《过程控制与集散系统》课件-4.2 控制器动态特性

控制器动态特性

(一)项目四：单水箱恒液位控制系统DynamicCharacteristicsofTheController.课程名称：《过程控制与集散系统》课程回顾过程控制系统结构与组成控制对象动态特性及测定方法单水箱恒压、恒流、恒温控制系统思考一下单水箱恒液位控制系统中，是什么设备根据液位的变化精准调整进水阀门开度，让液位稳定在设定值的？控制器控制器的动态特性直接决定了控制系统的调节精度和控制特性。目录01控制器动态特性的基本概念02比例控制规律（P）03积分控制规律（I）04微分控制规律（D）一、控制器动态特性的基本概念自动控制系统由自动控制器（控制器）和被控对象构成的闭环系统。其中控制器的动态特性是指控制器的输入偏差信号与输出信号之间的因果关系（一般指负反馈控制系统）。控制规律偏差信号e(t)控制信号u(t)比例01积分02微分03二、比例控制规律（P）比例控制的阶跃响应曲线比例放大倍数e二、比例控制规律（P）特点

比例控制具有控制及时、克服偏差的特点。

要使比例控制器有输出，就必须有偏差存在。

比例控制适合于扰动小、滞后小、控制精度要求不高的场合。二、比例控制规律（P）比例度：控制器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。比例度与比例放大系数为倒数关系二、比例控制规律（P）比例度越大，余差越大比例度越小，最大偏差越小，振荡周期也越短比例度减小，系统的稳定程度降低三、积分控制规律（I）积分控制规律在积分控制规律中，控制器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。积分控制器的积分速度积分时间常数互为倒数三、积分控制规律（I）积分控制作用是力图消除余差越大越小积分速度越大积分作用越强三、积分控制规律（I）纯积分的缺点响应滞后输出变化总要滞后于偏差的变化，不能及时有效地克服扰动的影响控制效果加剧被控变量的波动，使系统难以稳定下来。四、微分控制规律（D）微分控制规律在微分控制规律中，控制器输出信号变化量与输入偏差的变化速度成正比，对于惯性较大的被控对象，能够根据被控变量的变化趋势来采取控制措施，控制效果较好。微分时间常数四、微分控制规律（D）时刻：输入阶跃偏差信号控制器输出：无穷大，其余时间为零理想微分作用特性没有实际意义输出仅与偏差变化速度有关与偏差是否存在无关微分作用对恒定偏差无任何作用，不具备实用价值，不能单独使用。实际微分环节在实际工程中，微分环节的实现需要添加惯性环节微分增益课程小结秉持“辩证思维”，工程实践中组合应用实现最佳效果比例控制适度原则积分控制补位意识微分控制前瞻思维比例(P)积分(I)微分(D)三者各有优劣，单独使用均存在局限控制器动态特性

(二)项目四：单水箱恒液位控制系统DynamicCharacteristicsofTheController.课程名称：《过程控制与集散系统》课程回顾比例(P)积分(I)微分(D)简单系统（马桶水箱）控制要求低、精度要求不高，可采用纯比例控制。复杂系统（液位频繁变化+快速稳定）应如何设计控制器？思考一下组合控制规律有效弥补单一控制规律的缺陷。面对复杂系统与高要求时具有更优控制效果。目录01比例积分控制规律（PI）02比例微分控制规律（PD）03比例积分微分（PID）04控制规律的选取一、比例积分控制规律（PI）比例积分控制规律将比例控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起，受到广泛应用。注意并非比例与积分表达式的简单相加积分项系数与纯积分表达式不同一、比例积分控制规律（PI）积分时间在阶跃偏差输入作用下，控制器的输出达到比例输出两倍时所经历的时间。越小积分速度越快积分作用越强越大积分速度越慢积分作用越弱无穷大积分趋近于零积分作用消失一、比例积分控制规律（PI）积分时间对系统过渡过程的影响随着积分时间的减小，积分作用增强，余差消除加快，但同时系统的振荡加剧，稳定性下降。

过小，还可能导致系统的不稳定。积分作用使得比例控制系统稳定性下降，需适当增加比例度，提高系统控制品质。二、比例微分控制规律（PD）比例控制与微分控制的组合比例微分输入输出响应曲线二、比例微分控制规律（PD）实际模型实际工业应用中，5~10min可用于测量

微分作用抑制振荡，适当的微分作用有利于提高系统的稳定性，然而微分作用过强（

过大），系统振荡，不利于系统的稳定。二、比例微分控制规律（PD）曲线1：TD过小对系统品质指标影响甚微曲线2：TD适当控制系统品质指标全面改善曲线3：TD过大微分作用过强，引起系统振荡三、比例积分微分（PID）理想模型控制器参数的实际值各参数的刻度值互相干扰系数积分增益实际模型三、比例积分微分（PID）阶跃响应曲线为三种控制规律的有机组合全面优于纯比例控制下降速率低于纯微分控制上升速率高于纯积分控制PID控制器的适应性较强，研究完善，是目前使用最广泛的控制方法三、比例积分微分（PID）PID控制的优点

原理简单，使用方便，成本低廉，易于操作。

适应性强，可以广泛应用于各种工业过程控制领域。

鲁棒性强，即其控制品质受对象特性的变化不大敏感。四、控制规律的选取同一对象在相同阶跃干扰作用下，采用不同控制规律时具有同样衰减比的响应曲线曲线1比例控制曲线2积分控制曲线3比例积分控制曲线4比例微分控制曲线5比例微分积分控制四、控制规律的选取控制规律的选择要与具体对象相匹配，需要综合考虑多方因素对象动态特性负荷变化情况主要扰动类型系统控制要求方案经济成本实施便捷程度四、控制规律的选取选取原则01简单控制系统仅适用于负荷变化小的系统，复杂系统需要复杂控制系统02一般系统中，比例控制必不可少，如储罐液位，可以使用纯比例控制规律03工艺对余差要求高时可选用比例积分控制，如管道压力、流量等参数的控制04时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用四、控制规律的选取被控对象传递函数

选择比例或比例积分规律当

时

选择比例微分或比例积分微分控制规律当

时

选用复杂控制系统当

时课程小结课程回顾比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)控制规律