1、自动控制基础讲义,李淑娜,进水阀,引例：水箱液位控制,单回路水箱液位控制系统结构组成示意图,控制器输出出水阀门开 度指令,控制器的偏差e=测量值PV-设定值SV,控制任务：维持水箱液位 h恒定。,控制原理：用一个液位变送器测量液位并将测量值PV变换成标准的统一信号如4-20mADC信号，变送器的输出信号输送给液位控制器HC，液位控制器接受一外给定信号SV (也可内给定)以表示需保持的液位高度，控制器按设,计好的某种控制规律对SV与PV的偏差信号进行运算，并将运算结果作为控制信号输出给控制阀，以调节阀门的开度进而改变液体的流出量使储槽内液位保持不变。（有自平衡）,1.被调量：(水箱水位h) 表征
2、生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。 2.给定值、设定值：（SV） 按生产要求被调量必须维持的希望值（简称给定值）。 3.扰动：（进水流量Qi及其他） 引起被控量变化的各种原因。 4.控制量、调节量：（出水量Qo） 由控制装置改变的用以控制被调量变化的物理量。 5.测量值：（PV） 通过变送器测得的被调量的实际值。,第一节 名词术语解释1、控制系统信号名称：,1被控对象：（水箱） 被控量相应的生产过程或进行生产的设备、机器等。2测量变送器：（水位变送器） 将被控量测量出来并按一定线性关系转换成统一信号 的一种控制设备。3执行机构：（出水调节阀） 接受控制指令，对被控量产生控制作用的一种
3、控制设备。4. 控制器：（HC） 根据给定值和测量值的偏差正负及大小，发出一定规律 的控制信号指挥执行器动作的一种控制设备。,2、控制系统设备名称：,1控制过程（调节过程）： 原来处于平衡状态的生产过程，一旦受到扰动作用，被调 量偏离原来平衡状态，通过施加调节作用使被调量重新恢 复到新的 平衡状态的过程，称为控制（调节）过程。2结构框图： 一般从系统结构组成示意图的输入信号入手, 按各信号传递的方向将系统中各有关装置连接而成的框图。3. 控制系统原理图： 用传递函数描述控制系统的方框图。,3、其他相关概念：,偏差值,与水箱液位控制组成图对应的结构框图：,给定值+,被调量,测量值,PV,与水箱液
4、位控制组成图对应的控制系统原理图：,第二节 性能指标生产过程对过程控制的要求：安全性:（要求在整个生产过程中确保人身和设备的安全）经济性:（要求在生产同样质量和数量产品所的能量的原材料最少）稳定性:（要求系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力）,给定,被调量,y1,y3,y,ess,ts,单项性能指标衰减率: =超调量: =稳态误差: ess=y-r调节时间: ts(进入稳态值5%范围内）,r,过程控制系统的性能指标,单项性能指标衰减率:反映了系统稳定性超调量:反映了动态准确性稳态误差ess:反映了静态准确性调节时间ts:反映了快速型,一般 对定值系统衰减率要求为75% 对随动系
5、统衰减率要求为90%,一、基本概念1. 对象的动态特性: 就是对象的某一输入量变化时，其被控参数随时间变化的规律。其取决于工艺设备的结构、运行条件和内部物理的（或化学的）过程。2. 时域法：是在对象的输入端加一典型扰动（如阶跃脉冲斜坡扰动），记录响应曲线，经数据处理求得对象的传递函数，再转换成关于时间的函数，这种方法的特点是简单适用，因此为工程中所广泛采用。,3. 频域法：用通过实验求得对象的频率特性来研究对象的动态特性。但对一些惯性大的对象则因试验时间很长而影响生产的正常进行，因此，这种频域法用的较少。（实验系统接入幅度一定，初相位一定频率连续可调的正弦信号源，在不同频率下测得系统响应幅度、
6、相位，绘制响应曲线Bode图，Nyquist曲线，系统判稳),第三节 被控对象的动态特性,拉氏变换：将时域的微分方程变换为复域的代数方程,4.微分方程:系统中各个元器件或环节按照运动规律列写的关于时间t的运动方程（物质平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程）。随参数变化而变，不简洁。,5.传递函数:线性定常系统在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。用G(s)表示。,拉氏变换定义：拉氏变换是求解常系数线性微分方程的工具。把线性时不变系统的时域模型简便地进行变换，经求解再还原为时间函数。正变换：反变换： , 称为复频率。 f(t) ，t 0,)称为原函数，属时域。F(s) 称为
7、象函数，属复频域 记号： 表示取拉氏变换。 表示取拉氏反变换。,拉氏变换的优点：（1）求解方程得到简化。拉氏变换将“微分”变换成“乘法”，“积分”变换成“除法”。即将微分方程变成代数方程。（2）初始条件自动包含在变换式里。拉氏变换的物理意义：拉氏变换是将时间函数f(t)变换为复变函数F(s)，或作相反变换。时域f(t)变量t是实数，复频域F(s)变量s是复数。变量s又称“复频率”。拉氏变换建立了时域与复频域(s域）之间的联系。,看出：将频率变换为复频率s,且只能描述振荡的重复频率，而s不仅能给出重复频率，还给出振荡幅度的增长速率或衰减速率。,6.单容过程：是指只有一个贮蓄容量的过程。如单容水箱
8、。7.多容过程：是指两个(双容)以上贮蓄容量的过程。如多容水箱。8. 有自平衡能力对象：如果被控对象在扰动作用下偏离了原来的平衡状态，在没有外部干预的情况下（指没有自动控制或人工控制参与），被控变量依靠被控对象内部的反馈机理，能自发达到新的平衡状态，我们称这类对象为有自平衡能力的被控对象。 9. 无自平衡能力对象：在受到扰动后，其被调量不能依靠对象自身能力（对象自身内部的反馈机理）使之趋于某一稳定值，而不管对象的容积多少。,有自平衡单容对象,一般常以在阶跃信号作用下，对象的阶跃响应曲线表示对象的动态特性。,二、典型对象的动态特性,阶跃响应曲线,有自平衡能力单容对象微分方程求取过程：,其中，,拉
9、氏变换与传递函数：,有自平衡能力双容对象的动态特性,阶跃响应曲线,无自平衡能力单容对象的动态特性,阶跃响应曲线,有延时的典型自衡对象传递函数表达式,典型非自衡对象传递函数表达式,阶跃响应曲线,工业过程动态特性的特点：无振荡、稳定、有迟延、非线性,有、无自平衡对象举例,1、高低加水位：影响加热器水位的主要因素有：蒸汽流量、给水流量、疏水流量。,（1）低压加热器入口蒸汽流量增加时 特点：低压加热器的水位随着入口蒸汽流量的增加而增加。属于无自平衡能力对象。（2）低压加热器给水流量增加时 特点：当给水流量突然增加时，蒸汽侧的换热量增加，低加中一部分饱和蒸汽凝结，水位升高，并随着换热量的减少达到新的稳定
10、值。属于有自平衡能力对象，惯性与迟延较小。（3）低压加热器疏水流量增加时特点：当低压加热器的疏水流量突然增大时，加热器的水位随着疏水流量的增加而升高。属于无自平衡能力对象。,2、主汽温：影响过热蒸汽温度的主要因素有：蒸汽扰动、过热器吸热量扰动、过热器入口蒸汽温度扰动。,（1）蒸汽流量（负荷）扰动下过热气温对象的动态特性：主蒸汽压力或汽轮机调速汽门开度的变化都将引起锅炉蒸汽流量的变化。当蒸汽流量变化时，流过过热管整个长度各点的反应较快。它的特点是有迟延、有惯性、有自平衡能力。（3）减温水量扰动过热气温动态特性：当减温水流量扰动，改变了高温过热器的入口温度，从而影响了过热器出口温度。 它的特点是有
11、迟延、有惯性、有自平衡能力。,3、燃烧率扰动时汽压的动态特性。在燃烧率扰动下，主汽压的动态特性与汽轮机采用的控制方式有关：,（1）汽轮机负荷不变时（耗汽量不变）主汽压力的动态特性：当燃料量扰动时，DEH系统控制调节阀开度以维持进汽量不变。燃料量增加，使锅炉蒸发量增加，汽压按定速上升。因此，它是一个无自平衡能力的调节对象。耗汽量不变（2）汽轮机通汽量变化（汽机调节阀开度不变）时主汽压力的动态特性：当燃料量扰动后，锅炉增加的蒸汽量进入汽轮机而使其功率增加。主汽压可以稳定到新的水平。这是一个有自平衡能力的调节对象。,第四节：常规PID控制规律 常规PID控制即比例-积分-微分控制规律。,1、比例调节
12、规律P 就是把调节器的输入偏差e(t)乘以一个系数Kp，作为调节器的输出u（t）。注：调节器的输入偏差就是被调量减去设定值的差值。比例调节器的微分方程： , 其中Kp为比例增益。比例调节器的传递函数：,参数说明：工程中，常用比例带来描述其控制作用的强弱，即：,的物理意义：使调节阀开度改变100%（即从全关到全开）所需要的被调量的变化占其全量程变化范围的百分数。控制器的输出（阀发开度）被限制在0-100%。因此限制了斜线的高度。只有当被调量处在这个范围以内，控制器的开度（变化）才与偏差成比例。超出这个“比例带” e（t）的绝对值以外，控制阀处于全关或全开的状态。不成比例，比例控制器失去作用。,由
13、左图可见：比例作用的线性关系只在一定范围内起其作用。,单位阶跃响应曲线:,参数变化对调节过程的影响：,设定值扰动下整定参数对调节过程的影响：,比例调节规律的特点：（1）动作快，调节及时、迅速； （2）对干扰有很强的抑制作用；（3）调节过程结束，被调量偏差仍存在，存在静态偏差，称为有差调节。 结论： 比例带大，则调节阀动作幅度小，被调量变化平稳，超调量小，但残差较大，静态偏差随比例带的加大而加大；减小比例带导致系统激烈振荡甚至不稳定，比例带设置必须有一定的稳定裕度。,2、积分调节规律I积分调节规律是调节器输出控制作用u（t）与其偏差输入信号e（t）随时间的积累值成正比，即微分方程：传递函数：,参
14、数说明：积分速度： ， 积分时间的物理意义：当误差不变的情况下，积分作用达到与比例控制相同的效果所需要的时间。举例：当误差为5%时，比例控制给出100%的控制量，若不考虑比例控制，只用积分，同样是5%的误差不变，当积分时间为5s时，也能达到100%输出，不过需要5s的时间，即积分时间=5s。,单位阶跃响应曲线:,参数变化对调节过程的影响：,设定值扰动下整定参数对调节过程的影响：,积分调节规律的特点：（1）积分作用使系统稳定性变差。（2）静态：无稳态误差；动态：由于调节不及时较大（3）在相同的稳定裕度下，振荡频率低，调节过程加长。（4）积分作用重点在调节后期起作用结论： 积分作用消除稳态误差。积
15、分时间越小，积分速度越快，调节阀动作愈快，容易引起和加剧振荡。积分调节作用是随时间而逐渐增强的，与比例调节作用相比过于迟缓，恶化了动态品质，使过渡过程的振荡加剧，甚至造成系统的不稳定。,3、比例积分调节规律PI微分方程：传递函数：,积分饱和：具有积分作用的控制器，只要被调量与设定值有偏差，其输出就不会不停地变化。如果由于某种原因（如阀门关闭、泵故障或阀门全开或全闭），偏差一时无法消除，然而控制器还要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，控制器输出进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。关到全关开到全开还不能调节，近似比例带之外的概念,单位阶跃响应：,PI调节就是综合P、I两种调节优点，利用P调
16、节快速抵消干扰影响，同时利用I调节消除残差。比例积分作用，就是在被调量波动的时候，纯比例和纯积分作用的叠加，简单的叠加。,PI的特点：PI调节引入积分动作带来消除系统残差之好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。为保持控制系统原来的衰减率，PI控制器比例带必须适当加大。所以PI调节是在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能。,静态：I调节优于P调节，动态：P调节优于I调节,对PI调节的理解,4、微分调节规律D积分调节规律是调节器输出控制作用u（t）与其偏差输入信号e（t）随时间的积累值成正比，即理论微分调节规律的微分方程：理论微分调节规律的传递函数：数学上的假设，物理上很难实现，实际微分
17、特性总是含有惯性的。实际微分调节规律的传递函数：参数：微分增益KD，微分时间TD,单位阶跃响应曲线:,设定值扰动下整定参数对调节过程的影响：,单纯的微分作用是不存在的。单纯微分作用的特点一句话简述：被调量不动，输出不动；被调量一动，输出马上跳。,设定值扰动下整定参数对调节过程的影响：,5、比例微分PD调节规律比例微分调节传递函数：比例微分调节单位节约响应：,微分如何实现超前调节作用：1、波动来临时，不管波动的幅度有多大，只要波动的速度够大，调节器就会令输出大幅度调整。也就是说，波动即将来临的时候，波动的征兆就是被调量的曲线开始上升。2、波动结束后，如果调节器调节合理，一般被调量经过一个静止期后
18、，还会稍微回调一点。在被调量处于静止期间，因为微分时间的作用，不等被调量回调，调节器首先回调。,6.比例积分微分调节（PID）,相同衰减率下，各调节规律比较,PID的调节效果最好（从超调量、过度过程时间、稳态误差），PI其次，PD次之（有差），P再次之，I调节最差,过渡过程曲线,曲线1由于比例调节规律具有调节及时的特点，所以调节过程时间较曲线2短，动态偏差也较曲线2小。而比例调节为有差调节。通过减小调节器的比例带可减小静态偏差，但会使系统的稳定性下降。 曲线3是能消除静态偏差，实现无差调节。然而积分作用的调节不及时，又使调节过程的动态偏差加大，过渡过程时间加长（与曲线1相比），相对而言又使系统
19、的稳定性下降。 曲线5是配比例积分微分调节器的控制过程。微分调节是一种超前调节方式，其实质是阻止被调量的一切变化。适当的微分作用可减小动态偏差、缩短调节过程时间，这样可适当减小比例带和积分时间。,综上所述: 比例调节作用是最基本的调节作用，使“长劲”，比例作用贯彻于整个调节过程之中。 积分和微分作用为辅助调节作用。积分作用则体现在调节过节过程的后期，用以消除静态偏差，使“后劲”。 微分作用则体现在调节过程的初期，使“前劲”。,调节器的参数整定就是合理地设置调节器的各个参数。（1）要求控制系统具有一定的稳定裕量，即要求过程有一定的衰减率；（2）要求调节过程有一定的快速性，快速性是要求控制过程的时
20、间尽可能地短。（3）要求调节过程有一定的确性，所谓准确性就是要求控制过程的动态偏差（以超调量表示）和静态偏差（ess）尽量地小，,第五节：参数整定,调节器参数整定的方法有理论计算方法、工程整定方法：1）理论计算整定法：（根轨迹法、频率特性法）基于数学模型通过计算直接求得调节器的整定参数，整定过程复杂，且往往由于被控对象是近似的，故所求得的整定参数不可靠。（省略）2）工程整定法：动态特性参数法、临界比例带法、衰减曲线法、图表整定法。源于理论分析，结合试验、工程实际经验等一套工程上的方法。,工程整定方法,1.动态特性参数法（离线整定、开环整定）,自衡对象：,非自衡对象：,齐勒格(Ziegler)-
21、尼科尔斯(Nichols)整定公式（=0.75）,齐勒格-尼科尔斯整定公式比较粗糙，经过不断改进，广为流传的是科恩-库恩公式（自衡对象=0.75）,2.临界比例带法（稳定边界法）闭环试验法,使调节器为纯比例规律，且比例带较大；,使系统闭环，待稳定后，逐步减小比例带，当系统出现等幅震荡时，计下临界比例带，Tcr：震荡周期,注意： 适于临界稳定时振幅不大，周期较长（Tcr30s）的系统，对象的和T较小不适用； T较大的单容对象因采用P调节时，系统永远稳定，也不适用对于非自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75对于自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75对于某些中性稳定对象，
22、不能使用此法,3.衰减曲线法 闭环试验法,使调节器为纯比例规律，且比例带较大；,使系统闭环，待稳定后，逐步减小比例带，当系统出现衰减震荡时（=0.75 ，=0.9） ，计下,=0.75,=0.9,注意：对于扰动频繁而过程又较快的系统，Ts的测量不易准确，因此给参数整定带来误差。,4.经验法,先根据经验确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为加入阶跃扰动（通常为调节器设定值扰动），观察被调量或调节器输出曲线变化，并依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的参数，一般先整定，再整定TI和TD，如此反复试验多次，直到获得满意的阶跃响应曲线为止。,经验法调节器参数经验数据,设定值扰动下整定参数对调节过程的影响,不同的整定方法按相同的衰减率整定，得到不相同参数整定值。,宣讲完毕，请大家批评指正！,
