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1、第一章 简单控制系统,Chapter 1 simple control system,控制系统组成和控制性能指标过程动态特性和建立过程的动态模型检测变送环节执行器环节控制器的模拟控制算法控制器的数字控制算法控制器参数整定和控制系统投运与PID控制密切相关的几类控制算法,本章主要内容,本章重点,控制系统组成和控制性能指标过程动态特性和建立过程的动态模型单回路系统的结构组成,控制系统的性能评价,仿真程序见讨论：如何评价或比较不同控制系统的性能？,控制系统常用的性能指标,稳态余差：,衰减比：,振荡周期T，调节时间 ts.,上升时间 tr,峰值时间 tp.,一常规控制器1概述过程控制仪表包括：调节器、
2、操作器和工业控制计算机系统。2调节器相关概念及术语控制规律（通常采用比例积分微分控制算法）PIDu0：偏差为零时的输出，即原稳态输出。P：比例作用，输出与偏差成比例。I：积分作用，输出为偏差的积分。D：微分作用，输出为偏差的微分。仪表中不用Kc，而用比例度P：,1.5 控制器的控制算法,纯比例控制器,控制器增益 Kc或比例度对系统性能的影响：增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、最大偏差下降）；,比例增益对控制性能的影响,随动控制系统,定值控制系统,幅频特性分析,比例积分控制器,积分时间Ti 对系统性能的影响引入积分作用的根本目的是
3、为了消除稳态余差，但使控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti 过小），可能使控制系统不稳定。比例增益随偏差的时间进程而不断调整的P作用。而P作用带来的偏差增加由I作用来消除。,积分作用对控制性能的影响,控制器积分时间变化时的输出曲线,返回,定值控制系统,控制器积分时间变化时的输出曲线,随动控制系统,返回,对稳定性的影响,PI 作用分析,PI作用是P控制作用和I控制作用之和。当偏差一出现，就立刻有比例控制输出Up，用于克服扰动；积分控制作用Ui逐渐增加，用于消除余差。PI作用是比例增益随偏差的时间进程而不断调整的P作用。PI作用是初始稳态值不断移动的P作用。PI作用是及时的P作用和I作用
4、的组合。表示方法:Kc和Ti,PI中Kc与Ti的作用关系,当Kc不变，Ti减小，积分作用增强，衰减比减小，震荡加剧，超调量增加。当衰减比不变，减小Ti，为使衰减比不变，必须减小Kc，此时定值控制系统的最大偏差反而增加。PI控制器中，保持Kc不变而减小Ti，或保持Ti不变增加Kc都会使积分作用增强，使衰减比减小震荡加剧，超调量或偏差增加。积分控制作用除了用于消除闭环控制系统的余差外，也可以降低闭环系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢，这是由于引入的相位滞后所造成的。,积分饱和与积分过量,积分饱和：积分和比例作用一样，只在一定范围内起作用，输出达到一定限值后就不继续上升或下降，这是积分饱和。当
5、偏差存在时，由于有积分控制作用，控制器输出可在任一位置，从而消除余差。而由于积分控制作用，控制器输出可在任一位置，即可达到某一限值，而在偏差反向时，不能使输出时反向，这是由于积分过量造成的。因积分过量造成执行机构不能及时改变方向的现象也称为积分饱和。产生原因：由于偏差长期存在；控制规律积分作用时，使积分输出达到某一限值。,示例：,积分外反馈,积分饱和的防止,积分外反馈,比例微分控制算法,由于不能物理实现纯微分控制器，模拟PD控制器传递函数为,比例微分控制算法,微分时间Td 对系统性能的影响微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但高频噪声起放大作用。对于
6、测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于特性一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。,微分作用对控制性能的影响,问题：控制作用的变化过大，对噪声敏感，如何克服？,比例微分控制算法,比例微分控制算法使用注意事项,微分作用分析,引入微分控制作用要合适。对于时滞，微分控制作用不能改善控制品质；高频噪声大的被控制对象不宜引入微分（放大作用）。根据微分增益Kd的大小，微分作用分为正微分Kd1和反微分Kd1,对于高频噪声大的被控对象应该采取反身分，它对测量信号进行滤波作用。微分作用的强弱可从阶跃信号作用下的输出响应曲线面积来衡量。微分先行。引入微分的目的是改善高阶系统的控制品质
7、。PD控制作用对定值控制系统来说Td越大，微分越强，控制系统最大偏差越小，振荡周期和回复时间缩短。,比例积分微分控制算法,理想PID控制算法,理想PID控制传递函数,实际PID控制传递函数,实际的比例积分微分控制器,其中kd 为微分增益,SimuLink 结构:,PID控制作用对过渡过程的影响P作用是基本控制作用，增大KC使系统振荡加剧，I作用能消除余差，系统稳定性变差，闭环响应变慢；D作用使整个开环频率特性的幅值比增大改善系统稳定性,PID 控制作用,比例作用P是基本控制作用，输出与输入无相位差。Kc越大控制作用越强，随着Kc 的增加(比例度减小)，余差下降，最大偏差减小，但稳定性变差。比例
8、作用P引入积分作用I后，可以消除余差。但是幅值增加，相位滞后，使稳定性裕度下降，为保持同样稳定性裕度，Kc应减少10-20%(比例度应增加10-20%)。积分时间Ti越短，积分作用越强，Ti趋向无穷大时无积分作用。应防积分饱和。,PID 控制作用,比例作用P引入适当微分作用D后，幅值增加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保持同样稳定性裕度，Kc应增加10-20%(比例度应减少10-20%)。微分作用D可以克服容滞后，但对时滞毫无作用。微分时间Td越大，微分作用越强，Td=0无微分作用。,PID控制系统仿真举例,仿真结果参见./Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl,常
9、规控制规律有双位控制、比例控制(P)、积分控制(I)和微分控制(D)等。比例控制 它依据“偏差的大小”来进行控制。它的输出变化与输入偏差的大小成比例。控制及时，但是有余差。用比例度来表示其作用的强弱。越小，控制作用越强。比例作用太强时，会引起振荡甚至不稳定。,积分控制 它依据“偏差是否存在”来进行控制。它的输出变化与偏差对时间的积分成比例，只有当余差完全消失，积分作用才停止。所以积分控制能消除余差，但积分控制缓慢，动态偏差大，控制时间长。用积分时间i表示其作用的强弱，i越小，积分作用越强。积分作用太强时，也易引起振荡。,微分控制 它依据“偏差变化速度”来进行控制。它的输出变化与输入偏差变化的速
10、度成比例，其实质和效果是阻止被控变量的一切变化，有超前控制的作用。对滞后大的对象有很好的效果。用微分时间表示其作用的强弱。d大，作用强。d太大，会引起振荡。,1.6 控制器的数字控制算法,当采用数字计算机作为控制装置时，对各种数据的处理在时间上是离散的，数字控制方式的特点是采样控制。设采样周期T，则每经过一个采样周期进行一次数据采样、控制运算和数据输出，控制器输出通过保持器使数据在采样间隔内保持。,anlog,digital,转换公式,位置算法,离散PID增量算法,离散PID速度算法,离散PID算法特点,从执行器型式看看，位置算法的输出用数字式控制阀才能直接连接，一般要经过DA转换，化为模拟量
11、，并经过保持电路使输出保持到下一采样周期输出信号到来时为止；增量算法的输出可通过步进电机等具有零阶保持特性的累积机构，化为模拟量；速度算法的输出须采用积分执行机构。,手自动切换都相当方便，不用出现积分饱和；增量算法应用最广泛，采用积分式执行机构时才能采用速度算法。,采样周期对控制品质的影响,离散数字控制的特点：采样控制，不连续离散控制的结果：等效于在连续的控制回路中串入一个纯滞后Ts/2环节，使控制品质变差。采样周期越在大，控制品质越差。,对积分作用的改进之一,对积分作用的改进之二,对积分作用的改进之三,微分先行,不完全微分,输入滤波,实现数字控制算法时应注意的问题（输入）,数字滤波,DDC系
12、统框图,对检测变送信号的处理（局部放大）,DDC系统原理框图,1.7 控制器参数整定和控制系统投运,当控制系统中的被控对象、检测变送器执行器控制器已确定，控制系统的控制品质与控制器参数整定有关系。PID控制器参数整定就是设置和调整PID参数，使控制系统过渡过程达到满意的控制品质。,过程控制系统的正反作用的设置目的：是保证控制系统成为负反馈。负反馈准则要求控制系统开环总增益恒为正。组成控制系统的各环节增益的正负由该环节输入输出之间的关系确定。,当该环节的输入增加时，其输出也增加，则该环节的增益为正，反正，输入增加，输出减小，增益为负，开环总增益等各组成环节的增益之积。环节增益正负的定义：输入增大
13、，输出增大，增益为正。输入增大，输出减小，增益为负。控制器输入为E，正作用时，PV，MVE，Kc为。反作用时，PV，MVE，Kc为。,负,正,正反作用：调节器的调节方向，应保证调节动作使偏差趋向零，实际是Kc正负问题。正作用：在设定值不变的前提下，若测量值增加，控制器的输出也增加，则为正作用，负增益，Kc0。正反作用一般在设计阶段就已确定，一旦确定，在运行中不允许改变，否则引起正反馈，发生危险。,下一页,控制器的“正反作用”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”。选择要点：使控制回路成为
14、“负反馈”系统。选择方法为：（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，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。,控制器的作用方向选择：假设检验法,根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即：u Rf.(Why?)假设温度控制器为正作用，即：Tm u；则,结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.,控制器的作用方向选择：回路判别法,回路判别法的要点：（1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm u。,先选定调节阀作用方向。选气
15、关阀。判断控制器正反作用回路增益法：确保开环增益为正。q2增加，液位下降，Ko为负。MV增加，阀开度减小，q2下降，Kv为负。液位增加，测量值增加，Km为正确保开环增益为正，要求Kc为正，取反作用。,例：控制器的正反作用的设置方法,控制器的正反作用的设置举例 验证。设有干扰使的液位上升或下降，推理系统调节动作。液位，PV，MV，阀开度，q2，液位。,推理法：设有干扰使的液位上升或下降，推理系统调节动作。液位 q2 阀开度 MV PV可用回路增益法验证。,控制器正反作用的设置,设置的目的：保证控制系统成为负反馈。负反馈的准则：控制系统开环总增益为正。开环总增益：=各组成环节的增益这积。环节的增益
16、为正：当环节输入增加时，输出也增加。环节的增益为负：当环节输入增加时，输出减少。,确定控制器正反作用的步骤,根据工艺安全性要求，确定控制阀的气开和气关型；气开阀的增益为正，气关阀的增益为负。根据过程的输入和输出关系，确定过程增益的正负根据检测变送环节的输入输出关系，确定检测变送环节增益的正负根据负反馈准则，确定控制器的正反作用,手动状态（Manual Mode）：由操作人员直接给出MV。自动状态(Auto Mode)：由控制算法根据偏差计算出MV。手、自动状态可通过面板切换。一般要求无扰动切换。无扰动切换原理：（六）MA时，偏差为零，u0=手动输出；AM时，手动输出自动输出实现方法有：人工平衡
17、无扰动切换和自动平衡无扰动切换。,二.控制系统的投运,2.1.控制系统的投运步骤 检测系统投入运行，观察测量指示是否正确；控制回路置手动，使被控参数在设定值附近稳定。检查控制器状态是否正常，设置合适的P、I、D参数，无扰动地切换到自动状态，使控制器投运，观察控制效果。若控制效果不满意，整定控制器的参数。举例：TC：置手动，MV50调R1，使液位稳定在50。注意：调一次后，等稳定再调。检查PID参数和正反作用。切换到自动，整定参数。,三.控制器的参数整定方法 整定的目的使系统的过渡过程满足控制质量指标要求。过渡过程响应快，超调小，稳定性好，余差小。这些指标一般矛盾，应权衡折衷。一般使过渡过程衰减
18、比在4：110：1。理论计算法受控过程模型已知时，可用时域分析法求解。详见书上例题和自控原理相关内容。由于精确模型难以获得，理论计算法的结果只能作为工程整定法的参考。,工程整定法 临界比例度法 去掉积分作用（Ti 最大），去掉位微分作用（Td 0），比例度 P 取较大值，投入自动，然后逐渐减小 P，直到出现等幅振荡（临界振荡），此时的比例度叫临界比例度 Pk，振荡周期叫临界振荡周期Tk。用经验公式计算P，Ti，Td。按计算结果设置参数后，观察系统响应过程，若不满意，作适当调整。衰减比4：1时公式。,衰减曲线法 纯比例控制，比例度 P 取较大值，投入自动，然后逐渐减小 P，加干扰，观察过渡过程，
19、直到出现 4:1 衰减过渡过程，此时的比例度叫 4:1 衰减比例度 Ps，振荡周期叫 4:1 衰减周期Ts。用经验公式计算P，Ti，Td。按计算结果设置参数后，观察系统响应过程，若不满意，作适当调整。同理可将过渡过程整定到10：1衰减过程。,现场经验法 根据PID参数对过渡过程的影响，反复调试，调出 4:1 衰减过渡过程，或 10:1 衰减过渡过程。,极限环法用带滞环的继电器代替控制器，获得极限环（等幅振荡），根据振荡周期和幅值计算控制器参数。此方法可由计算机自动进行，是一种自整定法。手动状态，使系统稳定，切向继电器，使系统等幅振荡，获得极限环。测出极限环的振荡周期Tk和幅值 a，根据 计算临
20、界比例度 Pk。用临界比例度法的经验公式计算P，Ti，Td。,反应曲线法 用阶跃响应曲线法测得受控过程的近似模型 用经验公式计算P，Ti，Td 4:1 衰减过渡过程的参数,单回路控制系统工程设计实例一.喷雾式干燥设备控制系统设计 受控变量与控制变量选择工艺要求：产品（奶粉）含水量。受控变量选择产品含水量难测，它与干燥温度密切相关，因此选干燥器温度为受控变量（间接变量）。控制变量选择影响干燥器温度的因素有：乳液流量；旁路空气流量；蒸汽流量。方案 乳液流量影响产量。方案 蒸汽流量不利。方案 旁路空气流量佳。,四.控制系统设计步骤 与工艺人员沟通，了解系统需求；正确选择受控变量和控制变量，确定系统合
21、理 结构；正确选择调节阀的作用方向及流量特性；正确选择调节器的控制规律和正反作用；正确选择测量变送环节；系统关联分析；系统投运与参数整定。,五.系统信号连接方法举例 电流信号采用串连法连接；电压信号采用并连法连接；含有二线制变送器控制系统接线法设采用电动调节阀。调节器和调节阀220V供电,设采用气动调节阀。调节器220V供电,采用计算机作为控制器A/D转换板提供24V电源时，直接连接。（例如西门子的KF02模板）,A/D转换板不提供24V电源时，需接24V电源。（例如西门子的S7200 的331模板）,注意：电源一定要先接变送器，然后在接A/D模板，否则损坏A/D模板。,2.四线制信号接法 电
22、流信号：,电压信号：,四 接地接地不良，容易引起干扰。有时无法工作。地线种类：安全地：机壳地，安全保护用。模拟信号地：所有模拟信号的0电平基准。数字地：所有数字信号的0电平基准。注意不同地之间的连接与隔离。有些系统既有15V电源，又有24V电源，还有5V电源，注意各种电源之间的地（即负端）连接与隔离。详见具体说明书。一般15V电源不与5V电源和24V电源的地连接。,本章总结：控制系统组成：受控过程，执行器，控制器，测量环节。控制系统性能评价指标。组成系统的环节特性决定了系统特性，因此由各个环节分析入手探讨系统性能分析与系统设计思路。掌握什么样的环节特性对系统性能有利，选择有利于提高系统性能的环
23、节组成系统，选择的过程就是控制系统方案设计的过程。从受控过程工艺流程入手，抽象出信息图，即控制原理方块图，利用控制理论的原理和方法分析。系统设计完成后，还要投运和整定。,1.7 控制器参数整定的若干原则,控制器参数经验数据,流 量：对象时间常数小，参数有波动，要大40100%；Ti要短0.31min；不用微分。温 度：对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，应小2060%；Ti要长310min；一般需加微分 Td=0.53min 压 力：对象的容量滞后不算大，一般不加微分=3070%Ti=0.43min液 位：对象时间常数范围较大，要求不高时，可在一定范围内选取，一般不用微分，=2080%,
24、返回,返回,Ziegler&Nichols法,返回,Lopez法,Cohen-Coon法,返回,根轨迹法,返回,控制器正反作用的设置,返回,常规控制规律有双位控制、比例控制(P)、积分控制(I)和微分控制(D)等。比例控制 它依据“偏差的大小”来进行控制。它的输出变化与输入偏差的大小成比例。控制及时，但是有余差。用比例度来表示其作用的强弱。越小，控制作用越强。比例作用太强时，会引起振荡甚至不稳定。,积分控制 它依据“偏差是否存在”来进行控制。它的输出变化与偏差对时间的积分成比例，只有当余差完全消失，积分作用才停止。所以积分控制能消除余差，但积分控制缓慢，动态偏差大，控制时间长。用积分时间i表示
25、其作用的强弱，i越小，积分作用越强。积分作用太强时，也易引起振荡。,微分控制 它依据“偏差变化速度”来进行控制。它的输出变化与输入偏差变化的速度成比例，其实质和效果是阻止被控变量的一切变化，有超前控制的作用。对滞后大的对象有很好的效果。用微分时间表示其作用的强弱。d大，作用强。d太大，会引起振荡。,1举一两个被控对象的实例，列写它们的数学模型？2什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？3试述比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制的特点及使用场合？4PID控制器中可以调整的参数有哪些？分析调整某一个参数对PID控制器的控制作用有什么影响？,习题与思考题,1.用MATLA
26、B求时域表达式的拉氏变换,例212 求,和,解:M文件如下:syms t;%指定t为符号变量x1t=sin(2*t)subplot(2,2,1);ezplot(x1t)x2t=exp(-2*t),的拉氏变换。,一、时域表达式与传递函数转换,subplot(2,2,2);ezplot(x2t)x1s=laplace(x1t)subplot(2,2,3);ezplot(x1s)x2s=laplace(x2t)subplot(2,2,4);ezplot(x2s),输出结果:x1t=sin(2*t)x2t=exp(-2*t)x1s=2/(s2+4)x2s=1/(s+2),2.用MATLAB求解信号的拉
27、氏逆变换,解:M文件如下:syms s;%指定s为符号变量xs=atan(1/s)%atan为反正切函数 subplot(2,1,1);ezplot(xs)xt=ilaplace(xs)subplot(2,1,2);ezplot(xt),例213 求下列复频域函数的拉氏逆变换,输出结果为xs=atan(1/s)xt=1/t*sin(t),例214 两个子系统,按图所示的方式进行反馈连接，求闭环系统的传递函数。,二、结构图等效变换,解:在命令窗口中输入 numg=2 5 1;deng=1 2 3;numh=5 10;denh=1 10;num,den=feedback(numg,deng,num
28、h,denh)%sign缺省，表示负反馈连接执行后输出结果：num=2 25 51 10den=11 57 78 40由此得到的闭环系统的传递函数为：,三、对温度控制系统进行MATLAB仿真,例216 有一温度控制系统如图213所示，蒸汽与冷流体直接接触，将冷流体加热，工艺要求热物料出口温度一定。方框图如图214所示。已知：,，,，,，,，,，,试绘制出：系统在,阶跃设定作用下的过渡过程曲线。,阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。,系统在冷物料温度,图213 温度控制系统图,图214 温度控制系统方框图,程序如下：Gm=tf(1,2.5 1);Go=tf(5.4,5 1);Gc=1.6;Gv=1.5
29、;G1=feedback(Go*Gv*Gc,Gm);G=G1*Gm;t=0:0.1:12;y1=step(G,t);,Gf=tf(1,5 1);G2=feedback(Gm,Go*Gv*Gc);T=Gf*G2;u=-10*(1+0*t);y2=lsim(T,u,t);hold onplot(t,y1)plot(t,y2)hold off,1系统在,阶跃设定作用下的过渡过程曲线。,阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。,2系统在,比例微分控制算法,微分时间Td 对系统性能的影响微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于特性一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。,
