控制规律和控制器的选用及调PPT课件

1、.,1,教师讲解： 1、校正就是控制； 2、同一个RC电路的不同应用； 3、电子电路中滞后与超前的快速判定； 4、校正装置在控制系统中的位置。 5、期望特性 6、PID控制器电子实现 7、PID控制软件实现,5.1 控制系统的校正(控制),.,2,基于一个控制系统可视为由控制器和被控对象两大部分组成，当被控对象确定后，对系统的设计实际上归结为对控制器的设计，这项工作称为对控制系统的校正。,控制系统的校正（校正就是控制）,前面几章讨论了控制系统几种基本方法。掌握了这些基本方法，就可以对控制系统进行定性分析和定量计算。,本章讨论另一命题，即如何根据系统预先给定的性能指标，去设计一个能满足性能要求的

2、控制系统。,.,3,在实际过程中，既要理论指导，也要重视实践经验，往往还要配合许多局部和整体的试验。所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。,常用的校正方法，串联校正、反馈校正和复合校正。,.,4,一般而言，当控制系统的开环增益增大到满足其静态性能所要求的数值时，系统有可能不稳定，或者即使能稳定，其动态性能一般也不会理想。在这种情况下，需在系统的前向通路中增加超前校正装置，以实现在开环增益不变的前题下，系统的动态性能亦能满足设计的要求。,常用校正装置及其特性,无源校正网络,超前校正,有源校正网络,无源超前校正,滞后

3、校正,滞后超前校正,先讨论超前校正网络的特性，而后介绍基于频率响应法的超前校正装置的设计过程。,.,5,校 正 方 式,串联校正,反馈校正,校正装置,校正装置,前馈校正,复合校正,.,6,使得校正后（）角度超前的，为超前校正，使得校正后（）角度滞后的，为滞后校正，,从时间角度:是积分电路. 从频率角度:低通滤波电路， 从相位角度:是滞后电路， 典型环节角度:是一阶惯性电路,同一实际对象在不同应用视角下有不同称呼.,电容在反馈中或有一端接地时，构成滞后校正环节，反之,为超前校正环节.判断表5-1,5-2中电路,.,7,被控对象是不能改变的，通过控制器使总的特性满足期望特性。,5.2 期望特性及控

4、制器实现,.,8,期望特性,低频段要斜率大,高频段根据信号要求定转折频率,中频段过零频率 决定稳定性等,求控制器(校正装置)的步骤: 1、根据GO(s)幅频特性,求出GO(s) 2、根据指标要求查表并求出G(s) 3、根据公式Gc(s)= G(s)/GO(s)计算 4、根据计算的Gc(s)查表5-1，5-2中对应电路。,.,9,以20dB/dec斜率穿越0dB线，和c与1和2的距离相当为理想.,w,),(,L,w,-20,-40,-40,c,w,1,w,2,w,.,10,以20dB/dec斜率穿越0dB线，系统稳定。为理想.,以40dB/dec斜率穿越0dB线，系统可能稳定。,以60dB/de

5、c斜率穿越0dB线，系统不稳定。,.,11,教师讲解： 1、什么是PID调节； 2、型电子仪表PID控制； 3、PID的软件实现； 4、单回路调节器； 5、控制器饱和处理 学生思考举例：生产生活中的单回路调节器。,5.3 PID 调节器和自动化仪表,.,12,PID控制技术,PID控制结构简单，参数调整方便，它是在长期的工程实践中总结出来的一套控制方法。 在模拟控制系统中，基本控制回路是简单的反馈回路，。 被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器按照一定的控制规律进行运算，并输出控制量u(t)控制执行器实施相应操作， 使偏差趋近于零， 从而实现对被控量的控

6、制。,.,13,基本反馈控制系统的系统框图,.,14,1. 比例调节（比例典型环节） 比例调节的控制规律为,u(t)=Kpe(t),（7-11）,式中，u（t）为调节器的输出；Kp为比例系数；e（t）为调节器的输入， 一般为偏差。 比例调节是一种最简单的调节规律，调节器的输出u（t）与输入偏差e（t）成正比，只要出现偏差e（t），就能及时地产生与之成比例的调节作用。 比例调节作用的大小，主要取决于比例系数Kp ，Kp越大，调节作用越强，反之，Kp越小，调节作用越弱。但对于大多数惯性环节，Kp太大，会引起自激振荡。,.,15,2. 比例积分调节（一阶惯性环节） 比例调节的缺点是存在静态误差，影响

7、调节精度。消除静差的有效方法是加积分调节，构成比例积分（PI）调节。 PI调节的控制规律为,（7-12）,式中, TI为积分时间常数，它表示积分速度的快慢，TI越大， 积分速度越慢，积分作用越弱；反之，积分速度越快，积分作用越强。,.,16,3. 比例微分PD调节（） 加入积分调节可以消除静差，改善系统的静态特性。然而， 当控制对象具有较大的惯性时，用PI调节就无法得到满意的调节品质。在调节器中加入微分作用，根据偏差变化的速度，提前给出较大的调节作用，使偏差尽快消除。可以大大减小系统的动态偏差及调节时间， 从而改善动态品质。 ,.,17,同积分作用一样，微分作用一般也不能单独使用，需要与比例作

8、用相配合，构成PD调节， 其控制规律为,（7-13）,式中，TD为微分时间常数。,.,18,4. 比例积分微分调节（PID） 为了进一步改善调节品质，往往把比例、积分、微分三种作用结合起来， 形成PID三作用调节器， 其控制规律为,（7-14）,在PID调节器中，首先是比例、微分作用，使其调节作用加强，然后再进行积分，直到最后消除静差为止。因此，PID调节器无论是从静态还是从动态的角度看，调节品质均得到了改善， 是一种应用最广泛的调节器。,.,19,I 积分发生在低频段，稳态性能(提高) D微分发生在高频段，动态性能(改善),增加一个极点，提高型别，稳态性能,两个负实零点，动态性能比PI更具优

9、越性,1,2,3,两个零点,一个 极点,P117电路图,.,20,数字PID控制算法,PID控制是过程控制中应用最广泛的一种控制规律。通过实际运行经验及理论分析，充分证明了PID控制规律用于多数被控对象能够获得较满意的控制效果。 因此，在微机测控系统中也广泛地采用PID控制规律。,.,21,在模拟控制系统中，以微型计算机来代替模拟调节器， 可构成微机测控系统。 在控制系统中引入微机，可以充分利用微机对采集数据加以分析并根据所得结果做出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制与管理。在微机测控系统中，控制规律的实现是通过软件来完成的。 改变控制规律，

10、 只要改变相应的程序即可， 这是模拟控制系统所无法比拟的。,.,22,微机测控系统的系统框图,.,23,微机测控系统通常利用采样方式对生产过程的各个回路进行巡回检测和控制， 它属于采样调节。 因而， 描述连续系统的微分方程应由相应的描述离散系统的差分方程来代替。 为了将模拟PID控制规律离散化， 令,tkT（为了简化表述， 一般在公式中将T省略） u（t）u（k） e（t）e（k）,.,24,式中，e（k）为第k次采样所获得的偏差信号；e（k）-e（k-1）为本次与上次测量值偏差之差，在给定值不变时，可表示为相邻两次测量值之差；T为采样周期（两次采样的时间间隔）；k为采样序号，k0， 1， 2

11、，。,.,25,则离散系统的PID算式为,在式所表示的控制算式中，其输出值u（k）代表第k时刻执行机构所应达到的位置。当执行机构是阀门时，相当于阀门的开度，即与阀位一一对应，因此，该式通常称为位置型PID算式。,.,26,在位置算式中，每次的输出与过去的所有状态有关，它不仅要微机对偏差进行累加， 而且当微机发生任何故障时， 会造成输出量的变化，从而大幅度地改变阀门位置，这将给安全生产带来严重后果，所以，目前微机测控系统中的PID算式常作如下的变化，采用增量式控制。 根据式，可得第k-1次采样有：,.,27,得到两次采样时输出量之差为,式中，Kp称为比例增益；KI=Kp(T/TI)称为积分系数；

12、KD=KP(TD/T)称为微分系数。,.,28,为了编程方便，可将式整理成如下形式：,u(k)=a0e(k)+a1e(k-1)+a2e(k-2),式中，,.,29,4. 控制规律的选择 长期以来，PID调节器的应用十分普遍，已为广大工程技术人员所接受和熟悉。其原因如下：PID控制是一种最优的控制算法；PID参数Kp、KI、KD相互独立，参数整定比较方便； PID算法比较简单，计算工作量较小，容易实现多回路控制。 在实际使用中，根据对象特性和负荷情况，合理选择控制规律是至关重要的。根据分析可得出如下结论： （1） 对应一阶惯性对象， 由于负荷变化不大，工艺要求不高， 可采用比例（P）控制。,.,

13、30,（2） 对于一阶惯性与纯滞后环节串联的对象， 负荷变化不大， 但控制精度要求较高，可采用比例积分（PI）控制。 例如，压力、流量、液位的控制。 （3） 对于纯滞后时间较大，负荷变化也较大，控制性能要求高的场合，可采用比例积分微分（PID）控制。例如， 蒸气温度控制、 PH值控制等。,.,31,（2） 对于一阶惯性与纯滞后环节串联的对象， 负荷变化不大， 但控制精度要求较高，可采用比例积分（PI）控制。 例如，压力、流量、液位的控制。 （3） 对于纯滞后时间较大，负荷变化也较大，控制性能要求高的场合，可采用比例积分微分（PID）控制。例如， 蒸气温度控制、 PH值控制等。,.,32,计算机

14、控制系统的组态功能：硬件组态、 软件组态。,硬件组态：常以总线式(PC或STD)工控机为主进行选择和配置。总线式工控机具有小型化、模块化、标准化、组合化、结构开放的特点，因此可根据不同的控制对象，选择相应的功能模板，组成各种不同的应用系统。,工业控制组态软件,1.主机单元 DDC系统的核心 2.输入输出单元 DDC系统的耳目、手脚 3.人机接口单元 DDC系统的窗口 4.抗干扰技术 DDC系统的安全保障,.,33,.,34,软件组态：常以工业控制组态软件为主来实现。 工业控制组态软件是标准化、规模化、商品化的通用过程控制软件，可采用菜单方式，用填表的办法，对输入、输出信号用“仪表组态”方法进行

15、软联接。简单明了、使用方便，大大减少了重复性、低层次、低水平应用软件的开发，提高了软件的使用效率和价值，提高了控制的可靠性，缩短了应用软件的开发周期。,1、控制组态,2、图形生成系统,组态软件主要包括：控制组态、图形生成系统、显示组态、I/O通道登记、单位名称登记、趋势曲线登记、报警系统登记、报表生成系统。,一般有 PID等几十种基本算法。 控制算法组态生成的两种实现方式： 模块宏方式：一个控制规律模块对应一个宏命令。 功能模块和数据结构相结合的方式。,图形画面主要是用来监控生产过程。 静态画面：反映监视对象的环境和相互关系，它的显示是不随时间的变化的。 动态画面：反映被监控对象的状态和数值等，它随现场被监控对象的变化而变化。,.,36,3、显示组态,画面显示一般分为总貌、组貌、回路画面。 显示组态操作就是构成这些画面，包括选择模拟显示表、定义显示表及显示登记方法等操作。,调节控制表、报警显示表、阀位