自动化仪表4.

1、第四章调节器调节器2附录附录第四章调节器第四章调节器调节器参数整定调节器参数整定 控制规律选择控制规律选择 控制规律控制规律3一、基本控制规律分析一、基本控制规律分析控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号（偏差）变化的规控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号（偏差）变化的规律。这个规律常称为控制器的特性。律。这个规律常称为控制器的特性。 第一节第一节 控制规律控制规律 最常用的调节器，我们一般选择最常用的调节器，我们一般选择PIDPID调节器，因为这类调节器原理简调节器，因为这类调节器原理简 单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性单，使用方便；适应性强；鲁

2、棒性强，即其控制品质对被控对象特性变化不太敏感变化不太敏感。 4典型典型PIDPID调节器功能框图调节器功能框图第一节第一节 控制规律控制规律5第一节第一节 控制规律控制规律Kc: Kc: 比例系数；比例系数；TiTi：积分时间；：积分时间；TdTd：微分时间；：微分时间；PIDPID调节器的调节参数调节器的调节参数00)()(1)()(udttdeTdtteTteKtudtic控制作用的初控制作用的初始稳态值始稳态值比例放大系数比例放大系数积分时间积分时间微分时间微分时间6第一节第一节 控制规律控制规律比例比例P P、积分、积分I I、微分、微分D D比例比例P P：有两种表示方式：有两种表

3、示方式: :比例度比例度%和增益和增益K K，K=1/ % ,K=1/ % , K K增大，系统的稳定器变差，控制质量提高。增大，系统的稳定器变差，控制质量提高。 纯比例调节时，纯比例调节时，K =K =输出输出/ /输入输入积分积分I I：积分时间以：积分时间以TiTi（分）来表示，积分作用的基本目的是在系统经（分）来表示，积分作用的基本目的是在系统经 受干扰后使系统输出返回设定值（即消除余差）。受干扰后使系统输出返回设定值（即消除余差）。 TiTi系统系统 稳定性稳定性， TiTi积分作用越强。积分作用越强。微分微分D D：微分时间以：微分时间以TdTd（分）来表示，微分作用的基本目的是能

4、补偿（分）来表示，微分作用的基本目的是能补偿 容量的滞后，使系统稳定性改善，从而允许使用高的增益，容量的滞后，使系统稳定性改善，从而允许使用高的增益， 并提高响应速度。并提高响应速度。 Td Td 作用强，太强会振荡。作用强，太强会振荡。67Kd：微分增益cccKsEsUsGteKtu)()()()()(0)()(uteKtuc二、比例控制规律二、比例控制规律第一节第一节 控制规律控制规律1、控制输出与偏差、控制输出与偏差之间在一定范围内保之间在一定范围内保持比例关系。持比例关系。8通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入

5、( (偏差偏差) )的的范围，因此，比例度又称为比例带。范围，因此，比例度又称为比例带。%100minmaxminmaxuuueeeminmaxminmaxuuee%1001%100cKue第一节第一节 控制规律控制规律9如果如果u u直接代表调节阀的开度，当调节阀开度改变直接代表调节阀的开度，当调节阀开度改变100100，即从，即从全关到全开，全关到全开，%100minmaxeee则可以看出，则可以看出， 就代表对应的被调量的相对变化范围就代表对应的被调量的相对变化范围。只有当。只有当被调量处在这个范围以内，调节阀的开度被调量处在这个范围以内，调节阀的开度( (变化变化) )才与偏差成比才与

6、偏差成比例。超出这个例。超出这个“比例带比例带”以外，调节阀已处于全开或全关的状以外，调节阀已处于全开或全关的状态，此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，而调节器态，此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，而调节器也至少暂时失去其控制作用了。也至少暂时失去其控制作用了。例如，若测量仪表的量程为例如，若测量仪表的量程为100100 C C，则，则 =50%=50%就表示被调量需要就表示被调量需要改变改变5050 C C才能使调节阀从全关到全开才能使调节阀从全关到全开。第一节第一节 控制规律控制规律10控制器有正作用和反作用之分，控制器增益有正负之分。控制器有正作用和反作用之分，控制器增益有

7、正负之分。当控制器的测量当控制器的测量y y增加时，控制器的输出增加时，控制器的输出u u增加，正作用控制器增加，正作用控制器当控制器的测量当控制器的测量y y增加时，控制器的输出增加时，控制器的输出u u增加，反作用控制器增加，反作用控制器由于：由于：u=Ku=Kc c(r(ry)=Ky)=Kc ce e，则：，则：正作用控制器，正作用控制器，K Kc c为负号；反作用控制器，为负号；反作用控制器，K Kc c为正号为正号第一节第一节 控制规律控制规律112 2、比例增益对控制系统的影响、比例增益对控制系统的影响soocsoocooesTKKesTKK)s(R)s(Y111soocsffoo

8、esTKKesTK)s(F)s(Y111第一节第一节 控制规律控制规律12A A、 对余差的影响对余差的影响ocococsstKKRyReKKRKKsRsRsYsssYtyy1)()(1)()(lim)(lim)(lim)(00Kce()定值控制系统：当干扰是幅值为定值控制系统：当干扰是幅值为F F的阶跃信号的阶跃信号ocfKKFKye1)()(Kce()（1）自衡非振荡过程时）自衡非振荡过程时随动控制系统：输入信号是幅值为随动控制系统：输入信号是幅值为R R的阶跃信号，根据终值定理的阶跃信号，根据终值定理第一节第一节 控制规律控制规律13（2 2）无自衡非振荡过程）无自衡非振荡过程)1()(

9、sTsKsGooo随动控制系统：随动控制系统：e()=0定值控制系统：定值控制系统：G Gf f(s)(s)具有自衡特性时，具有自衡特性时， e() 0)1()(sTsKsGfffocfKKFKye)()(G Gf f(s)(s)具有无自衡特性，即具有无自衡特性，即e() 0第一节第一节 控制规律控制规律14 B B、 对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响0510152025303540455000.20.40.60.811.21.4Kc增大随动控制系统随动控制系统衰减比，最大动态偏差，余差，振荡，周期衰减比，最大动态偏差，余差，振荡，周期第一节第一节 控制规律控制规律1505101520

10、25303540455000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5定值控制系统定值控制系统Kc增大第一节第一节 控制规律控制规律16C C、 对控制系统稳定性的影响对控制系统稳定性的影响系统的开环频率特性曲线系统的开环频率特性曲线系统的开环频率特性曲线随比例增益的增加向(-1,j0)点移动，系统的稳定性变差。随着比例增益的增大，系统的稳定性变差。随着比例增益的增大，系统的稳定性变差。第一节第一节 控制规律控制规律17 上述的结果适用于大多数工业过程被控对象的稳定性分析，但对具体上述的结果适用于大多数工业过程被控对象的稳定性分析，但对具体被控对象和扰动通道还应具体分

11、析。被控对象和扰动通道还应具体分析。设开环不稳定对象：) 1() 1()(12sTssTKsGo采用比例控制器，采用比例控制器，KcKc增大时，控制系统的根轨迹增大时，控制系统的根轨迹KcKc小时，系统不稳定，小时，系统不稳定，随着随着KcKc的增大，系统的的增大，系统的改善，直到系统阻尼改善，直到系统阻尼第一节第一节 控制规律控制规律18比例增益对控制指标的影响比例增益对控制指标的影响KcKc增加：增加：系统稳定性变差，振荡加剧。系统稳定性变差，振荡加剧。系统频率增加，响应加快。系统频率增加，响应加快。稳态误差减少，准确性提高稳态误差减少，准确性提高第一节第一节 控制规律控制规律19 总之：

12、一般比例度太大、太小对系统的动特性均不利，通常对于采用总之：一般比例度太大、太小对系统的动特性均不利，通常对于采用比例调节器的自调系统，衰减比在比例调节器的自调系统，衰减比在4-10的范围内较为适当，据经验，的范围内较为适当，据经验，此时比例度大约为临界比例度的二倍左右。此时比例度大约为临界比例度的二倍左右。比例调节规律的优点是：对干扰有及时而有力的抑制作用，即当偏差比例调节规律的优点是：对干扰有及时而有力的抑制作用，即当偏差存在的瞬间，调节器即有相应的输出，因此生产上有一定的应用，但存在的瞬间，调节器即有相应的输出，因此生产上有一定的应用，但它有一个不可避免的缺点，即存在静态误差，一时被调量

13、偏差不存在，它有一个不可避免的缺点，即存在静态误差，一时被调量偏差不存在，调节器的输出也就为零，即调节器的调节作用是以偏差的存在作为前调节器的输出也就为零，即调节器的调节作用是以偏差的存在作为前提条件的，所有使用这种比例调节器，不可能做到无静差调节。提条件的，所有使用这种比例调节器，不可能做到无静差调节。 要消除静差，就要引入积分调节器，对偏差信号进行积分处理。要消除静差，就要引入积分调节器，对偏差信号进行积分处理。设开环不稳定对象：) 1() 1()(12sTssTKsGo第一节第一节 控制规律控制规律20 ticcudeTKteKtu00T Ti i为积分时间为积分时间K Ki i为积分增

14、益为积分增益 ticcdeTKteKtu0sTKsEsUsGicc111、积分控制的主要作用在于消除余差、积分控制的主要作用在于消除余差u(t)三、比例积分控制规律：三、比例积分控制规律：第一节第一节 控制规律控制规律212 2、对、对PIPI控制作用的分析控制作用的分析A A、PIPI控制作用是控制作用是P P作用和作用和I I作用之和作用之和ticIcpIpdeTKtuteKtututututu00)()()()()()()()(比例控制起粗调作用，积分作用起细调作用，直到余差消除，比例控制起粗调作用，积分作用起细调作用，直到余差消除，偏差为零时积分输出才停止。偏差为零时积分输出才停止。第

15、一节第一节 控制规律控制规律22B B、PIPI控制作用是比例增益不断调整的控制作用是比例增益不断调整的P P作用作用C C、PIPI控制作用是初始稳态值不断移动的控制作用是初始稳态值不断移动的P P作用作用)()()()()()(000teKtudeTKteKtutucticc)()()()()()(000teKtuteKdeTKtutucctic第一节第一节 控制规律控制规律23D D、对系统过渡过程的影响、对系统过渡过程的影响Ti减小T Ti i对随动控制系统过渡过程的影响对随动控制系统过渡过程的影响(K(Kc c相同相同) ) 第一节第一节 控制规律控制规律24T Ti i对定值控制系

16、统过渡过程的影响对定值控制系统过渡过程的影响(K(Kc c相同相同) )Ti减小第一节第一节 控制规律控制规律25当当K Kc c不变时，减小不变时，减小T Ti i，积分控制作用增强，衰减比减小，振，积分控制作用增强，衰减比减小，振荡加剧，随动控制系统闭环响应的超调量增大。调节过程加荡加剧，随动控制系统闭环响应的超调量增大。调节过程加快，振荡频率升高。快，振荡频率升高。PIPI控制器中，保持控制器中，保持KcKc不变而减小不变而减小TiTi，或保持，或保持TiTi不变而增大不变而增大KcKc，都会增强积分控制作用，使衰减比减小，振荡加剧，超调量或都会增强积分控制作用，使衰减比减小，振荡加剧，

17、超调量或最大偏差增大。最大偏差增大。积分控制作用除了用于消除闭环系统余差外，它也降低闭环积分控制作用除了用于消除闭环系统余差外，它也降低闭环控制系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢。控制系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢。这是由这是由于引入积分后，闭环系统阶数增大，并引入相位滞后所造成于引入积分后，闭环系统阶数增大，并引入相位滞后所造成的。的。第一节第一节 控制规律控制规律261 1、微分控制规律、微分控制规律 比例控制和微分控制都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，比例控制和微分控制都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，不管当时偏差的变化趋势。不管当时偏差的变化趋势。dtdeu

18、 四、比例微分控制算法四、比例微分控制算法如果控制器能够根据被控变量的变化速度来移动调节阀，而不要如果控制器能够根据被控变量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，那么控制的效果等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，那么控制的效果会更好，等于会更好，等于赋予控制器以某种程度的预见性赋予控制器以某种程度的预见性，这种控制作用，这种控制作用称为微分控制。称为微分控制。此时控制器的输出与被控变量或其偏差对时间的导数成正比。此时控制器的输出与被控变量或其偏差对时间的导数成正比。第一节第一节 控制规律控制规律27理想比例控制算法为：理想比例控制算法为：2 2、比例微分

19、控制规律、比例微分控制规律0)()()(udttdeTKteKtudcc写成增量式为：写成增量式为：dttdeTKteKtudcc)()()()1 ()()()(sTKsEsUsGdccTdtteu微分时间微分时间T Td d是在斜坡信号输入是在斜坡信号输入下，达到同样输出值下，达到同样输出值u u，PDPD作作用比纯比例用比纯比例P P作用提前的时间。作用提前的时间。第一节第一节 控制规律控制规律28 T Td d越大，微分作用越强，控制系统的最大偏差越小，振荡周期和回复越大，微分作用越强，控制系统的最大偏差越小，振荡周期和回复时间缩短。时间缩短。Td减小PDPD控制作用对定值控制系统的影响

20、控制作用对定值控制系统的影响第一节第一节 控制规律控制规律293 3、比例微分控制的特点、比例微分控制的特点A A、微分作用总是力图抑止被控量的振荡，它有利于控制系统稳定、微分作用总是力图抑止被控量的振荡，它有利于控制系统稳定 性，减小系统动态偏差，缩短回复时间。性，减小系统动态偏差，缩短回复时间。B、时间常数较大的温度、成分等控制系统，常引入微分控制作用、时间常数较大的温度、成分等控制系统，常引入微分控制作用 来改善系统的控制品质。来改善系统的控制品质。C、适度引入微分作用可以允许稍许减少比例带，同时保持衰减率不变。、适度引入微分作用可以允许稍许减少比例带，同时保持衰减率不变。微分调节动作也

21、有一些不利之处：微分调节动作也有一些不利之处：A、微分太强容易导致调节阀开度向两端饱和，因此以比例为主，、微分太强容易导致调节阀开度向两端饱和，因此以比例为主， 微分为辅。微分为辅。B、抗干扰能力差，只能应用于被调量变化非常平稳的过程，不用于、抗干扰能力差，只能应用于被调量变化非常平稳的过程，不用于 流量和液位控制系统。流量和液位控制系统。C、微分能够克服容量滞后，对纯滞后无效。、微分能够克服容量滞后，对纯滞后无效。第一节第一节 控制规律控制规律30微分控制作用的强弱可以从阶跃输入信号下输出响应曲线的面积来衡量。微分控制作用的强弱可以从阶跃输入信号下输出响应曲线的面积来衡量。PID测量值控制器

22、输出K Kd d越大，面积越大，微分作用越强；越大，面积越大，微分作用越强；T Td d越大，下降越慢，面积越大，微分作用越强。越大，下降越慢，面积越大，微分作用越强。微分先行：只对测量值进行微分作用，也称测量微分，常用于随动控制系统微分先行：只对测量值进行微分作用，也称测量微分，常用于随动控制系统。T Td d=0=0和和K Kd d=1=1表示没有微分作用。表示没有微分作用。注意：注意： 引入微分作用要适度。大多数控制系统随微分时间的增大，其稳定性提引入微分作用要适度。大多数控制系统随微分时间的增大，其稳定性提高，但某些特殊系统也有例外，当微分时间超出某一上限后，系统反而变得高，但某些特殊

23、系统也有例外，当微分时间超出某一上限后，系统反而变得不稳定了。不稳定了。 第一节第一节 控制规律控制规律31五、比例积分微分控制规律五、比例积分微分控制规律理想理想PIDPID控制算法为：控制算法为：00)()(1)()(udttdeTteTteKtudtic)11 ()()()(sTsTKsEsUsGdicc实际实际PIDPID控制器传递函数为：控制器传递函数为：sKTsTKsTsTKsEsUsGddiidicc1111)()()(第一节第一节 控制规律控制规律32t te e1 1t tu uK Kc cK Kc cK Kc cK Kd dK Kc cK Ki i工业工业PIDPID调节器

24、单位阶跃响应调节器单位阶跃响应第一节第一节 控制规律控制规律33PIDPID调节器的调节过程调节器的调节过程第一节第一节 控制规律控制规律34实际实际PIDPID调节器的阶跃响应调节器的阶跃响应 微分作用的效果主要出现在微分作用的效果主要出现在阶跃信号输入的瞬间，积分阶跃信号输入的瞬间，积分作用的效果随时间而增加的作用的效果随时间而增加的. .第一节第一节 控制规律控制规律35第二节第二节 控制规律的选择控制规律的选择PPIPDPID36一、一、PID PID 参数与控制性能的关系参数与控制性能的关系37二、调节器参数的整定二、调节器参数的整定 确定最佳过渡过程中的调节器的比例度、积分时间、微

25、分时确定最佳过渡过程中的调节器的比例度、积分时间、微分时间的具体数值。间的具体数值。最佳过渡过程：在某种质量脂标下系统达到最佳调整状态。此时的调节最佳过渡过程：在某种质量脂标下系统达到最佳调整状态。此时的调节 器参数就是所谓的最佳整定参数。器参数就是所谓的最佳整定参数。整定控制器的参数，使控制系统达到最佳整定状态的前提条件：整定控制器的参数，使控制系统达到最佳整定状态的前提条件： 1、系统结构必须合理、系统结构必须合理 2、仪表和控制阀选型正确、仪表和控制阀选型正确 3、安装无误和调校正确、安装无误和调校正确38三、调节器参数整定方法：三、调节器参数整定方法：对数频率特性法对数频率特性法扩充频

26、率特性法扩充频率特性法M圆法圆法根轨迹法根轨迹法理论计算法理论计算法工程整定法工程整定法39402 2、衰减曲线法、衰减曲线法用纯比例控制器，阶跃信号作为输入。逐渐减小用纯比例控制器，阶跃信号作为输入。逐渐减小，直至系统出现，直至系统出现 4 1 4 1 的衰减过程为止。的衰减过程为止。记录下此时的比例带记录下此时的比例带2 2和两相邻波峰之间的时间和两相邻波峰之间的时间 T T2 2，然后，按照表，然后，按照表来确定控制器的参数。来确定控制器的参数。 413 3、动态特性参数法（响应曲线法）、动态特性参数法（响应曲线法）是一种开环整定方法，即利用系统广义过程的阶跃响应特性曲线对调是一种开环整

27、定方法，即利用系统广义过程的阶跃响应特性曲线对调节器参数进行整定，其整定精神将更高一些。节器参数进行整定，其整定精神将更高一些。注意：调节器参数工程整定的主要难度在如何做好实验上，一旦试验注意：调节器参数工程整定的主要难度在如何做好实验上，一旦试验结果得出，理论计算上则相对简单这就是工程整理定的优越性所在。结果得出，理论计算上则相对简单这就是工程整理定的优越性所在。此外在采用同一工程整定方法时，使用不同经验公式计算的调查节器此外在采用同一工程整定方法时，使用不同经验公式计算的调查节器参数会有一定的差别，即依靠试验和经验公式所作的调节器参数整定参数会有一定的差别，即依靠试验和经验公式所作的调节器

28、参数整定存在一定的分散性。存在一定的分散性。5 5、三种工程整定方法的比较、三种工程整定方法的比较4 4、经验法、经验法42常用被控量常用被控量PIDPID参数经验选择参数经验选择43一、模拟控制器一、模拟控制器控制器除了对偏差信号进行控制器除了对偏差信号进行PIDPID运算外，一般控制器还需要具备如下功能，运算外，一般控制器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：以适应自动控制的需要：第四节、附录第四节、附录无扰动切换无扰动切换 偏差显示偏差显示 输出显示输出显示 提供内给定信号及内、外给定的选择提供内给定信号及内、外给定的选择 正、反作用的选择正、反作用的选择手动操作与手动自动双向切换手

29、动操作与手动自动双向切换附加功能，如抗积分饱和、输出限幅、输入报警、偏差报警等，以提高控附加功能，如抗积分饱和、输出限幅、输入报警、偏差报警等，以提高控制器的性能。制器的性能。 44二、二、基型调节器的构成基型调节器的构成250输入电路PD电路PI电路输出电路硬手动电路软手动电路 测量 指示电路 给定 指示电路Us15V内外Is420mAUs15VIo420mA指示单元控制单元DDZ-IIIDDZ-III型调节器的构成框图型调节器的构成框图Uo3Uo2Uo1第四节、附录第四节、附录45DDZ-IIIDDZ-III型全刻度指示电动调节器的主要性能如下：型全刻度指示电动调节器的主要性能如下： 测量信号测量信号 1 1 5VDC 5VDC 内给定信号内给定信号 1 1 5VDC 5VDC 外给定信号外给定信号 4 4 20mADC 20mADC 测量信号与给定信号的指示精度测量信号与给定信号的指示精度 1%1%输入阻抗影响输入阻抗影响 满刻度的满刻度的0.1%0.1%输出信号输出信号4 4 20mADC20mADC负载电阻负载电阻 250250 750750 输出保持特性输出保持特性-0.1%-0.1%每小时每小时比例度比例度2 2 500500 积分时间积分时间0.010.01 22min(22min(分两档分两档) )微分时间微分时间 0.04