自动化概论

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2. 比例积分(PI)调节器
PI 调节器的阶跃响应曲线
e
e0
0
比例调节 + 积分调节
t
粗调 + 细调

e0
0
e0

Ti

t
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3. 比例微分(PD)调节器
Kd de 1 de de K p (e ) (e Td ) 动态方程为 ： K p e K d dt K p dt dt
t
t
0
Td
2
Td
a
t
Td
0
(a)

1
0
导前时间
Td

t
(b)
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3. 比例微分(PD)调节器
实际比例微分调节器的动态方程式为:
d 1 de TD (e Td ) dt dt
传递函数为:
1 1 WPD (s) (1 Td s) E s T D s 1
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3．最大动态偏差ym或超调量
在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym这个指标来 衡量被调量偏离给定值的程度。 ym＝y1＋y(≦) 随动控制系统常用超调量这个指标来衡量被控制量偏 离给定值的程度。超调量σ可定义为：
y1 100% y
4.衰减率衰减比n
衰减率是指每经过一个波动周期，被调量波 动幅值减少的百分数。
y1 y3 y3 1 y1 y1
式中 它常被工程上用来描述过渡过程为衰减振荡时 的衰减速度。 y1—偏离稳态值的第一个波峰幅值； y3—偏离稳态值的第三个波峰幅值。
若＜0，则调节过程是发散振荡，这种系统是不稳定的。
若＝0，则调节过程是等幅振荡，这种系统处于边界稳定。
若0＜＜1，则调节过程是衰减振荡，这种系统是稳定的。可 以应用。
4. 比例积分微分(PID)调节器
理想PID调节器 动 态 方 程 实际PID调节器
1 (e Ti
1
de edt T ) d 0 dt
t
d 1 1 TD (e dt Ti
de 0 edt Td dt )
t
传 s 1 1 1 s 1 1 递 W ( s ) (1 Td s) PID W ( s ) (1 T s ) T PID d E s Ti s 函 d E s Ti s s 1 KD 数
前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统
λ 扰动通道
y
调节机构 调节通道 测量变送 -
调节器
r
• • • •
“按偏差调节” 闭环控制系统 优点 缺点
前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统
λ
调节通道
前馈调节器
扰动通道
r 调节器 调节机构 调节通道
y
测量变送
2.3 控制系统的性能指标
◆ 自动控制系统调节品质的优劣，表示了控
制过程趋于稳定,但使被调量产生静态偏差。 积分作用只有极少的情况(对象自平衡能力 大,惯性和迟延很小等)才能单独应用,会使控 制过程变成振荡甚至不稳定 , 但能使被调量 元静态偏差。 微分作用不能单独使用,但能提高控制系统 的稳定性,有效地减少被调量的动态偏差.
哈尔滨电力职业技术学院 2.2.2调节器的控制规律
哈尔滨电力职业技术学院 2.2.1基本调节作用
1. 比例作用 (P作用) 动态方程式： K p e 传递函数为： Wp (s) 特点为：
（1）无惯性、无迟延、动作快,而且调节动作的方向正确, 在控 制系统中是促使控制过程稳定的因素； （2）有差作用
s
E s
Kp
比例作用的比例系数
1. 比例(P)调节器
传递函数为:
s 1 Wp (s) Kp E s
Kp ：调节器的比例系数,即偏差改变一 个单位时，调节机构的位移变化量，它 是调节器的参数 ; δ ：比例系数Kp的倒数,即当调节机关 的位置改变100% 时，偏差应有的改变量, 称为比例带，δ 越大比例作用越弱 。
6．扰动 引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动。 如果扰动不包括在控制回路内部(例外界负荷)，称为外扰。 如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。 由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。 变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动,也称控制作用扰动。 7．控制过程（调节过程） 原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被调量就会 偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的调节作用使被调量 重新恢复到新的平衡状态的过程，称为调节过程。 8．自动控制系统 自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联系起来就构成一 个自动控制系统。
时域指标
单项性能指标
综合性能指标
频域指标
其它指标
最大动态偏差ym或超调量 衰减率衰减比n
静态偏差
y()或e()
调节时间 tS
1．静态偏差y()或e() 静态偏差是指被调量的稳态值与给定值
的长期偏差。e()= r()—y()
静态偏差是衡量控制系统准确性的重要 指标之一，它反映了控制系统的调节精度 。
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2. 比例积分(PI)调节器
KI K K edt K ( e 动态方程为 ： p I 0 p Kp
t
1 edt ) ( e 0 Ti
t
1
edt )
0
t
传递函数为: WPI (s)
s
E s

1

(1
1 ) Ti s
KI : 调节器的积分速度, 即当偏差改变100% 时,调节机构 的移动速度 Ti : 积分时间
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2. 积分作用(I作用) 动态方程式： K I 0 edt 传递函数为：WI ( s) 特点为：
（1）控制过程结束时,被调量与其给定值之间没有稳态偏差 (无差调节)； （2）积分作用在控制系统中是使控制过程振荡的因素,很少单 独使用
t
s
KI E s s
2．控制过程时间（调节时间）ts
对于定值控制系统，控制过程时间是指阶跃响应曲线 由开始起到最后一次进入偏离稳态值为±△范围，并且以 后不再越出此范围的时间即 t≥ts 时 ｜ y（t）－ y（≦）｜≤ △ ， △= 5%或2%
（5%y1或2%y1） 对于随动控制系统，控制过程时间是指被调量与其稳 态值之差不超过稳态值的± 5% 或± 2% 所需要的时间，就认 为控制过程已经结束。即 t≥ts 时 y（t）－ y（≦）≤ ±5%y（≦）或±2%y（≦）
传递函数为:
s 1 WPd (s) (1 Td s) E s
微分时间越长 , 表示微分作用越强;比例带 δ不但影响比例作用的强弱而且也影响微分作用 的强弱 .
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3. 比例微分(PD)调节器
阶跃响应曲线: 斜坡响应曲线:
e
0
Td
e0
e0
e
de dt
在定值控制系统中，突出的要求是克服 扰动的性能。 在随动控制系统中突出的要求是跟踪性 能。 衡量控制系统调节品质的优劣可以归纳 为三个方面即稳定性，准确性、快速性。
哈尔滨电力职业技术学院 2.2 调节器的控制规律
调节器的控制规律中最基本的作用是:
比例(P)、积分(I)和微分(D)作用
常用的调节器按其控制规律可 分为： 比例调节器（P）、 比例积分调节器（PI）、 比例微分调节（PD）、 比例积分微分调节器（PID）
2、自动控制系统 及典型控制方法
2.1自动控制系统的组成
2.1.1 人工调节
给水调节阀
省煤器 W 给水 h 汽包 过热器 D 蒸汽
水 位 计
水 冷 壁
人工/自动
汽包锅炉给水人工调节示意图
2.1.2
自动调节
给水 w
h
蒸汽 D
测量单元
执行单元
调节单元
给定单元
汽包锅炉给水自动调节示意图
人工/自动
例：典型的自动化元件
积分速度
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3. 微分作用(D作用)
de 动态方程式： K d dt
传递函数为：Wd (s) 特点为：
（1）微分作用具有超前调节的特点 （2）能提高控制过程的稳定性 （3）不能单独使用
s
E s
Kd s
微分作用的比例系数
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总结:
比例作用能单独地执行调节任务,并能使控
若 ＝ 1 ，则调节过程是不振荡的衰减过程 ( 非周期过程 ) ，这
种系统稳定。 在0＜≤1的范围内，的数值还可表明系统稳定裕量 (富裕量 或贮备量)的大小 ，一般取＝0.75～0.90。
衰减比n是指振荡过程的第一个波的振幅 y1与第三个 波的振幅y3之比， 即 n＝y1/y3
它也是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指 标，反映了振荡的衰减程度。 n<1表示系统不稳定的，振幅愈来愈大； n＝1表示为等幅振荡； n>1表示系统稳定； n=4表示系统为4:1的衰减振荡。
惯性环节
s
TD : PD调节器的微分惯性时间常数
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3. 比例微分(PD)调节器
实际PD调节器的阶跃响应曲线： 理想PD调节器的阶跃响应曲线：
e
0
e
e0
t
0

e0
t

KD 1 e0
0
0.632( K P 1)

e0
Td

t
0
e0
t
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差压变送器
调节器
气动调节 阀
显示操作器
2.1.3 自动调节中的一些常用术语
1．被调量（被控制量） 表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。 2．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值。 3．控制对象（被控对象） 被调节的生产过程或设备称为控制对象。 4．调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。 5．控制量（调节量） 由调节机构 (阀门、挡板等)改变的流量 (或能量 )，用以控制 被调量的变化。
制系统克服外来干扰能力的大小。
◆ 常把对阶跃干扰的反映作为判别系统抗干 扰能力好坏的标准。 ◆ 一个控制系统的调节品质，可用控制系统 在受到单位阶跃输入作用后，被调量在控制过程
中的变化曲线来分析。
2.3.1控制过程的基本形式
2.3.2控制系统的性能品质指标 静态偏差y()或e() 最大动态偏差ym或 超调量 衰减率衰减比n 控制过程时间ts
2.2
自动控制系统分类
一、按工作原理分类
1．前馈控制系统 2．反馈控制系统 3．前馈 ─ 反馈控制系统（复合控制系统）
二、按给定值特点分类
1. 定值控制系统 2. 随动控制系统 3．程序控制系统
前馈控制系统/ຫໍສະໝຸດ Baidu馈控制系统/复合控制系统
λ 扰动通道
y
前馈调节器
调节通道
• “扰动调节”或“扰动补 偿” • 开环控制系统 • 优点 • 缺点
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4. 比例积分微分(PID)调节器
理想PID调节器 实际PID调节器
e
阶 跃 响 应 曲 线
e
e0
PID D
e0
0
t
KD 1


e0
0
e0
t
PID
I

P
D
0
I

e0
P
t

0
t