1、Process Control 过程控制 清华大学自动化系 王京春,第二章 比例积分微分控制 及其调节过程,2-1 控制系统动态过程的品质指标 2-2 调节器的基本特性 2-3 比例控制器及其调节过程 2-4 积分制器及其调节过程 2-5 比例积分控制器及其调节过程 2-6 比例积分微分控制,2-1 控制系统动态过程的品质指标,一. 品质指标： 1.要求： 稳定，准确，快速。 以稳定性为首要指标；三者相互联系，相互制约；评价系统的好坏，应根据实际情况，综合考虑三个方面 2.性能指标： 稳定性指标：衰减率 ，一般为7590,准确性指标： 稳（静）态偏差：新的稳定值与设定值的差值在干扰作用下在给定
2、值作用下 最大动态偏差：动态过程中被控量与设定值的最大差值 超调量：定值扰动下，经常用它来描述动态准确性。,快速性指标：过程调整时间ts以稳定值的5或2作一许可误差范围，从过程起点到被控量达到并保持在这一范围内所需要的时间,综合指标：,误差积分,绝对误差积分,平方误差积分,时间与绝对误差乘积积分,3. 二阶系统的性能指标 与特征参数的关系,m 是特征根的实部与虚部之比，被称为系统的相对稳定度，衰减率 m 阻尼比0.75 0.221 0.2150.9 0.366 0.3440 1 m 系统趋向稳定。,2-2 调节器的基本特性,常规控制器的组成：给定值设定机构，偏差比较机构，控制运算模块。,一.
3、调节器的正、反作用：,调节器的首要任务是要构成一个负反馈系统，以维持系统的稳定。通过分析系统其它环节的正负号，正确选择调节器的正反作用，使系统成为负反馈系统 工业调节器正反作用的定义 正作用：测量值控制作用 反作用：测量值控制作用 测量值增大与减小的基准是设定值,正反作用的选择原则 广义过程 为时，选反作用控制器广义过程 为时，选正作用控制器,二. 运算规律,调节器以偏差e为输入，控制（操作）量为输出 比例作用( Proportional control, P ) 比例调节器的参数：比例放大倍数Kc比例带；,积分作用( Integral Control, I )积分调节器的参数: 积分速度Ki
4、，积分时间TiPI作用,微分作用( Derivative, D ) 理想微分 实际微分PD作用,传递函数：,e,u,MATLAB中的PID控制器,2-3 比例控制器及其调节过程 一.比例控制器的动作规律：传递函数： 比例控制器的调整参数： Kc:比例放大倍数； ：比例带； 阶跃响应曲线,y,u,二.控制实例：浮子水位控制,以原始平衡点作为设定点。例：流入量0.5t/h; 流出量0.5t/h, 水位高度40cm;,流出量 ? 新的水位高度？,浮子水位控制系统框图,实例小结 阀位与偏差一一对应：阀门位置与水位（浮子）位置一一对应。 按比例动作：阀芯移动的数值与浮子上下移动的数值成比例，比值是杠杆比
5、。 比例控制是有差控制：它必然存在静态偏差。 比例控制是一种有效的控制作用。,三. 比例带的定义：,比例带是一个无量纲的纯数值 其物理意义为：调节阀从全开到全关（输出作全量程范围变化时），输入（被控量）的变化占其全量程变化范围的百分数。 输入输出是相对于控制器而言的,例：一个温度控制系统，温度变送器的量程为100200，当温度变化4时，可使调节阀从50到70变化，比例带 比例带输入/ 输出； 比例带越大，控制作用越弱；比例带越小，控制作用越强。,四. 比例控制系统的调节过程,换热器采用比例控制 1.调节器正反作用的讨论,2.静特性： 调节器的静特性：偏差与控制信号的对应关系 过程的静特性：在流
6、入侧温度一定，入口流量一定时，蒸汽阀门开度与出口温度的对应关系（不同负荷流量下，有不同的静态特性曲线。,1,A,O,A,B,Q1Q2,A,B,O,C,C,B,O,C,调节器与水温,Q1流量下水温与调节阀,Q2流量下水温与调节阀,系统的静态工作点：系统的静态工作点应在过程与调节器的两条静态特性的交点O上。 调节动作：入口流量D温度调节器使阀门正确的控制使温度趋于，最终达到一个新的平衡点A。 终点：新的温度高于O的温度，新的阀门位置低于O 温度偏差与控制器输出或阀门位置一一对应，控制结果必然有静态偏差,3.动态过程：温度控制系统动态过程分析的基本思路：能量平衡，进出热量不平衡引起温度变化，温度变化
7、引起调节阀门动作,t1,t2,t3,t4,D1,D0,qo,qi,五.比例带对系统性能指标的影响,给定通道分析,干扰通道分析,当Kc（)时，引起; 稳定性变差；工作频率动作加快；e()稳态偏差减小; 对给定通道，当Kc（)时，引起最大动态偏差增大（前向放大倍数增大)； 对干扰通道，Kc（)时，引起最大动态偏差减小（由于控制作用强而有效抑制干扰）,2-4 积分控制器及其调节过程,一.积分控制器的动作规律 Ki:积分速度；Ti :积分时间； 积分时间越大，积分作用越弱。 积分时间是指控制器在阶跃作用下，从起点到控制器输出累计到与输入量相等所需要的时间,PI作用,二. 积分控制系统的调节过程,1.
8、实例：自立式气压调节阀,2. 积分控制系统的特点： a.无差控制：只要有偏差存在，控制器就会一直调整输出，直到偏差为零 b.动作过程慢：积分环节有90相角滞后，增加一个滞后环节，使过程变慢。 c.积分作用对系统稳定性不利,三. 积分控制器调整参数的变化对系统性能指标的影响,给定通道,干扰通道,当Ki(Ti)时，引起; 稳定性变差；工作频率动作加快；若系统稳定，e()稳态偏差为零; 对给定通道，当Ki (Ti )时，引起最大动态偏差增大(前向放大倍数增大)； 对干扰通道，当Ki (Ti )时，引起最大动态偏差减小(由于控制作用强而有效抑制干扰),2-5 比例积分控制器 及其调节过程,一、 比例积
9、分控制器的动作规律,Ti,Q,p,i,Qh1,Qh2,二、比例积分控制过程特点,无差控制 比例控制作用为主 积分控制作用为辅（仅用于消除稳态偏差） 比例、积分作用的参数要相互配合,三、积分饱和与抗积分饱和的措施,+,-,r,u,+,+,-,+,-,K,HS,LS,b,uh,uq,ua,Sh,f,间歇单元,Eh,A,Ah,Eo,Ei,R1,RI,C1,C2,R2,S,2-6 比例积分微分控制 一、微分作用及其特点 理想微分 实际微分微分时间Td； 微分增益Kd 提供0至90o导前角，改善系统动态特性 微分作用在静态时输出为0，无控制作用,二.比例微分控制器的动作规律,传递函数阶跃响应曲线 调节器的调整（特征）参数,三. 微分作用对系统性能指标的影响,对稳定性的影响 适当引入微分，可提高系统稳定性 对稳态性能的影响 无作用 对其它性能指标的影响引入Td ，可提高快速性，提高系统的工作频率,特征方程： 按Roth判据可得，稳定范围为1.32Td7.68 Td太大或太小，都会破坏系统的稳定性,Gc,Gp,四. 比例积分微分三作用控制器 1、PID的动作规律：,2、阶跃响应与特征参数 3、三种作用的相互配合,本章小结 基本计算式 传递函数 整定参数 单位阶跃响应曲线 在控制中的基本作用 整定参数变化对干扰作用的影响 整定参数变化对定值作用的影响,习题,2.1 2.4 2.5,
