过程控制 第三章 整定

1、第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定3-1 控制系统整定的基本要求控制系统整定的基本要求3-2 衰减频率特性法定性分析衰减频率特性法定性分析 3-3 工程整定方法工程整定方法3-4 参数自整定参数自整定第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定3-1 控制系统整定的基本要求控制系统整定的基本要求PID广义被控对象广义被控对象给定值给定值r r被调量被调量y yeu 控制系统的控制系统的任务任务是指在控制系统的结构已经确是指在控制系统的结构已经确

2、定、控制定、控制设备设备与控制对象等都处在正常状态的情况与控制对象等都处在正常状态的情况下下, ,通过调整调节器的参数（通过调整调节器的参数（、T TI I、T TD D) )，使其与，使其与被控对象特性相匹配，以达到最佳的控制效果。被控对象特性相匹配，以达到最佳的控制效果。第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定1. 参数整定参数整定调整调节器参数的过程称为参数整定。当调节器的参数被整定调整调节器参数的过程称为参数整定。当调节器的参数被整定到使控制系统达到最佳控制效果时，称为最佳整定参数。到使控制系统达到最佳控制效果时，称为最佳整定参数。 2

3、. .参数整定的依据参数整定的依据性能指标性能指标1）单项性能指标：）单项性能指标：衰减率衰减率、超调量、过渡过程时间。、超调量、过渡过程时间。 =0.75适应于大部分允许有一些超调的工业过程。适应于大部分允许有一些超调的工业过程。 =1适用于被控对象的惯性较大，且不允许有过调的控制系统。适用于被控对象的惯性较大，且不允许有过调的控制系统。2）误差积分指标：）误差积分指标：IE、IAE、ISE、ITAE等。等。 第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定 在实际系统整定过程中，常将两种指标综合起来使用。在实际系统整定过程中，常将两种指标综合起来使

4、用。 一般先改变某些调节器参数（如比例带）使系统获得规定一般先改变某些调节器参数（如比例带）使系统获得规定的衰减率，然后再改变另外的参数使系统满足积分指标。经过的衰减率，然后再改变另外的参数使系统满足积分指标。经过多次反复调整，使系统在规定的衰减率下使选定的某一误差指多次反复调整，使系统在规定的衰减率下使选定的某一误差指标最小，从而获得调节器的最佳整定参数。标最小，从而获得调节器的最佳整定参数。 第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定3. .调节器参数整定的方法调节器参数整定的方法1）理论计算整定法：（根轨迹法、频率特性法）理论计算整定法：（

5、根轨迹法、频率特性法）基于数学基于数学模型通过计算直接求得调节器的整定参数，整定过程复杂，且模型通过计算直接求得调节器的整定参数，整定过程复杂，且往往由于被控对象是近似的，故所求得的整定参数不可靠。往往由于被控对象是近似的，故所求得的整定参数不可靠。2）工程整定法：临界比例带法、衰减曲线法、图表整定法。这）工程整定法：临界比例带法、衰减曲线法、图表整定法。这写方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似最佳写方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似最佳整定参数，因而在工程种得到广泛的应用。整定参数，因而在工程种得到广泛的应用。第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简

6、单控制系统的整定简单控制系统的整定3-2 衰减频率特性法定性分析衰减频率特性法定性分析 cp1+G (s)G (s)1,2s= - j-2m =1-em=0.75m=0.221,=0.9m=0.366 = arctg= arctgm从控制理论得知，对于二阶系统，其特征方程从控制理论得知，对于二阶系统，其特征方程若有一对共轭复根：若有一对共轭复根：对应的系统阶跃响应衰减率为对应的系统阶跃响应衰减率为 其中其中，称为系统相对稳定度，称为系统相对稳定度在根平面上有在根平面上有GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)1. .衰减频率特性和稳定度判据衰减频率特性和稳定度判据 - -jj第一篇第一篇

7、 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定- -ABO- +1,2s= - m j ocpWs = G (s)G (s)oWm, j当频率从当频率从，折线，折线AOB上的任一点可表示为上的任一点可表示为将将s的值带入系统开环传递函数的值带入系统开环传递函数得到系统的开环得到系统的开环衰减频率特性衰减频率特性对应的推广奈氏稳定性判据对应的推广奈氏稳定性判据稳定度判据为：稳定度判据为： oW soW m,js在复平面在复平面AOB折线右侧有折线右侧有p个极点，那么当频率从个极点，那么当频率从时时逆时针包围（逆时针包围（-1，j0）的圈数为）的圈数为p，则闭环系统

8、衰减率满足规定要求则闭环系统衰减率满足规定要求若若第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定 oWssss若若在复平面在复平面AOB折线右侧无极点，折线右侧无极点，变化时，变化时，不包围（不包围（-1，j0），则闭环系统衰减率满足规定要求），则闭环系统衰减率满足规定要求通过（通过（-1，j0），则闭环系统衰减率满足规定要求），则闭环系统衰减率满足规定要求包围（包围（-1，j0），则闭环系统衰减率不满足规定要求），则闭环系统衰减率不满足规定要求当频率从当频率从oW m,j- -ABOoW m,joW m,j满足特征方程：满足特征方程：01),(),

9、(jmGjmGsPsc第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定ss= (m )cspscspsMm , j Mm , j = 1m , jm , j = -1. .衰衰减频率特性法整定调节器参数减频率特性法整定调节器参数设满足设满足的特征方程为的特征方程为即：即： 求得以上满足幅值条件和相位条件的所组成的方程组便可求得以上满足幅值条件和相位条件的所组成的方程组便可得到调节器的整定参数及振荡频率。得到调节器的整定参数及振荡频率。 01),(),(jmGjmGsPsc第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系

10、统的整定CpsCpsspsKMm , j= 111K=Mm ,m , j= -1）单参数调节器的参数整定）单参数调节器的参数整定其中其中s s是由相频特性求得的。是由相频特性求得的。 求解方程组：求解方程组：（1）比例调节器）比例调节器: GC(ms,j)=KC（2）积分调节器）积分调节器:求解方程组：求解方程组：ssc2s0Cspspsspspss1 + mS=Mm , jMm , j= 1Mm ,m , jm , j= -m , j= -+ arctgm20sssS1G(m , j) = (m + j)m + j结论结论由频率特性方程组可得到：由频率特性方程组可得到：单参数调节器唯一整定参

11、数单参数调节器唯一整定参数第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定P调节和调节和I调节的相频特性调节的相频特性:pspssm , j= -m , j= -+ arctgm2对同一对象：对同一对象：相对稳定度相对稳定度m越小，系统振荡频率越高；越小，系统振荡频率越高；P调节的振荡频率比调节的振荡频率比I调节的振荡频率高。调节的振荡频率高。m=0m=0.221m=0.366-/2-01 12 24 46 65 53 3P：I：1 12 24 46 65 53 3:采用采用P调节时系统的振荡频率调节时系统的振荡频率:采用采用I调节时系统的振荡频率调节

12、时系统的振荡频率第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定2）双参数调节器的参数整定）双参数调节器的参数整定（1）PI调节调节cC10CII111G (s) = k (1+) = S +S= k +kT sssIT、 、由频率特性方程组由频率特性方程组，因此得到的解是多组解，因此得到的解是多组解 解三个变量解三个变量cspscspsMm , j Mm , j = 1m , jm , j = -=0=0=0.75=0.75=0.9=0.9T TI I= =常数常数(a)有自平衡能力的多容对象有自平衡能力的多容对象; (b)无自平衡能力的多容对象无自

13、平衡能力的多容对象=0.75=0.9=000s0s0s1s1第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定112233445567CKdK0PD控制系统的等衰减率曲线控制系统的等衰减率曲线CKdK0(n-1)阶对象n阶对象(b)Td=T(a)（2）PD调节调节DT、由频率特性方程组由频率特性方程组，因此得到的解是多组解，因此得到的解是多组解 解三个变量解三个变量cspscspsMm , j Mm , j = 1m , jm , j = -第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定PI调调节节PD调调节节

14、IPCI1K,K = KTdDPCKT ,K = K第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定 综上分析可看到，用这种理论的整定方法整定调节器参综上分析可看到，用这种理论的整定方法整定调节器参数，当调节器的参数超过一个时，整定是非常麻烦的，计算数，当调节器的参数超过一个时，整定是非常麻烦的，计算量很大实用价值不高。但它可建立调节器整定参数与被控对量很大实用价值不高。但它可建立调节器整定参数与被控对象动态特性参数之间的关系，为工程整定的经验公式提供理象动态特性参数之间的关系，为工程整定的经验公式提供理论依据。论依据。 第一篇第一篇 简单控制系统简单

15、控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定3-3 工程整定方法工程整定方法1. .动态特性参数法（离线整定、开环整定）动态特性参数法（离线整定、开环整定）-sKG(s) =e =Ts +1自衡对象：自衡对象：非自衡对象：非自衡对象：-s11G(s) =e =TsT齐勒格齐勒格(Ziegler)-尼科尔斯尼科尔斯(Nichols)整定公式（整定公式（=0.75=0.75）T TD DT TI IPPIPID 1.10.8 5 3.32.0 0.5 规律规律参数参数第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定 齐勒格齐勒格-尼科尔斯整

16、定公式比较粗糙，经过不断改进，广为流尼科尔斯整定公式比较粗糙，经过不断改进，广为流传的是科恩传的是科恩-库恩公式（自衡对象库恩公式（自衡对象=0.75）第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定 随着仿真技术的发展，又有以积分指标为辅助系统性能指随着仿真技术的发展，又有以积分指标为辅助系统性能指标的调节器最佳参数整定公式，如教材表标的调节器最佳参数整定公式，如教材表3.2（针对自衡对象）（针对自衡对象）第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定2. .稳定边界法（临界比例带法）闭环试验法稳定边界法（

17、临界比例带法）闭环试验法T TD DT TI IPPIPIDcr2cr2.2cr1.67cr0.85TTcr0.5Tcr0.125规律规律参数参数TcrcrcrT和 使调节器为纯比例规律，且使调节器为纯比例规律，且比例带较大；比例带较大；使系统闭环，待稳定后，逐使系统闭环，待稳定后，逐步减小比例带，当系统出现等步减小比例带，当系统出现等幅震荡时，记下幅震荡时，记下GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)查表查表3.3第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定注意：注意： 适于临界稳定时振幅不大，周期较长（适于临界稳定时振幅不大，周期较长（T

18、cr30s）的系统，对象）的系统，对象的的 和和T T较小不适用；较小不适用； T较大的单容对象因采用较大的单容对象因采用P调节时，系统调节时，系统永远稳定，也不适用永远稳定，也不适用对于非自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率对于非自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75对于自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率对于自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75对于某些中性稳定对象，不能使用此法对于某些中性稳定对象，不能使用此法第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定3. .衰减曲线法衰减曲线法 闭环试验法闭环试

19、验法rsssTT和或和 使调节器为纯比例规律，且使调节器为纯比例规律，且比例带较大；比例带较大；使系统闭环，待稳定后，逐步使系统闭环，待稳定后，逐步减小比例带，当系统出现衰减减小比例带，当系统出现衰减振荡时（振荡时（=0.75 =0.75 ，=0.9=0.9） ，计下计下GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)TsTr第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定查表查表3.4T TD DT TI IPPIPIDss1.2s0.8s0.5Ts3T0.s0.1T规律规律参数参数=0.75=0.75=0.9=0.9T TD DT TI IPPIPI

20、Dss1.2s0.8r2Tr1.2Tr0.4T规律规律参数参数注意：注意：对于扰动频繁而过程又较快的系统，对于扰动频繁而过程又较快的系统，Ts的测量不易准确，的测量不易准确，因此给参数整定带来误差。因此给参数整定带来误差。第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 第三章第三章 简单控制系统的整定简单控制系统的整定4. .经验法经验法 先根据经验确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运先根据经验确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为加入阶跃扰动（通常为调节器设定值扰动），行，然后人为加入阶跃扰动（通常为调节器设定值扰动），观察被调量或调节器输出曲线变化，并依照调节器各参数对观察被调量或调节器输出曲线变化，并依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的参数，一般先整定调节过程的影响，改变相应的参数，一般先整定，再整定，再整定TI和和TD，如此反复试验多次，直到获得满意的阶跃响