过程控制第四节.ppt

1、过程控制过程控制 主讲：孙鑫主讲：孙鑫Email:Email:1孙鑫焦炭的生产过程2孙鑫纸机工艺流程 3孙鑫调节器的作用 把测量值和给定值进行比较，得出偏差后，根据一定的调节规律产生输出信号，推动执行器，对生产过程进行自动调节。4孙鑫第二章第二章 调节器调节器21调节器的调节规律调节器的调节规律22PID运算电路运算电路23PID调节器的阶跃响应和频率特性调节器的阶跃响应和频率特性24数字控制算法数字控制算法25单回路可编程序控制器单回路可编程序控制器5孙鑫第一节第一节调节器的调节规律调节器的调节规律 n 调节器分类：两位式调节器连续变化调节器6孙鑫第一节第一节调节器的调节规律调节器的调节规律

2、 调节规律：即调节器的输出量和输入量（偏差信号）之间所具有的函数关系。调节器的调节规律表示：可用微分方程式；传递函数；频率特性及时间特性等表示。7孙鑫第一节第一节调节器的调节规律调节器的调节规律 8孙鑫第一节第一节调节器的调节规律调节器的调节规律 微分方程式表示：传递函数表示：频率特性表示：时间特性：阶跃响应特性曲线。9孙鑫(1)调节规律调节规律(P)比例调节器：q比例动作的调节器对干扰有及时而有力的抑制作用。q存在静态误差,不能做无静差调节10孙鑫比例（比例（P P）作用：作用：假设在初始稳态（平衡工况）条件下，有当 时，在外界扰动影响下，实际各变量为：(1)(1)调节规律调节规律 (P)(

3、P)11孙鑫 比例控制算法比例控制算法考虑设定值阶跃扰动，在 下，有式：在稳态条件下，即当 时，设定值阶跃输入导致的稳态偏差为：以上结果也可直接从静态比例控制系统结构方框静态比例控制系统结构方框图图获得。由上式可以看到，控制器的直流增益越大，控制稳态误差越小。12孙鑫比例控制器比例控制器n比例控制器存在稳态偏差实际控制器输出为：其中，为稳态直流分量，称为“比例增益”。13孙鑫(2)调节规律调节规律(I)积分调节器：q只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。q输出将停在新 的位置而不复原位，保持静差为零。q克服偏差的动作迟缓，动态品质变坏，过渡过程时间延长，甚至造成系

4、统不稳定。14孙鑫积分作用（I)：在阶跃输入下，积分 作用的响应曲线为：(2)调节规律调节规律(I)线性增加保持特性15孙鑫(3)调节规律调节规律(PI)比例积分调节器：q比例作用的及时性与积分作用消除静差的优点相结合。16孙鑫积分作用积分作用：消除稳态误差时域上看：只要有偏差，就要积分；频域上看：(3)调节规律调节规律(PI)17孙鑫n比例积分控制器的阶跃响应特性：定义：为“积分时间常数积分时间常数”，其含义是：在单位阶跃偏差输入条件下，每过一个积分时间常数时间，积分项产生一个比例作用的效果(3)调节规律调节规律(PI)18孙鑫(4)调节规律调节规律(D)微分调节规律：q偏差变化的瞬间，即产

5、生强烈的调节作用，使偏差尽快的消除。q对静差毫无抑制能力，不能单独使用19孙鑫(4)调节规律调节规律(D)微分调节规律：20孙鑫比例微分作用比例微分作用：时域上看：稳态偏差为0，控制量就为0，频域上看：(5)调节规律调节规律(PD)21孙鑫n比例微分控制器的阶跃响应特性 在斜坡输入条件下，要达到同样的u(t)，PD作用要比单纯P作用快，提前的时间就是Td。(5)调节规律调节规律(PD)22孙鑫(6)调节规律调节规律(PID)比例积分微分调节器：q微分作用：加快系统的动作速度，减小超调，克服振荡。q积分作用：消除静差q三都结合，可达到快速敏捷，平稳准确23孙鑫 基本基本PIDPID控制算法小结控

6、制算法小结P：PID：PI：24孙鑫PID控制算法的局限性工业中的难控过程或对象工业中的难控过程或对象:n大时延过程（传输延迟过大）;n时变对象（如变增益过程等）;n多变量（强）耦合过程;n高阶振荡对象n严重非线性过程（如PH值中和反应）;一般不能用二阶或者一阶惯性加纯滞后对象近似描述的过程均属于难控过程。25孙鑫(7)PID 调节规律的MATLAB演示26孙鑫27孙鑫对象传递函数对象：G0(s)=YU28孙鑫控制目标：nFast rise time nMinimum overshoot nNo steady-state error29孙鑫开开环环 Open-loop step respons

7、enum=1;den=11020;step(num,den)steady-state error of 0.95,rise time is about 1s,settling time is about 1.5s30孙鑫比例控制比例控制 Proportional controln闭环传递函数 G0(s)G(s)31孙鑫P 闭环响应nKp=100;nnum=Kp;nden=11020+Kp;nt=0:0.01:2;nstep(num,den,t)减小静差，减少上升时间，增加超调decreased the settling time by small amount.32孙鑫Proportional

8、-Derivative controlG(s)G0(s)33孙鑫PD 闭环响应Kp=300;Kd=10;num=KdKp;den=110+Kd20+Kp;t=0:0.01:2;step(num,den,t)减小超调，减小调节时间,small effect on the rise time and the steady-state error.34孙鑫Proportional-Integral controln G0(s)G(s)35孙鑫PI 闭环响应Kp=30;Ki=70;num=KpKi;den=11020+KpKi;t=0:0.01:2;step(num,den,t)增加超调(同比例).消

9、除静差。36孙鑫Proportional-Integral-Derivative controlG(s)G0(s)37孙鑫Kp=350;Ki=300;Kd=5500;num=KdKpKi;den=110+Kd20+KpKi;t=0:0.01:2;step(num,den,t)no overshoot,fast rise time,and no steady-state error38孙鑫General tips 1.Obtain an open-loop response and determine what needs to be improved 2.Add a proportional

10、control to improve the rise time 3.Add a derivative control to improve the overshoot 4.Add an integral control to eliminate the steady-state error 5.Adjust each of Kp,Ki,and Kd until you obtain a desired overall response.39孙鑫P、I、D 调节规律CLRESPONSERISETIMEOVERSHOOTSETTLINGTIMES-SERRORKpDecreaseIncrease

11、Small ChangeDecreaseKiDecreaseIncreaseIncreaseEliminateKdSmall ChangeDecreaseDecreaseSmall Change40孙鑫思考题：n由于放大器的开环增益为有限值，所以调节器的输出不可能无限增大n当比例积分调节器输出达到最大值，而偏差仍不为零时 会出现什么现象？41孙鑫第二节第二节PID运算电路运算电路 当A足够大时42孙鑫(1)比例积分运算电路比例积分运算电路输入电路、反馈电路输入输出电压以VB为基准起算 43孙鑫(1)比例积分运算电路比例积分运算电路放大器增益很高输出阻抗小，输入阻抗高 44孙鑫(1)比例积分运算

12、电路比例积分运算电路45孙鑫(1)比例积分运算电路比例积分运算电路46孙鑫理想理想PI调节器的输入输出关系调节器的输入输出关系47孙鑫比例带的定义比例带的定义定义定义：当比例增益 是无量纲数时，有 工程上，更多的采用比例度这一名称，其物理含义是：在在只只有有比比例例作作用用的的情情况况下下，能能使使输输出出量量作作满满量量程程变变化化的的输输入入量量相相对对变变化化的的百百分分数数。同时，比例度反映了“使使控控制制器器输输出出与与偏偏差差输输入入成成比比例例（即即线线性性）的的测测量量值值变变化化区区间间大大小小的的度度量量。”因此，比例度也称作比例带宽度。称 P P（P Proportion

13、al B Band）为“比例度”。48孙鑫比例带的定义比例带的定义n比例带的物理含义49孙鑫比例带工程上常用比例带（比例度）：50%100%50%=50%100%=2=100%=1=200%=1/250孙鑫(1)比例积分电路的阶跃响应比例积分电路的阶跃响应51孙鑫(1)比例积分电路的阶跃响应比例积分电路的阶跃响应52孙鑫(1)比例积分电路的阶跃响应比例积分电路的阶跃响应积分增益积分增益比例积分调节比例积分调节器传递函数器传递函数53孙鑫(2)比例微分运算电路比例微分运算电路54孙鑫无源比例微分电路及其阶跃响应无源比例微分电路及其阶跃响应55孙鑫(2)比例微分运算电路传递函比例微分运算电路传递函

14、数数v v v 56孙鑫比例微分电路的阶跃响应比例微分电路的阶跃响应57孙鑫(3)PID运算电路运算电路58孙鑫(3)PID运算电路的传递函数运算电路的传递函数59孙鑫(3)PID运算电路的传递函数运算电路的传递函数60孙鑫(3)PID运算电路的传递函数运算电路的传递函数61孙鑫(3)PID运算电路的传递函数运算电路的传递函数干扰系数干扰系数62孙鑫思考题：nP、I、D三种规律各有什么特性？n为什么工程上不用数学上理想的微分算式？63孙鑫第三节第三节PID调节器特性调节器特性 qPID调节器的阶跃响应qPID调节器的频率响应64孙鑫PID调节器的阶跃响应特性曲线：65孙鑫(1)PID(1)PI

15、D控制器的时域响应特性控制器的时域响应特性已知已知PIDPID控制器的时域表达式为：控制器的时域表达式为：取单位阶跃偏差输入：66孙鑫 (2)PI控制器理想与实际频率特性为：67孙鑫68孙鑫(2)PI幅频特性曲线20lgKcKi20lgKi20lgKcL()lg理想特性实际特性69孙鑫(2)理想比例微分（PD）调节器：传递函数：频率特性为：70孙鑫(2)PD幅频特性曲线PD的阶跃响应特性曲线理想特性实际特性71孙鑫一、频域响应特性频域响应特性：已知PID控制器的传递函数为：假设：，则根据 可画出 PID控制器的频域响应曲线。(2)PID(2)PID控制器的频率响应特性控制器的频率响应特性72孙

16、鑫1.低频段：2.中频段1：3.中频段2：4.高频段：(2)PID(2)PID控制器的频率响应特性控制器的频率响应特性73孙鑫 分析：n低频段反映积分特性，增益趋向于无穷大，用于消除稳态偏差；n高频段反映不完全微分特性，抑制高频干扰，同时，取相位超前作用。(2)PID(2)PID控制器的频率响应特性控制器的频率响应特性74孙鑫比例、积分、微分（PID)调节器:理想PID调节器的传递函数：(2)PID(2)PID控制器的频率响应特性控制器的频率响应特性75孙鑫理想PID调节器的幅频特性理想PID调节器幅频特性(2)PID(2)PID控制器的频率响应特性控制器的频率响应特性76孙鑫第四节第四节数字控制算法数字控制算法 原则原则：用数字电路代替模拟电路实现测控功能，用数字电路代替模拟电路实现测控功能，只要把行之有效的测控算法离散化只要把行之有效的测控算法离散化77孙鑫(1)(1)基本基本PIDPID的离散表达式的离散表达式78孙鑫增量式增量式算式算式位置式位置式算式算式位置式与增量式算式位置式与增量式算式79孙鑫增量式数字增量式数字PID控制算法控制算法80孙鑫位置式与增量式算法的对比位置式