被控对象特性及其对过渡过程的影响被控对象特性及其对过渡过程的影响 qq测量变送环节特性及其对过渡过程的影响测量变送环节特性及其对过渡过程的影响测量变送环节特性及其对过渡过程的影响测量变送环节特性及其对过渡过程的影响 qq执行器特性及其对过渡过程的影响执行器特性及其对过渡过程的影响执行器特性及其对过渡过程的影响执行器特性及其对过渡过程的影响 qq控制规律及其对过渡过程的影响控制规律及其对过渡过程的影响控制规律及其对过渡过程的影响控制规律及其对过渡过程的影
2、响2调节器调节器(控制器控制器)被控对象被控对象测量变送环节测量变送环节(传感器、变送器传感器、变送器)+x执行器执行器zeuqyf32.1 2.1 被控对象特性及其对过渡过程的影响被控对象特性及其对过渡过程的影响被控对象特性及其对过渡过程的影响被控对象特性及其对过渡过程的影响对象特性对象特性对象特性对象特性是指对象输入量与输出量之间的关系是指对象输入量与输出量之间的关系是指对象输入量与输出量之间的关系是指对象输入量与输出量之间的关系( (数学模型数学模型数学模型数学模型) )即对象受到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少即对象受到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少即对象
3、受到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少即对象受到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少 输入量？输入量？输入量？输入量？控制变量各种各样的干扰变量控制变量各种各样的干扰变量控制变量各种各样的干扰变量控制变量各种各样的干扰变量由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道通道通道通道控制变量至被控变量的信号联系通道称控制变量至被控变量的信号联系通道称控制变量至被控变量的信号联系通道称控制变量至被控变量的信号联系通道称控制通道控制通道控制通道控制通道干扰至被控变
4、量的信号联系通道称干扰至被控变量的信号联系通道称干扰至被控变量的信号联系通道称干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道干扰通道干扰通道干扰通道对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和 控制通道控制通道干扰通道干扰通道干扰变量干扰变量控制变量控制变量控制变量控制变量被控变量被控变量被控对象被控对象被控对象被控对象4数学模型的表示方法：数学模型的表示方法：数学模型的表示方法：数学模型的表示方法：参量模型参量模型参量模型参量模型：通过数学方程式表示：通过数学方程式表示：通过数
5、学方程式表示：通过数学方程式表示常用的描述形式：微分方程常用的描述形式：微分方程常用的描述形式：微分方程常用的描述形式：微分方程( ( ( (组组组组) ) ) )* * * *、传递函数、传递函数、传递函数、传递函数* * * *、频率特性等、频率特性等、频率特性等、频率特性等参量模型的微分方程的一般表达式：参量模型的微分方程的一般表达式：参量模型的微分方程的一般表达式：参量模型的微分方程的一般表达式： y(t)y(t)表示输出量，表示输出量，表示输出量，表示输出量，x(t)x(t)表示输入量，通常输出量的阶次不低与输入量的阶次表示输入量，通常输出量的阶次不低与输入量的阶次表示输入量，通常输
6、出量的阶次不低与输入量的阶次表示输入量，通常输出量的阶次不低与输入量的阶次(nm)(nm)当当当当n=mn=mn=mn=m时时时时，称称称称对对对对象象象象是是是是正正正正则则则则的的的的；当当当当nmnmnmnm时时时时，称称称称对对对对象象象象是是是是严严严严格格格格正正正正则则则则的的的的；nmnmnmn0t0时时时时，u(t)u(t)e(t)e(t)，很很很很显显显显然然然然这这这这种种种种控控控控制制制制作作作作用用用用在在在在实实实实际际际际应应应应用用用用中中中中没没没没有有有有什什什什么么么么态态态态大大大大的意义的意义的意义的意义 根根根根据据据据这这这这2 2个个个个特特特
7、特点点点点不不不不难难难难理理理理解解解解：微微微微分分分分作作作作用用用用不不不不能能能能作作作作为为为为一一一一种种种种单单单单独独独独的的的的调调调调节节节节规规规规律律律律来来来来使使使使用用用用，理理理理想想想想的的的的PDPD作作作作用用用用不不不不能能能能直直直直接接接接使使使使用用用用；微微微微分分分分作作作作用用用用一一一一般般般般多多多多用用用用于于于于对对对对象象象象时时时时间间间间常数较大的系统之中。常数较大的系统之中。常数较大的系统之中。常数较大的系统之中。 u(t)T+KpA(a)u(t)0+e(t)=Atu(t)=(Td+t)A(b)45实际的比例微分控制作用实际
8、的比例微分控制作用实际的比例微分控制作用实际的比例微分控制作用 从从从从前前前前面面面面的的的的波波波波形形形形图图图图中中中中可可可可以以以以看看看看到到到到，如如如如果果果果调调调调节节节节器器器器的的的的输输输输入入入入为为为为阶阶阶阶跃跃跃跃信信信信号号号号，理理理理想想想想PDPDPDPD调调调调节节节节器器器器的的的的输输输输出出出出为为为为脉脉脉脉冲冲冲冲信信信信号号号号，而而而而脉脉脉脉冲冲冲冲信信信信号号号号不不不不可可可可能能能能被被被被其其其其它它它它环环环环节节节节（执执执执行行行行器器器器）所所所所接接接接收收收收到到到到。在在在在工工工工业业业业应应应应用用用用现场
9、时不采用理想的现场时不采用理想的现场时不采用理想的现场时不采用理想的PDPDPDPD作用，而采用实际的作用，而采用实际的作用，而采用实际的作用，而采用实际的PDPDPDPD作用。作用。作用。作用。 实际的实际的实际的实际的PDPDPDPD作用表达式为：作用表达式为：作用表达式为：作用表达式为：式中，式中，式中，式中，KdKd为为为为微分增益微分增益微分增益微分增益，它反映了实际微分特性与理想微分特性接近的程度，它反映了实际微分特性与理想微分特性接近的程度，它反映了实际微分特性与理想微分特性接近的程度，它反映了实际微分特性与理想微分特性接近的程度KdKd越大微分作用越接近理想程度，越大微分作用越
10、接近理想程度，越大微分作用越接近理想程度，越大微分作用越接近理想程度，KdKd一般为一般为一般为一般为5 51010。另外还有一类另外还有一类另外还有一类另外还有一类Kd1Kd1的单元，称为反微分器，它具有迟缓信号变换的作用。的单元，称为反微分器，它具有迟缓信号变换的作用。的单元，称为反微分器，它具有迟缓信号变换的作用。的单元，称为反微分器，它具有迟缓信号变换的作用。 46实际比例微分控制作用的阶跃响应实际比例微分控制作用的阶跃响应实际比例微分控制作用的阶跃响应实际比例微分控制作用的阶跃响应e(t)au(t)0.632KP(Kd-1)aKPaKdKPa(Kd-)KPad当t = 0+时 uKd
11、KPa当t 时 uKpa当t = d时 uKPa0.368（Kd1）KPaKp的测定：的测定：u( )/aKd的测定：的测定：u(0)/u( )Td的测定：测出的测定：测出d后乘以后乘以Kd47微分作用对过渡过程的影响微分作用对过渡过程的影响微分作用对过渡过程的影响微分作用对过渡过程的影响 从从从从图图图图看看看看出出出出，微微微微分分分分时时时时间间间间太太太太大大大大及及及及太太太太小小小小均均均均不不不不合合合合适适适适，应应应应取取取取适适适适当当当当的的的的数数数数值值值值。由由由由于于于于增增增增加加加加微微微微分分分分作作作作用用用用，可可可可以以以以减减减减小小小小比比比比例例
12、例例度度度度，因因因因而而而而微微微微分分分分时时时时间间间间越越越越大大大大，余余余余差差差差也也也也就就就就越越越越小小小小。一一一一般般般般温温温温度度度度调调调调节节节节系系系系统统统统常常常常需需需需加加加加微微微微分分分分作作作作用用用用，其其其其他他他他系系系系统统统统需需需需要要要要较较较较少少少少。有有有有些些些些系系系系统统统统由由由由于于于于反反反反应应应应太太太太快快快快，可可可可加加加加“ “反反反反微微微微分分分分” ”，以降低系统的灵敏度。，以降低系统的灵敏度。，以降低系统的灵敏度。，以降低系统的灵敏度。 微分作用的特点：微分作用的特点：对于有过渡滞后的对象，采用
13、对于有过渡滞后的对象，采用PDPD控制能明显改善过渡过程的品质；控制能明显改善过渡过程的品质； PDPD控制有超前作用控制有超前作用T Td d ，微分作用加强，系统稳定性提高，表现为：，微分作用加强，系统稳定性提高，表现为： 衰减比增大；过渡过程最大偏差减少衰减比增大；过渡过程最大偏差减少e emaxmax ；过渡时间；过渡时间t tp p ； T Td d太大，微分作用太强，导致反应速度过快，引起系统振荡太大，微分作用太强，导致反应速度过快，引起系统振荡引入微分作用以后，不能消除余差，但余差会有所减少引入微分作用以后，不能消除余差，但余差会有所减少微分作用对纯滞后的对象不起作用。微分作用对
14、纯滞后的对象不起作用。48微分作用对过渡过程的影响微分作用对过渡过程的影响微分作用对过渡过程的影响微分作用对过渡过程的影响 微分作用适用于过渡滞后强的对象，如：微分作用适用于过渡滞后强的对象，如：温度对象温度对象(其他系统较少用其他系统较少用)微微分分作作用用对对高高频频噪噪声声非非常常敏敏感感，在在流流量量控控制制系系统统总总流流量量测测量量信信号号通通常常包包含含脉冲干扰，象这类对象一般不加微分作用。脉冲干扰，象这类对象一般不加微分作用。有些系统由于反应太快，可加有些系统由于反应太快，可加“反微分反微分”，以降低系统的灵敏度。，以降低系统的灵敏度。现现场场控控制制系系统统中中用用比比例例微
15、微分分作作用用的的不不多多，较较常常见见的的是是比比例例积积分分微微分分三三作作用用控制规律（通常称为控制规律（通常称为PID控制）。控制）。49比例积分微分控制比例积分微分控制比例积分微分控制比例积分微分控制 PIDPIDPIDPID在在在在工工工工业业业业生生生生产产产产中中中中，常常常常将将将将比比比比例例例例、积积积积分分分分、微微微微分分分分三三三三种种种种作作作作用用用用规规规规律律律律结结结结合合合合起起起起来来来来，可可可可以以以以得得得得到到到到较较较较为为为为满满满满意意意意的的的的控控控控制制制制质质质质量量量量，包包包包括括括括这这这这三三三三种种种种控控控控制制制制规
16、规规规律律律律的的的的控控控控制制制制器器器器称称称称为为为为比比比比例例例例积积积积分分分分微微微微分分分分三三三三作作作作用用用用控控控控制制制制器器器器，习习习习惯惯惯惯上上上上称称称称为为为为PIDPID控控控控制制制制规规规规律律律律，其其其其理理理理想想想想的的的的输输输输出出出出与输入的关系为与输入的关系为与输入的关系为与输入的关系为：理想理想理想理想PIDPID算法算法算法算法实际实际PID算法算法KiKiKiKi积分增益，一般较大，积分增益，一般较大，积分增益，一般较大，积分增益，一般较大， IIIIIIIIIIII型模拟调节器约型模拟调节器约型模拟调节器约型模拟调节器约10
17、1010104 4 4 4101010105 5 5 5KdKdKdKd微分增益，一般为微分增益，一般为微分增益，一般为微分增益，一般为5 5 5 51010101050PIDPIDPIDPID控制的阶跃响应控制的阶跃响应控制的阶跃响应控制的阶跃响应uPuDuPIDe(t)e(t)uPuDuPIDuIuI51常见对象特点及其常用调节器类型常见对象特点及其常用调节器类型常见对象特点及其常用调节器类型常见对象特点及其常用调节器类型液位液位液位液位滞后不大，一般控制要求不高，常用滞后不大，一般控制要求不高，常用滞后不大，一般控制要求不高，常用滞后不大，一般控制要求不高，常用P P P P或或或或PI
18、PIPIPI调节器；调节器；调节器；调节器；流流流流量量量量滞滞滞滞后后后后很很很很小小小小，响响响响应应应应快快快快，测测测测量量量量信信信信号号号号有有有有脉脉脉脉动动动动信信信信号号号号，常常常常用用用用PIPIPIPI调调调调节器（一般不能加节器（一般不能加节器（一般不能加节器（一般不能加D D D D）；）；）；）；压压压压力力力力液液液液体体体体介介介介质质质质：滞滞滞滞后后后后小小小小，气气气气体体体体介介介介质质质质：滞滞滞滞后后后后适适适适中中中中，常常常常用用用用P P P P或或或或PIPIPIPI调节器，有时可用位式控制；调节器，有时可用位式控制；调节器，有时可用位式控制；调节器，有时可用位式控制；温度温度温度温度滞后较大，响应较慢，常用滞后较大，响应较慢，常用滞后较大，响应较慢，常用滞后较大，响应较慢，常用PIDPIDPIDPID调节器。调节器。调节器。调节器。
