过程控制课件 - 第5节

1、Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-161第五章第五章 简单控制系统设计简单控制系统设计Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-162上一节课 ：解析法、实验法建模Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-163单容过程212( )( )( )11H sRKG sQ sR CsTs纯滞后Beijing University of Posts and Telecommu

2、nications2021-10-164多容过程 111)()(23112sTRsTsQsHsGBeijing University of Posts and Telecommunications2021-10-165实验法建模实验法建模Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-166方波响应曲线法方波响应曲线法Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1675.1 简单控制系统设计简单控制系统设计简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环

3、控制系统。简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基本的过程控制系统是最基本的过程控制系统, ,是构成复杂过程控制系统的基础。是构成复杂过程控制系统的基础。广义对象Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-168Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1695.2 控制方案的确定控制方案的确定控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制

4、参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。、反作用的确定等内容。 5.2.1 5.2.1 被控参数的选取被控参数的选取 1 1）决定性作用的、直接参数作为被控参数）决定性作用的、直接参数作为被控参数 2 2）与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数）与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数 3 3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度4 4）考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后

5、服务等因素）考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素 对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16105.2.2 5.2.2 控制参数的选择控制参数的选择 5.2.2.1 5.2.2.1 过程特性对控制质量的影响过程特性对控制质量的影响 1. 1. 干扰通道特性对控制质量的影响干扰通道特性对控制质量的影响R(s)= 0Beijing University of Posts

6、and Telecommunications2021-10-1611假设假设)(sGf为一单容过程，其传递函数为为一单容过程，其传递函数为 1)(sTKsGfff若单容过程具有纯时延时间若单容过程具有纯时延时间f则：则：则：则：( (式式2)2)( (式式3)3)系统输出与干扰之间的传递函数为系统输出与干扰之间的传递函数为 ( (式式1)1)()()()(1)()()(sHsGsGsGsGsFsCovcf1)()()()(11)()(sTKsHsGsGsGsFsCffovcsffovcfesTKsHsGsGsGsFsC1)()()()(11)()(Beijing University of P

7、osts and Telecommunications2021-10-1612fK(1)(1)干扰通道干扰通道 的影响：的影响：fK越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。在系统设计时应尽可能选择静态增益在系统设计时应尽可能选择静态增益 fK小的干扰通道，以减小干扰对被控参数小的干扰通道，以减小干扰对被控参数的影响。的影响。( (式式2)2)1)()()()(11)()(sTKsHsGsGsGsFsCffovc(2) (2) 干扰通道干扰通道 的影响的影响fT)(sGf为惯性环节，对干扰为惯性环节，对干扰 )(sF具有具有

8、“滤波滤波”作用，作用， fT越大，越大，“滤波滤波” 效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越小，因而越有利于系统控制质量的提高。小，因而越有利于系统控制质量的提高。 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1613(3) (3) 干扰通道干扰通道 的影响的影响ff的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间 f因此，因此，f的存在并不影响系统的控制质量。的存在并不影响系统的控制质量

9、。sffovcfesTKsHsGsGsGsFsC1)()()()(11)()( (式式3)3)Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1614(4) (4) 干扰进入系统位置的影响干扰进入系统位置的影响 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1615干扰进入系统的干扰进入系统的位置越远离被控位置越远离被控参数，对系统的参数，对系统的动态控制质量越动态控制质量越有利。有利。但从静态看，这但从静态看，这会使干扰引起被会使干扰引起被控参数偏离给定控

10、参数偏离给定值的偏差相对增值的偏差相对增大，这对系统的大，这对系统的控制品质又是不控制品质又是不利的。因此需要利的。因此需要权衡它们的利弊。权衡它们的利弊。 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1616(1) (1) 控制通道控制通道 2. 2. 控制通道特性对控制质量的影响控制通道特性对控制质量的影响 0K的影响的影响 (2) (2) 控制通道控制通道 0T的影响的影响 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1617产生的原因：产生的原

11、因： 0(3) (3) 控制通道控制通道 的影响的影响 控制通道纯滞后时间控制通道纯滞后时间 0一是由信号传输滞后所致；一是由信号传输滞后所致； 二是由信号的测量变送滞后所致；二是由信号的测量变送滞后所致； 三是执行器的动作滞后所致。三是执行器的动作滞后所致。 3 . 000TBeijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1618控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制质量下降。从系统的频率特性分析可知，控制通道纯滞后的存在，会增

12、加开环质量下降。从系统的频率特性分析可知，控制通道纯滞后的存在，会增加开环频率特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。因此，无论如何，应减小控制频率特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。因此，无论如何，应减小控制通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。 (4) (4) 控制通道时间常数匹配的影响控制通道时间常数匹配的影响 实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。以三阶为例以三阶为例 ) 1)(1)(1()(32100sTsTsTKsG系统传函为：系统传函为：Beij

13、ing University of Posts and Telecommunications2021-10-1619相应的临界稳定增益相应的临界稳定增益 KK为为3113122332212TTTTTTTTTTTTKK的大小完全取决于的大小完全取决于 KK1T2T3T三个时间常数的相对比值三个时间常数的相对比值 可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是利的。定性是利的。 在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益就在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益就允许增大得越多，因

14、而对系统的控制质量就越有利。允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16205.2.2.2 5.2.2.2 控制参数的确定控制参数的确定 简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下：简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下： 1) 1) 选择结果应使控制通道的静态增益选择结果应使控制通道的静态增益 0K尽可能大，时间常数尽可能大，时间常数 0T选择适当。选择适当。 2) 2) 控制通道的纯时延时间控制通道的纯时延时间 0应尽可能小应尽可能小, , 0T0和和的比值一般应小于的

15、比值一般应小于0.30.3。 3) 3) 干扰通道的静态增益干扰通道的静态增益 fK应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数 fT应尽可能大，其个数应尽可能大，其个数尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。 4) 4) 当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。常数中的最大与最小的比

16、值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16215.2.3 5.2.3 被控参数的测量与变送被控参数的测量与变送 在控制系统中，测量变送环节的作用是将被控参数转换为统一的标准信号在控制系统中，测量变送环节的作用是将被控参数转换为统一的标准信号反馈给调节器。该环节的特性可近似表示为反馈给调节器。该环节的特性可近似表示为smesTKsXsYmm1)()(分别为测量及变送环节的静态增益、时间常数和纯时延时间。分别为测量及变送环节的静态增益、时间常数和纯时延时间。 mKmTm测量及变送环

17、节是一个带有纯时延的惯性环节，因而当测量及变送环节是一个带有纯时延的惯性环节，因而当 mTm不为零时不为零时它的输出不能及时地反映被测信号的变化，二者之间必然存在动态偏差。它的输出不能及时地反映被测信号的变化，二者之间必然存在动态偏差。 而且这种动态偏差并不会因为检测仪表的精度等级的提高而减小或消除。而且这种动态偏差并不会因为检测仪表的精度等级的提高而减小或消除。 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1622下图是测量变送环节在阶跃信号作用和速度信号作用时的响应曲线下图是测量变送环节在阶跃信号作用和速度信号作用时的

18、响应曲线: : 从图中可以看到只要从图中可以看到只要 mTm存在，存在， 动态偏差就会必然存在。动态偏差就会必然存在。 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1623为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能选择快速测量仪表，为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能选择快速测量仪表，并且注意以下几点问题：并且注意以下几点问题：1) 1) 应尽可能做到对测量仪表的正确安装，这是因为安装不当会引起不必要的应尽可能做到对测量仪表的正确安装，这是因为安装不当会引起不必要的测量误差，降低仪表的测量精度；测量误

19、差，降低仪表的测量精度；2) 2) 对测量信号应进行滤波和线性化处理；对测量信号应进行滤波和线性化处理；3) 3) 对纯滞后要尽可能进行补偿；对纯滞后要尽可能进行补偿； 4) 4) 对时间常数对时间常数 mT的影响要尽可能消除。为了克服其影响，在系统设计时，的影响要尽可能消除。为了克服其影响，在系统设计时，可以尽量选用快速测量仪表，也可以在测量变送环节的输出端串联微分环节可以尽量选用快速测量仪表，也可以在测量变送环节的输出端串联微分环节 示意图：示意图： 输出与输入关系输出与输入关系 1) 1()()(sTsTKsxsymDmBeijing University of Posts and Te

20、lecommunications2021-10-1624理想理想PIDPID的增量式数学表达式的增量式数学表达式 ：dttdeTdtteTteKtuDIc)()(1)()()(tu为调节器输出的增量值，为调节器输出的增量值，)(te为被控参数与给定值之差。为被控参数与给定值之差。 传递函数形式：传递函数形式：第一项为比例（第一项为比例（P P）部分，第二项为积分（）部分，第二项为积分（I I）部分，第三项为微分（）部分，第三项为微分（D D）部分；）部分；cK为调节器的比例增益，为调节器的比例增益，IT为积分时间（以为积分时间（以s s或或minmin为单位）为单位）DT为微分时间（也以为微分

21、时间（也以s s或或minmin为单位）。为单位）。 5.2.4 5.2.4 调节规律对调节质量的影响及其选择调节规律对调节质量的影响及其选择 PIDPID： 原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广 )11 ()()()(STTKsEsUsGDIccBeijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16251 1比例（比例（P P）调节规律的影响）调节规律的影响 eKuCu u为调节器的输出为调节器的输出e e为调节器的输入为调节器的输入 CK为比例增益为比例增益 Beijing Unive

22、rsity of Posts and Telecommunications2021-10-1626如果如果e = 0e = 0，则活塞无法提高，则活塞无法提高，Q Q1 1无法加大，调节无法进行。无法加大，调节无法进行。例例 自力式水位比例控制系统自力式水位比例控制系统浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻Q Q2 2加加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使Q Q1 1加大阻止水位下降。加大阻止水位下降。杠杆杠杆a a、b b之比例关系，决定调节作用强弱。之比例关系，决定调

23、节作用强弱。CyK eBeijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1627Q Q2 2h ht te ep pQ Q1 1t tt tt tt t原来系统处于平衡，进水量与出水量原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。相等，此时进水阀有一开度。t=0t=0时，出水量阶跃增加，引起液位时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。下降，浮球下移带动进水阀开大。当进水量增加到与出水量相等时，系当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。统重新平衡，液位也不再变化。 Beijing

24、University of Posts and Telecommunications2021-10-1628eKuC习惯用比例增益的倒数表示习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比调节器输入与输出之间的比例关系例关系eu11100%CK称为比例度称为比例度 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1629所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。化值之比，用百分数表示。maxminmaxmineu(/) 100

25、%eeuu 式中式中e e为输入偏差；为输入偏差；u u为控制器输出的变化量；为控制器输出的变化量；（e emaxmax - e - eminmin）为输入的最大变化量）为输入的最大变化量, ,及输入量程；及输入量程；（u umaxmax u uminmin）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。比例度除了表示控制器输入和输出之间的增益外，还表明比例作用的比例度除了表示控制器输入和输出之间的增益外，还表明比例作用的有效区间。有效区间。Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1

26、630比例度比例度的物理意义：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化100%100%时，所对应的偏差变化相对量。如时，所对应的偏差变化相对量。如 =50% =50%表明：表明：输入偏差变化输入偏差变化50% 50% ，就可使，就可使控制器输出变化控制器输出变化100%100%，若输，若输入偏差变化超过此量，则控入偏差变化超过此量，则控制器输出饱和，不再符合比制器输出饱和，不再符合比例关系。例关系。u ue ee er r0 0100%100%50%50%e emaxmaxe eminmin =50%=50% =100%=100%Beijing University of Posts an

27、d Telecommunications2021-10-1631例例 某比例控制器，温度控制范围为某比例控制器，温度控制范围为400400800800，输出信号范围是，输出信号范围是4 420mA20mA。当指示指针从。当指示指针从600600变到变到700700时，控制器相应的输出从时，控制器相应的输出从8mA8mA变为变为16mA16mA。求设定的比例度。求设定的比例度。700 60016 8800400204/100%解解maxmaxeueu/100%50%答答 温度的偏差在输入量程的温度的偏差在输入量程的5050区间内（即区间内（即200200）时，）时，e e和和u u是是2 2倍的

28、关系。倍的关系。u/mAu/mAe/e/e e4 4202080080040040016168 8600600 700700Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1632 振荡逐渐加剧振荡逐渐加剧越小，控制过程曲线越越小，控制过程曲线越振荡，周期缩短。振荡，周期缩短。越大，控制过程曲线越越大，控制过程曲线越平稳，但控制过程时间平稳，但控制过程时间越长，余差也越大。越长，余差也越大。Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1633对下图的比例调

29、节作用于一阶惯性过程进行分析：对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：111)1 ()()(0000TsKsKKTKKKKsRsCCCCCCCKKTTKKKKK00001,1T与与0T相比，减小了相比，减小了 0(1)CK K倍，倍， CK越大，越大，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。的增大则会使系统的稳定性下降。的增大则会使系统的稳定性下降。CK但但 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1634当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：当被控对象为惯性特性时，单

30、纯比例调节有如下结论： 1) 1) 比例调节是一种有差调节，即当调节器采用比例调节规律时，不可避免地比例调节是一种有差调节，即当调节器采用比例调节规律时，不可避免地会使系统存在稳态误差。这是因为比例调节器是利用偏差实现控制的，它会使系统存在稳态误差。这是因为比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。只能使系统输出近似跟踪给定值。2) 2) 比例调节系统的稳态误差随比例度的增大而增大，若要减小误差，则要减比例调节系统的稳态误差随比例度的增大而增大，若要减小误差，则要减小比例度，即需要增大调节器的放大倍数小比例度，即需要增大调节器的放大倍数CK这样往往会降低系统稳定性这样往往

31、会降低系统稳定性 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16353) 3) 对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增给定值实现有差跟踪；当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。大而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。 4) 4) 增大比例调节的增益增大比例调节的增益 CK不仅可以减小系统的不仅可以减小

32、系统的稳态误差，而且稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。还可以加快系统的响应速度。Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16362.2.积分（积分（I I）调节规律的影响）调节规律的影响在积分调节（简称在积分调节（简称I I调节）中，调节器的输出信号调节）中，调节器的输出信号u u与输入偏差信号与输入偏差信号e e的积分成的积分成正比关系正比关系: :001uSttIIedtedtT当输入偏差当输入偏差e e是幅值为是幅值为e e 的阶跃时：的阶跃时：01euetIIdttTTeEttuBeijing Unive

33、rsity of Posts and Telecommunications2021-10-1637 积分时间积分时间T TI I 对过渡过程的影响对过渡过程的影响T TI I越大，积分作用越弱，越大，积分作用越弱， T TI I = = ，积分作用为零。积分作用为零。T TI I减小，积分作用增减小，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降。强，系统振荡加剧，稳定性下降。如果如果T T1 1适当，系统能很快消除余差。适当，系统能很快消除余差。001uSttIIedtedtTBeijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1638

34、当被控系统在负载扰动下的调节过程结束后，系统的静差虽然已不存在，当被控系统在负载扰动下的调节过程结束后，系统的静差虽然已不存在，但调节阀却会停留在新的开度上不变。但调节阀却会停留在新的开度上不变。 积分调节是牺牲了动态品质而使稳态性能得到改善的。积分调节是牺牲了动态品质而使稳态性能得到改善的。 积分调节可得如下结论：积分调节可得如下结论： 1) 1) 采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。 2) 2) 与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对

35、缓慢，系统的稳定性变差。Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1639实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，组成所谓的实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，组成所谓的PIPI调节器，调节器，PIPI调节器的输入调节器的输入/ /输出关系为：输出关系为： )1(100tItICCedtTeedtTKeKuCK1IT为积分时间。为积分时间。PIPI调节器的传递函数为调节器的传递函数为 )11(1)()()(sTsEsUsGICPIPI调节器的阶跃响应曲线如右图调节器的阶跃响应曲线如右图Beijin

36、g University of Posts and Telecommunications2021-10-1640从上图可以看出：从上图可以看出：PIPI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。但是，由于差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。但是，由于PIPI调节给系统增加调节给系统增加了相位滞后，与单纯比例调节相比，了相位滞后，与单纯比例调节相比，PIPI调节的稳定性相对变差。调节的稳定性相对变差。此外，积分调节还有另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节器就会不停地此外，积分调节还有另外一个缺点

37、，即只要偏差不为零，调节器就会不停地积分使输出增加（或减小），从而导致调节器输出进入深度饱和，调节器失积分使输出增加（或减小），从而导致调节器输出进入深度饱和，调节器失去调节作用。因此，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。去调节作用。因此，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1641积分饱和特性积分饱和特性sTKsTKsGIIICC1111)(比例积分调节器的阶跃响应特性比例积分调节器的阶跃响应特性 称为称为PIPI调节器的积分增益，它调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信

38、号输入下，其输出定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。变化之比。 IK)11(1)()()(sTsEsUsGICBeijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16423.3.微分（微分（D D）调节规律的影响）调节规律的影响微分调节器的输入微分调节器的输入/ /输出关系为输出关系为 微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调

39、量出现偏差之后才动作，而是被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据变化趋势提前动作。根据变化趋势提前动作。 u(t)DdeTdtT TD D 微分时间微分时间 dtde 偏差变化速度偏差变化速度 eettutuBeijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1643q 微分作用能超前控制。在偏差出微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。态之中。q微分对静态偏差毫无控

40、制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和出为零，因此不能单独使用。必须和P P或或PIPI结合，组成结合，组成PDPD控制或控制或PIDPID控制。控制。v 微分控制的特点微分控制的特点e eE Et tt tu uBeijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16444. PD4. PD调节规律的影响调节规律的影响 u ut tT TD D2aT2aTD D/ /aTaTD D/ /e et ta a若偏差是系数为若偏差是系数为a a的

41、斜坡信号的斜坡信号: :ate )(1dtdeTeuD)(DTtau输出输出: :Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16454. PD4. PD调节规律的影响调节规律的影响 )1 (1dtdeTuDsKTsTKsGDDDCC11)(DK称为称为PDPD调节器的微分增益，它定义调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。输出变化之比。 Beijing University of Posts and Te

42、lecommunications2021-10-1646u uu uu ut tt tt tu ut t T TD D较小，控制速度稍较小，控制速度稍有加快有加快 T TD D=0=0，纯比例控，纯比例控制过程制过程T TD D太大，出现等幅振太大，出现等幅振荡荡 T TD D合适，控制速度明合适，控制速度明显加快显加快 微分时间微分时间T TD D 对过渡过程的影响对过渡过程的影响)1 (1dtdeTuDBeijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1647运用控制理论的知识分析运用控制理论的知识分析PDPD调节规律，可以

43、得出以下结论：调节规律，可以得出以下结论： 1 1） PDPD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下， dtde为零，微分部分不为零，微分部分不起作用，起作用，PDPD调节变成了调节变成了P P调节。调节。2 2） PDPD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。 3 3） PDPD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。 4 4） PDPD调节的不足：首先，调节的不足：首先，PDPD调节一般只适用于时间常数

44、较大或多容过调节一般只适用于时间常数较大或多容过程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-16485. PID5. PID调节规律的影响调节规律的影响 011()tDIdeueedt TTdt其相应的传递函数为其相应的传递函数为: :)11 (1)(sTsTsGDIC由传递函数可知，

45、由传递函数可知，PIDPID是比例、积分、微分调节规律的线性组合，是一种是比例、积分、微分调节规律的线性组合，是一种比较理想的复合调节规律。与比较理想的复合调节规律。与PDPD相比，相比，PIDPID提高了系统的无差度；与提高了系统的无差度；与PIPI相相比，比，PIDPID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，PIDPID兼顾兼顾了静态和动态两方面的控制要求。了静态和动态两方面的控制要求。 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1649q PID PID控制

46、控制比例作用是基础控制；比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统微分作用是用于加快系统控制速度；控制速度；积分作用是用于消除静差。积分作用是用于消除静差。PIDPID调节器的阶跃响应特性调节器的阶跃响应特性 Beijing University of Posts and Telecommunications2021-10-1650控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：控制系统在不同调节作用下的典型响应如下： 可以看到，如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当采用比例控可以看到，如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当采用比例控制后，则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积分控制作用后，则制后，则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积分控制作用后，则消除了稳态误差，但却容易使过程产生振荡；在增加微分作用以后则可以减小消除了稳态误差，但却容易使过程产生振荡；在增加微分作用以后则可以减小振荡的程度和响应时间。振荡的程度和响应时间。 虽然虽然PIDPID调节器的调节效果比较理想，但是调节器的调节效果比较理想，但是PIDPID调节器要整定调节器