自动化仪表与过程第六章控制器

1、控制器控制器第六章第六章 基本控制规律及其对控制过程的影响基本控制规律及其对控制过程的影响 回忆回忆：控制器作用 基本控制规律概述基本控制规律概述 控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。在控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。在单回路定值控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产单回路定值控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即：生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即：giXXe 式中式中e e偏差偏差 X Xi i被控变量的测量值被控变量的测量值 X X

2、g g被控变量的给定值被控变量的给定值 控制器的输出信号是相对于控制器输入信号控制器的输出信号是相对于控制器输入信号e e的输出的变化量的输出的变化量yy。如果输入如果输入e e与输出与输出yy的变化方向相同，则称控制器为正作用控制器；反的变化方向相同，则称控制器为正作用控制器；反之，如果输入之，如果输入e e与输出与输出yy变化方向相反，则称控制器为反作用控制器。变化方向相反，则称控制器为反作用控制器。 控制规律概述控制规律概述 PIDPID控制器的一般形式为：控制器的一般形式为：y yf(e) f(e) 几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表

3、示为：eKyP比例作用（比例作用（P P） )1(0edtTeKytIP比例积分作用（比例积分作用（PIPI） )(dtdeTeKyDP比例微分作用（比例微分作用（PDPD） )1(0dtdeTedtTeKyDtIP比例积分微分作用（比例积分微分作用（PIDPID）K KP P控制器的比例增益；控制器的比例增益； T TI I控制器的积分时间；控制器的积分时间； T TD D控制器的微分时间控制器的微分时间； 控制规律的表示形式控制规律的表示形式ey KPe t t式中 y-为控制器的输出; e-为控制器的输入; KP为比例增益， 表征比例控制作用的强弱程度。 比例控制器的阶跃响应特性PIDP

4、ID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 比例控制规律对控制过程的影响比例控制规律对控制过程的影响比例控制的输出与输入的关系为yKP e通常习惯用比例增益的倒数即比例度表示控制器的输入与输出之间的比例关系以及比例作用的强弱。比例度可表示为 =1/KP 越大，比例控制作用越弱，越大，比例控制作用越弱，越小，比例控制作用越强越小，比例控制作用越强。PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响比比例例度度对对控控制制过过程程的的影影响响比例度的选择原则比例度的选择原则: : 若对象的滞后较若对象的滞后较小，时间常数较大以小，时间常数较大以及放大倍数较小，那及放大倍数较小，

5、那么可以选择小的比例么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳之，为保证系统的稳定性，就要选择大的定性，就要选择大的比例度来保证稳定比例度来保证稳定。 dteTytI01 积分作用数学表达式为PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 比例积分控制规律对控制过程的影响比例积分控制规律对控制过程的影响t te y式中TI是积分常数，表示积分速度的大小和积分作用的强弱。积分作用能够消除余差积分作用能够消除余差与比例控制相比，积分控制过渡过程比较缓慢与比例控制相比，积分控制过渡过程

6、比较缓慢PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 在阶跃信号作用下（幅值为A)ATtKAKATtKyIPPIP)1 (PI输出响应由比例和积分两部分组成 当 t=TI y= 2KPA)1e (K0PdteTytIPI控制器的输出随时间变化的表达式为t yI=yPtypPe yTI由此可确定积分常数。积分常数越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。积分常数越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。积分时间积分时间T TI I的物理意义：的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。比例作用的输出所经历

7、的时间。 PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响积积分分时时间间对对过过渡渡过过程程的的影影响响左图表示在同样比例度下左图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线可以看响。由图中曲线可以看出，出，TITI过大时积分作用不过大时积分作用不明显，余差消除地也慢，明显，余差消除地也慢，从图中曲线、可以看从图中曲线、可以看出，出，TITI较小时易于消除余较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。差，但系统的振荡加剧。相比之下，曲线就比较相比之下，曲线就比较理想。理想。 理想微分控制器的输出与输入信号的关系为： 在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无

8、穷大，其余时间输出为零。et0t0ttdtdeTyDPIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 比例微分控制规律对过渡过程的影响比例微分控制规律对过渡过程的影响比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间成正比。微分时间越长，微分作用越强。 微分时间 对PID控制器而言，当积分时间TI时，控制器呈PD控制特性。此时输出与输入的关系如式所示。 tety理想PD控制器的阶跃响应曲线)(dtdeTeKyDP 比例微分控制规律比例微分控制规律PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响微微分分时时间间对对过过渡

9、渡过过程程的的影影响响PD控制优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。PD控制不足之处：一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。 PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，从控制效果看，是比较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响应曲线的叠加。 PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，但并非任何

10、情况下都可采用PID三作用控制器。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。PID阶跃响应特性曲线 PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 比例积分微分控制规律DDZ-DDZ-型控制器型控制器 DDZ-DDZ-型型PIDPID控制器的特点：控制器的特点： 元器件以线性集成电路为主，大大提高了可靠性，降低了功耗；提高了控制器的操作性能；易于控制器功能的扩展;采用安全火花防爆措施，提高了稳定性和可靠性。同时，DDZ-型PID控制器中采用的运算放大器是高增益高输入阻抗的，因此具有较高的积分增益和良好的保持特

11、性。 DDZ-型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器 偏差指示控制器 PIDPID控制器的组成原理控制器的组成原理 PID控制器组成框图 IDID控制器的特性分析控制器的特性分析 主要作用主要作用: : 对输入信号和给定信号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以10V参考电压为基准的输出电压信号。)(201siVVVVBIC1R1R6+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT 输入电路输入电路图中以零伏（地）为基准的测量信号Vi和给定信号VS，反相地加到运算放大器IC1的两个输入端，电路的输出是已经进行了电平移动的以VB=10V为基准的电

12、压信号VO1。同相端：设 为理想运放， ，开环增益为Ri反相端：123FO1BBiFF154FiO1B01()20RRR1132 IIIVVVVV VVVVV2V对于理想运放,VVFTVVVVVVV2VVVVVBSiBiSO1BO1iBS22213131123STTTB236236TSB0013I I IVVVVVRRRRRRVVVVBIC1R1R6+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FTIC1 IDID控制器的特性分析控制器的特性分析 RP1aR1RD断CDV02KIC21K9.1K通+V01VBVBRP1aV02IC2+VTRDCD1K9.1KV01VB 比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号VO1进行比例微分运算。电路如图所示。将PD电路分为无源比例微分网络图和比例运算电路图两部分单独进行分析。无源比例微分网络 比例电路 微分电路构成 充电结束时， 9.1K电阻上的电压全部加到电容CD上，此时 VCD（）= VO1 并保持该值不变。 比例微分电路的输出信号VO与VT成简单的比例放大关系，因为比例系数为，所以有 VOVO1 PDPD电路电路IDID控制器的特性分析控制器的特性分析 PI电路的作用是对PD电路的输出信号VO2进行比例积分运算，然后输出以10V为基准的15V