第三章 控制系统的整定
均匀控制系统
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三.控制系统的参数整定
整定的主要规则是一个“慢”字，即过渡过程不允许出现明显的振荡，可以采用看曲 线调参数的方法来进行。它的具体整定规则和方法如下：
（1）先保证液位不会超过允许波动范围设置控制器参数；
（2）修正控制器参数，使液位最大波动接近允许范围，使流量尽量平稳（均匀控制系统一般
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2.串级均匀控制系统
甲塔
LT
LC
FT
FC
乙塔
E-3
E-4
阀V门-3 2
如图所示构成精馏塔塔釜液位与出口流量串级均匀控制系统.增
加一个副回路的目的是为了消除控制阀前后的压力波动及对象
的自衡作用的影响。
串级均匀控制方案能克服较大的干扰，适用于系统前后压力波
20动21/6较/4 大的场合。
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3.双冲量均匀控制系统
LT
IS IO
+
IL
FC
IF
双冲量均匀控制系统是串级均匀控制系统的变形，它用一个加法器 来代替串级控制系统中的主调节器，把液位与流量的两个测量信号 通过加法运算后作为调节器的测量值。以塔釜液位与输出流量信号 之差为被控参数，通过均匀控制使两者能均匀缓慢变化。
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采用P或PI控制规律。） （3）根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器的参数 方法步骤： ①纯比例控制 a.先将比例度放置在估计液位不会越限的数值，例如δ=100%。 b.观察记录曲线，若液位的最大波动小于允许的范围，可增加比例度，比例的的 增加必将使液位的“质量”降低，而使流量过程曲线变好。 c.如发现液位超过允许的范围，则减小比例度。 d.这样反复调整比例度。直到液位，流量的曲线都满足工艺提出的均匀要求为止
整定计算基本原则
整定计算基本原则整定计算是控制系统设计的一个重要环节，其目的是通过计算、仿真和试验等手段确定系统的控制参数，调整控制器的参数使得系统具有应有的动态特性和稳态特性。
整定计算的基本原则如下：原则一：根据系统动态特性确定整定方法控制系统的动态响应可以表现为步跃响应或频率响应等形式，每种响应下对应的整定方法也不同。
对于步跃响应类型系统，我们通常采用调节器方法或根轨迹方法进行整定；对于频率响应类型系统，我们通常采用Bode图、Nyquist图或根轨迹等方法进行整定。
因此，首先需要分析系统的动态响应类型，然后选择相应的整定方法进行计算。
原则二：按照性能指标确定参数优化目标控制系统的性能指标可以是调节时间、超调量、稳态误差、阻尼比等。
不同的指标代表不同的控制性能，我们需要根据实际需求确定需要优化的指标，并将其转化为数学模型，通过计算确定控制系统的参数优化目标。
一般来说，不同的控制性能指标之间可能存在矛盾关系，因此需要在各个指标之间进行平衡，确保整个控制系统具有最优的性能。
原则三：根据建模方法确定参数计算公式控制系统的参数计算需要基于其数学模型进行，建模方法通常分为时域模型和频域模型两种。
时域模型通常采用微分方程或差分方程进行建模，频域模型则采用传递函数或状态空间模型进行建模。
根据所选的建模方法，确定相应的参数计算公式，进行参数计算。
计算过程中需要注意，参数计算公式的应用范围和精度，以及参数计算过程中是否存在数值稳定性问题等。
原则四：通过仿真和试验验证整定效果整定计算过程中，需要通过仿真和试验等手段验证其计算结果是否符合实际系统的要求。
仿真可以通过利用计算机软件对系统进行模拟实现，而试验则需要根据系统特性进行相应的实验设计。
比较整定计算结果与实际系统的动态特性和稳态特性，确定调整控制器参数的具体值，确保控制系统具备良好的性能。
结论整定计算是控制系统设计中重要的环节，需要根据系统的动态特性确定整定方法，按照性能指标确定参数优化目标，根据建模方法确定参数计算公式，通过仿真和试验验证整定效果，最终确定控制器参数，使控制系统具有良好的性能。
控制系统参数整定
控制系统参数整定控制系统参数整定是指确定系统控制器中所包含的参数的值，以使系统能够稳定地运行并满足设计要求。
合理的参数整定可以有效地提高系统的稳定性、响应速度和控制精度。
本文将介绍控制系统参数整定的基本原理和常用方法。
一、控制系统参数整定的重要性控制系统参数整定对于系统的稳定性和性能具有重要影响。
不正确的参数整定会导致系统运行时出现振荡、超调、稳态误差等问题，甚至导致系统崩溃。
正确地整定系统参数可以提高系统的稳定性、响应速度和控制精度，从而使系统能够更好地满足设计要求。
二、控制系统参数整定的基本原理控制系统参数整定的基本原理是通过调整控制器中的参数，使系统的闭环动态响应满足设计要求。
一般来说，参数整定的目标是使系统的响应速度快、稳定性好、超调小和稳态误差小。
基于这些要求，常用的参数整定方法包括试验法、经验法和优化理论方法。
三、常用的控制系统参数整定方法1. 试验法试验法是一种常用的控制系统参数整定方法，它通过对系统进行实际试验来确定参数值。
试验法通常有步跃响应法、频率响应法和根轨迹法等。
步跃响应法通过施加一个单位阶跃输入来观察系统的响应，根据响应曲线的形状和特征来调整参数值。
频率响应法则通过对系统施加正弦信号来观察频率响应曲线，根据曲线特征来确定参数值。
根轨迹法则通过绘制系统的根轨迹来分析系统的稳定性和响应特性，进而确定参数值。
2. 经验法经验法是基于经验总结的参数整定方法，其优点是操作简单，但适用范围相对有限。
常见的经验法包括Ziegler-Nichols方法、Chien-Hrones-Reswick 方法和Lambda方法等。
这些经验法根据系统的类型和结构给出了一些经验公式和规则来确定参数值。
3. 优化理论方法优化理论方法是一种基于数学优化理论的参数整定方法，通过求解数学优化问题来确定最优的参数值。
常用的优化理论方法包括PID控制器参数整定的线性二次优化和遗传算法等。
优化方法的优点是能够得到更优的参数解，但需要借助计算机来进行求解。
控制系统校正与整定
控制系统校正与整定控制系统校正与整定是指对已建立的控制系统进行参数调整和优化，以实现系统的稳定性、精度和性能要求。
它是控制系统工程中非常重要的一环，对于保证系统的正常运行和性能提升具有决定性的影响。
一、校正和整定的定义在控制系统中，校正和整定是指调整参数以满足设计要求和性能指标的过程。
校正是针对系统的输出信号与期望信号之间的差异进行调整，以减小误差。
整定则是通过调整控制器的参数，使系统的输出与期望信号更加接近。
二、校正与整定的重要性1. 改善系统的稳定性：校正与整定可以消除系统中的各种误差和不稳定因素，提高系统的稳定性和抗干扰能力，确保系统能够按照预期运行。
2. 提高系统的精度：校正与整定可以通过调整系统参数，提高系统响应速度和精度，降低系统的超调和震荡。
3. 优化系统的性能：校正与整定可以针对不同的反馈、前馈和控制结构，实现系统的最佳性能。
通过优化系统参数，可以使系统的性能指标达到最优。
4. 降低维护成本：经过校正和整定的控制系统，稳定性和精度都得到了提高，从而降低了系统故障的概率，减少了维护成本和人工调试的时间。
三、校正与整定方法1. PID校正方法：PID控制器是常用的控制器类型，其参数校正方法主要包括手动整定、经验整定和自整定等。
- 手动整定：根据系统的动态特性和响应曲线，通过试错法调整P、I和D三个参数，使系统的性能达到最佳。
- 经验整定：根据已有的经验规则和公式，根据系统的性能指标选择合适的参数组合，进行校正。
- 自整定：利用自适应控制算法和模型辨识技术，实时依据系统的响应曲线和误差进行参数调整。
2. 频率响应方法：该方法是基于频率特性的校正方法，通过对系统的幅频和相频特性进行分析和评估，进行校正和整定。
- Bode图法：通过绘制系统的振幅-频率和相位-频率曲线来评估系统的性能，并进行校正和优化。
- 极点配置法：通过对系统的闭环极点位置进行分析和设计，调整相应的参数以优化系统性能。
3. 系统辨识方法：该方法通过对系统的输入输出数据进行分析、建模和参数识别，实现对系统的校正和整定。
自动控制原理课后题
⾃动控制原理课后题第⼀章⾃动控制系统的基本概念1.什么是⾃动控制系统？⾃动控制系统通常由哪些基本环节组成？各环节起什么作⽤？答：⾃动控制系统是在没有⼈的直接⼲预下，利⽤物理装置对⽣产设备和（或）⼯艺过程进⾏合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照⼀定的规律变化的系统。
⾃动控制系统通常由给定环节、⽐较环节、校正环节、放⼤环节、执⾏机构、被控对象和检测装置等环节组成。
给定环节是设定被控制量的给定值的装置。
⽐较环节将所检测的被控制量与给定量进⾏⽐较，确定两者之间的偏差量。
校正环节将偏差信号转换成适于控制执⾏机构⼯作的信号。
放⼤环节将偏差信号变换为适于执⾏机构⼯作的物理量。
执⾏机构直接作⽤于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。
被控对象是控制系统的被控制量或输出量，规律变化，以满⾜⽣产⼯艺的要求。
检测装置⽤来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量。
2.试⽐较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。
答：开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能⾃动补偿扰动量对输出量的影响。
当系统扰动量产⽣的偏差可以预先进⾏补偿或影响不⼤时，采⽤开环控制是有利的。
当扰动量⽆法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采⽤闭环控制。
闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进⾏⾃动调节，以克服扰动对系统的影响。
闭环控制极⼤地提⾼了系统的精度。
但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。
3.什么是系统的暂态过程?对⼀般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加到某⼀个值时，输出的暂态过程如何？答：暂态过程是系统从⼀个稳态过渡到新的稳态所经历的过程。
当给定量或扰动量突然增加到某⼀个值时，输出的暂态过程可能出现以下情况：(1)单调过程。
(2)衰减震荡过程。
(3)持续震荡过程。
(4)发散震荡过程。
第⼆章⾃动控制系统的数学模型2-1 什么是系统的数学模型?在⾃动控制系统中常见的数学模型形式有哪些?⽤来描述系统因果关系的数学表达式，称为系统的数学模型。
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案第一章：机械工程控制概述1.1 课程介绍了解机械工程控制的基本概念、原理和应用掌握机械工程控制的基本环节和数学模型1.2 机械工程控制的基本概念控制、反馈和控制系统的定义开环控制和闭环控制的区别1.3 机械工程控制的基本环节传递函数、频率响应和状态空间表示系统的稳定性、线性、时不变性等特性1.4 机械工程控制的应用实例机械臂的控制、控制系统发动机控制、车辆控制等第二章：控制系统的数学模型2.1 数学模型的建立微分方程、差分方程和传递函数系统的输入、输出和状态变量2.2 线性系统的时域分析稳态误差、稳态响应和瞬态响应系统的稳定性和动态性能指标2.3 线性系统的频域分析频率响应、波特图和稳定性裕度系统的频率特性和平衡点2.4 非线性系统的分析非线性微分方程和差分方程非线性系统的相平面和李雅普诺夫理论第三章：控制系统的分析和设计方法3.1 系统的时域分析法根轨迹、频率响应和状态空间法系统的稳定性和动态性能分析3.2 系统的频域分析法波特图、频率特性和稳定性裕度系统的频域设计和优化3.3 系统的优化方法目标函数和约束条件最大误差最小化和动态性能最优化3.4 控制器的设计算法PID控制器、模糊控制器和自适应控制器数字控制器和模拟控制器的比较和选择第四章：机械工程控制的应用案例4.1 控制系统的运动学模型和动力学模型的路径跟踪和姿态控制4.2 车辆控制系统车辆的动力学模型和控制目标车辆的稳定性控制和燃油经济性控制4.3 发动机控制系统发动机的工作原理和控制需求发动机的排放控制和燃油控制4.4 生产线控制系统生产线的流程和控制目标生产线的调度和优化控制第五章：机械工程控制实验与实践5.1 控制系统实验设备控制实验台和实验设备的选择实验设备的连接和操作方法5.2 控制系统实验原理实验目的和实验步骤实验数据的采集和处理方法5.3 PID控制器的设计与实现PID控制器的参数整定方法PID控制器的仿真和实验验证5.4 控制系统的设计与实现控制系统的需求分析和系统设计控制系统的仿真和实验验证第六章：线性系统的状态空间分析6.1 状态空间表示法系统的状态空间描述和数学模型状态变量和控制变量的定义6.2 状态空间方程的求解系统的零输入和零状态响应系统的状态转移矩阵和时间响应6.3 状态空间分析的应用系统的稳定性分析系统的能观性和能控性分析6.4 状态空间控制器设计状态反馈控制器和观测器设计输出反馈控制器和最优控制第七章：非线性控制理论基础7.1 非线性系统概述非线性系统的特点和挑战非线性控制理论的作用和意义7.2 非线性系统的描述方法非线性微分方程和差分方程相平面图和李雅普诺夫方法7.3 非线性控制设计方法反馈线性化和滑模控制自适应控制和鲁棒控制7.4 非线性控制系统应用案例倒立摆控制和四旋翼控制手臂和非线性路径跟踪第八章：机械系统的动力学建模8.1 机械系统动力学的基本概念牛顿力学和拉格朗日方程刚体动力学和多体系统动力学8.2 机械系统的建模方法建立动力学模型的步骤和注意事项系统参数的测量和估计8.3 机械系统的稳态分析系统的平衡状态和受力分析系统的运动轨迹和速度分析8.4 机械系统的动态响应分析系统的自由响应和强迫响应系统的时域和频域分析第九章：控制系统的设计工具与软件9.1 控制系统设计工具概述模拟电子电路和数字电子电路设计工具控制系统设计和仿真软件的选择9.2 MATLAB控制系统工具箱MATLAB控制系统的功能和特点控制系统的建模、仿真和分析9.3 控制系统设计软件的应用控制系统的参数调整和优化控制系统的实时监控和调试9.4 控制系统设计案例分析典型控制系统的分析和设计控制系统设计过程中的注意事项第十章：机械工程控制实验与实践10.1 控制系统实验流程与要求实验目的和实验内容的确定10.2 控制系统实验案例分析实验数据的处理和分析方法实验结果的评估和总结10.3 控制系统设计实践控制系统设计方案的制定和实施控制系统设计的改进和优化10.4 控制系统实验与实践的总结实验与实践过程中遇到的问题和解决方法控制系统实验与实践的经验教训第十一章：现代控制理论简介11.1 现代控制理论概述现代控制理论的概念和发展历程线性时变系统和非线性系统的控制方法11.2 李雅普诺夫理论李雅普诺夫第一和第二定理稳定性分析和李雅普诺夫函数的选取11.3 哈密顿原理和最优控制哈密顿原理和拉格朗日方程最优控制问题的提法和求解方法11.4 状态反馈和观测器设计状态反馈的定义和作用观测器的类型和设计方法第十二章：控制12.1 控制概述的运动学和动力学控制的目标和挑战12.2 路径跟踪控制路径跟踪的数学模型PID控制器和模糊控制器的应用12.3 姿态控制姿态控制的概念和重要性姿态控制算法和实现方法12.4 视觉伺服控制视觉伺服系统的原理和结构视觉伺服控制算法的实现和优化第十三章：自适应控制13.1 自适应控制概述自适应控制的概念和特点自适应控制的应用领域13.2 自适应控制算法自适应控制器的设计方法自适应控制算法的仿真和实验13.3 自适应控制的应用工业过程控制和控制汽车控制和飞行器控制13.4 自适应控制的挑战和发展趋势自适应控制面临的挑战自适应控制的未来发展趋势第十四章：鲁棒控制14.1 鲁棒控制概述鲁棒控制的概念和重要性鲁棒控制的数学基础14.2 鲁棒控制算法鲁棒控制算法的设计方法鲁棒控制算法的仿真和实验14.3 鲁棒控制的应用工业控制系统和控制汽车控制和飞行器控制14.4 鲁棒控制的挑战和发展趋势鲁棒控制面临的挑战鲁棒控制的未来发展趋势第十五章：控制系统教学案例分析15.1 控制系统教学案例的选择选择具有代表性的教学案例教学案例的难度和复杂性15.2 控制系统教学案例的分析和讨论分析案例中的控制问题和解决方案讨论控制系统的设计和实现方法15.3 控制系统教学案例的实践和实验实践和实验的安排和指导实践和实验的结果和总结15.4 控制系统教学案例的反馈和改进学生对教学案例的反馈和评价教学案例的改进和优化方法重点和难点解析本文主要介绍了机械工程控制基础教案，内容包括机械工程控制的基本概念、原理和应用，控制系统的数学模型，分析和设计方法，以及机械工程控制的应用案例和实验实践等。
过程控制第三章第9,10,11讲
过程静态特性是选择控制参数的重要依据。 结论：扰动通道静态放大系数Kf 越大，则系统 的稳态误差越大，降低了控制质量。控制通道 的静态放大系数K0越大，表示控制作用越灵敏， 克服扰动的能力越强。 因此确定控制参数时，使K0大于Kf是合理的。 这一要求不能满足时，调节Kc的值来补偿，使 K0 Kc值远大于Kf 。
结论：扰动通道的时间常数 T f 愈大，容积愈多，则扰动
通道对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好
（2）时延τf 的影响
有纯滞后时系统对扰动的闭环传递函数为
Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s)
根据拉氏变换的平移定理，被控量的时间响应为
W f ( s )e
f s
y(∞) t
ห้องสมุดไป่ตู้
图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
控制系统的阶跃响应性能指标小结
稳定性 衰减比n = 4:1~10:1最佳
准确性 余差C小好
最大偏差 A 小好 快速性 过渡时间 Ts 短好
各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如， 过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此， 应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决 定性意义的主要品质指标应优先予以保证。
三、控制参数的选择
控制参数又称为控制变量或控制量。 在生产过程中，可能有几个控制量可供 选择来影响被控参数。选择不同的控制 参数就有不同的控制通道和扰动通道。 不同的控制通道和扰动通道的控制质量 是不相同的。因此应选择较优的控制参 数，即正确选择控制通道。
三、控制参数的选择
（一）过程静态特性分析
在新稳态值（ 205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一 区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts = 22min
第三章 控制系统的整定
3) 利用δcr和Tcr值, 按稳定边界法参数整定计算公式表，求调节器各
整定参数δ,TI, TD
34
δ对于比例调节过程的影响
35
图
系统的临界振荡
规律 P
参数
δ
TI
TD ψ=75%
2δcr
2.2δcr
0.85Tcr
PI
PID
1.67δcr
0.5Tcr
0.125Tcr
稳定边界法参数整定公式
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注意:
y1
r
y3
ess
超调量: ζ=y1/y∞*100%
调节时间: ts(进入稳态值5%范围内) y∞
t
在单项指标中, 应用最广的是衰减率ψ, 75%的衰减率是对偏 差和调节时间的一个合理的折中. 单一指标概念比较笼统, 难以准确衡量; 一个指标不足以确定 所期望的性能, 多项指标往往难以同时满足. 3
② 误差积分性能指标
Kc 10.9, TI 5.85, TD 0.89
2) 稳定边界法 首先让调节器为比例调节器, 比例带从大到小改变, 直到系统呈现等幅 振荡, 此时的比例带为δcr, 同时由曲线测得临界震荡周期Tcr, 然后按稳 定边界法参数整定计算公式计算调节器的整定参数为：
44
P调节器: Kc=6.3 PI调节器: Kc=5.7, TI=12.62 PID调节器: Kc=7.4, TI=7.57, TD=1.89 对于传递函数已知的被控对象, 可以直接计算出δcr和Tcr, 计算方法为: 将s=jω(m=0)代入对象的传递函数中,求出过点(-1, j0)的ω, δ. 则δcr= δ, Tcr=2π/ω 1 G p ( s) , Gc ( s) K c 如本例: (5s 1)(2s 1)(10s 1) 相角条件：
第三章 自校正控制系统-3
)
y∗ k+d
k
=
G(z−1) yk
+
F ( z−1 ) B( z−1 )uk
+δk
23/34
3-4 自校正调节器（STR）
6．对模型偏差δ的补偿 将yk和uk系数多项式G(z-1)和F(z-1)B(z-1)的
参数与δk一起构成参数向量θ ，在数据向量中 与δk对应的数据为1，可以用在线辨识的办法辨 识出G(z-1)和F(z-1)B(z-1)及δk的参数来。
的，采用带遗忘因子的算法，有
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2
3-4 自校正调节器（STR）
( ) θ k = θ k−1 + Kk yk − β0uk−d − ϕkT−dθˆk−1
Kk
=
ρ
ϕ Pk−1 k−d
+
ϕ
T k−d
Pk
−1ϕ
k
−d
⑤
( ) Pk
=
1 ρ
I
−
K
kϕ
T k−d
Pk −1
ρ遗忘因子
3.确定最小方差控制律
四、计算步骤和框图
1. 确定控制对象模型结构na、nb，d，并选预报模 型及β0①②
yk +d = α ( z −1 ) yk + β ( z −1 )uk + ωk +d
①
yk+d = β0uk +ϕkTθ +ωk+d
②
2. 设定参数初值 θˆ0 = 0, P0 =106 I,u0 = 0
3. 采样获取观测数据yk，并组成观测向量ϕk③和
当设定输出ym＝0，系统只起调节作用时，
yk+d = β0uk + ϕkTθ + ωk+d
控制器参数整定方法
控制器参数整定方法
控制器参数整定是一种优化控制系统性能的方法。
该方法会根据控制器类型、系统响应特性和控制器参数来进行。
以下是常用的控制器参数整定方法：
1. 经验法：根据经验公式来设置控制器参数。
这种方法适用于简单的控制系统，例如PID控制器。
2. 尝试法：逐步改变控制器参数并进行试验，根据试验结果来选择最优控制器参数。
这种方法适用于复杂的控制系统。
3. 数学模型法：通过建立系统的数学模型，分析系统响应特性，然后使用数学分析工具来根据系统性能选择最优控制器参数。
这种方法适用于复杂的非线性控制系统。
4. 标准化方法：使用已有的标准化控制器参数设置方法。
无论使用何种方法，都需要进行系统试验来验证控制器参数是否能够使系统性能得到优化。
均匀控制系统的参数整定方法
均匀控制系统的参数整定方法一、Introduction在控制系统中，参数整定是指通过合适的调整控制器参数来使系统的性能达到最佳状态。
均匀控制系统是一种常见的控制系统，其特点是系统的输入和输出变量之间的关系可以近似地表示为一次线性关系。
本文将深入探讨均匀控制系统的参数整定方法，包括经验法、试探法和优化算法等。
二、经验法经验法是一种常见且简单的参数整定方法，它基于先验经验和专家知识进行参数调整。
虽然没有数学模型的支持，但经验法通常可以提供较好的系统性能。
常见的经验法包括：经验法一、经验法二、经验法三等。
2.1 经验法一经验法一适用于一类特定的均匀控制系统。
整定步骤如下：1.根据系统的特性选择合适的控制器类型，如比例控制器、积分控制器等。
2.根据系统的动态响应要求，选择合适的参数范围。
3.通过试错法不断调整参数，将系统的输出逼近期望值。
4.如有必要，进行进一步的微调，以达到更好的控制效果。
2.2 经验法二经验法二是另一种基于经验的参数整定方法，适用于另一类特定的均匀控制系统。
整定步骤如下：1.根据系统的特性选择合适的控制器类型，如比例控制器、积分控制器等。
2.根据系统的动态响应要求，选择合适的参数范围。
3.通过试错法不断调整参数，将系统的输出逼近期望值。
4.如有必要，进行进一步的微调，以达到更好的控制效果。
三、试探法试探法是一种通过试验和实践逐步调整参数的方法。
它基于系统的实际工作情况和观察结果，逐步改进参数设置，以达到系统性能的最优化。
3.1 初始参数设定在试探法中，首先需要设定一组初始参数。
这些参数可以是根据经验法确定的初值，也可以是根据系统特性进行估计得到的初值。
3.2 系统响应分析在设定了初始参数后，需要通过系统响应分析来评估参数的准确性。
可以通过实验或仿真来获取系统的输入和输出数据，并进行频域分析或时域分析。
3.3 参数调整根据系统响应分析的结果，可以针对性地对参数进行调整。
常见的参数调整方法包括增益、积分时间常数和微分时间常数的调整。
过程控制系统第3章简单系统习题与解答
第3章习题与思考题3-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？解答：简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。
检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。
控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。
执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。
被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。
3-2.什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？解答：如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。
在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。
3-3.被控变量的选择应遵循哪些原则？解答：被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。
3-4.操纵变量的选择应遵循哪些原则？解答：（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。
3-5.简述选择调节器正、反作用的目的，如何选择?解答：其目的是使控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起负反馈作用。
简单过程控制系统的实施与整定
实验内容：简单过程控制系统的实施与整定【实验目的】1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3、掌握单回路控制系统的投运和无扰动切换方法。
4、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
【实验设备】1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统 4套2、A3000－CS上位控制系统 4套【实验原理】1、控制系统结构单容水箱液位定值(随动)控制实验，定性分析P、PI和PID控制器特性。
控制逻辑如图3-1所示：图3-1 单容下水箱液位定值(随动)控制系统实验水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。
被调量为水位H。
使用P、PI 、PID控制，看控制效果，进行比较。
2、控制系统方框图如图3-2所示：图3-2 单容下水箱液位定值(随动)控制统方框图3、控制系统接线表表3－1【实验内容与步骤】1、系统连接（1）在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板开度（可以稍微大一些），其余阀门关闭。
（2）在A3000-CS上，将液位差压变送器的输出连接到AI0，AO0端口，即连接到电动调节阀上。
（3）打开A3000电源。
在A3000-FS上，启动右边水泵。
（4）启动计算机组态软件，进入实验系统选择相应的实验。
启动控制器，设置各项参数，将控制器的“手动－自动”切换开关置相应的位置。
2、控制器参数整定用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。
它的具体做法是：待系统稳定后，逐步减小控制器的比例度δ（即1/KC），并且每当减小一次比例度δ，待被控变量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被控变量变化的动态过程。
若被控变量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度δ，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。
如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现等幅振荡。
均匀控制系统的主次及均匀控制参数整定
均匀控制系统的主次及均匀控制参数整定主控制参数是指直接影响控制系统性能的参数，主要包括比例控制增益、积分时间常数和微分时间常数。
比例控制增益决定了控制器输出与偏差之间的线性关系，控制增益过大会导致系统的振荡，过小会导致系统的响应过慢。
积分时间常数用来消除系统的稳态偏差，过小会造成积分饱和，过大会导致系统响应速度下降。
微分时间常数的作用是减小系统的超调量和抑制阶跃响应的振荡，过小会造成噪声放大，过大会导致系统响应过慢。
次控制参数是指对于特定的控制对象，根据其特性所需要调整的参数。
例如对于具有惯性的对象，需要调整的参数包括惯性常数和阻尼比。
惯性常数决定了被控对象的动态响应速度，太大会导致系统动态特性不足，太小会导致超调量过大。
阻尼比用来控制系统的阻尼效果，过小会产生振荡，过大会导致系统的响应过慢。
均匀控制参数整定是指在系统稳定性和性能需求的基础上，合理确定主次控制参数的过程。
整定方法主要有经验法、试控法和优化法。
经验法根据经验公式或经验曲线调整控制参数，适用于简单的控制系统。
试控法是通过不断试控，根据试控结果调整控制参数，适用于复杂的控制系统。
优化法是通过数学模型和优化算法，寻找最佳的控制参数组合，适用于要求较高的控制系统。
整定时需要考虑系统的稳定性和性能需求。
稳定性要求系统的输出信号在一定时间范围内收敛到稳定值，避免出现振荡或不稳定。
性能需求包括超调量、响应时间、稳态误差等指标，根据实际需求进行调整。
总之，均匀控制系统的主次控制参数以及均匀控制参数的整定是保证系统稳定性和性能优良的关键。
掌握不同控制参数的作用和调整方法，能够有效地设计和调整控制系统，满足实际控制需求。
第3章 单回路控制系统
当温度TD 恒定时， 组分XD和压力P之间也存 在单值对应关系，如图 3-5 所示。
在温度 TD 和压力P两者之间，只要固定其中一个 参数，另一个就可作为间接参数来反映组分XD的变化。 大量经验证明，塔压力的稳定有利于保证产品的纯 度，提高塔的效率和降低操作费用。因此，固定塔压， 选择温度作为被控变量对精馏塔的出料组分进行间接指 标控制是可行的，也是合理的。
二、控制器正、反作用的确定 工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方 式。 控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时， 控制器工作于正作用方式； 控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控 制器工作于反作用方式。 控制器设置正、反作用的目的是为了适应对不同被 控对象实现闭环负反馈控制的需要。 控制器正、反作用的选择并不是一项困难的工作。 下面介绍的判别准则具有普遍的指导作用。
阀流量特性选择，见表3-1。
二、执行器开、闭形式的选择 气动执行器有气开和气关两种工作方式。 在控制系统中，选用气开式还是气关式，主要由具 体的生产工艺来决定。 提供几条原则作为选择的依据。 1、首先要考虑生产的安全。 2、有利于保证产品的质量。 3、有利于降低原料成本和节能。 选择时需注意两点： 1.按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾的结 果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。 2.由于工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不同的 选择结果。
在整个系统中各信号的传递关系可以用图3-2 所示的方块图表示。
单回路控制系统是按负反馈的原理根据偏差进行 工作的，组成自动化装置各环节的设备数量均为一个， 它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。 单回路控制系统具有结构简单、工作可靠、所需 自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优点， 是目前研究最多也是最为成熟的过程控制系统，适用 于对象的纯滞后和惯性较小、负荷和干扰的变化都不 太频繁和剧烈、控制品质要求不是很高的应用场合。
控制系统的工程整定方法
• PID控制器的参数整定方法有凭操作人员经验的人工整定， 有根据仿真模拟试验得到的最佳整定参数来整定，有根据 理论计算来整定，还有根据试验和理论计算相结合的自整 定，以及根据试验和经验公式相结合的工程整定等。本节 将介绍常用的三种工程整定法—衰减曲线法、Z-N法 (Ziegler-Nichols于1942年提出)及实际经验法。 • (一)衰减曲线法 • 衰减曲线法是一种根据受控过程在只有比例控制作用下的 具有一定衰减率驴的、由衰减振荡曲线的参数夙和振荡周 期Ts来确定各类控制器整定参数的方法。其中 • •
• 以炉膛负压为例，若变送器量程范围为3000～+3000Pa，k=0.0167。
100 100 100 k 0.0167 量程 3000 3000 6000，太小，控 制作用太慢；太大，稳定性降低，乃至系 统发散振荡。
• 给水流量的工程量程为0～1200t/h，将该参 数乘以什么数值后，量程变为0～100%。若 给水流量分别为500、800、1100 t/h时，其 百分数值是多少？解：
• (三)实际经验法 • 上述两种工程整定方法最大的优点是简单方便， 因此，很适合于生产现场。但是，无论是衰减曲 线法还是Z-N法，所确定的控制器整定参数都是 初步的，还需在现场调试中予以修正。 • 而在火电机组热工控制工程中，通过长期实践， 人们总结了一套参数整定的经验，称之为经验法。 经验法可以说是根据经验进行参数试凑的方法， 它首先根据经验设置一组控制器参数，然后将系 统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验， 观察控制过程；如果过渡过程不令人满意，则修 改控制器参数，再作阶跃扰动试验，观察控制过 程；反复上述试验，直到控制过程满意为止。
• (二)Z-N法 • Z-N法是一种根据受控过程(或称受控对象) 的阶跃响应特性结合经验公式来计算控制 器整定参数的方法。它又分成受控过程为 无自平衡能力型和有自平衡能力型两种情 况。
过程控制动态特性解析
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
§1-2 被控对象的动态特性
一、基本概念 被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，
其输出（被调量）随时间变化的规律 。 对于线性系统，其动态特性可用传递函数来描述。
二、典型对象动态特性 1. 典型实例分析
第一篇 简单控制
简单控制系统
占工业控制系统的80％； 复杂过程控制系统的基础。
重要性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
目录
第一章 生产过程的动态特性 第二章 比例积分微分控制及其调节过程 第三章 简单控制系统的整定
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一章 生产过程动态特性
§1-1 过程控制系统的性能指标 §1-2 被控对象的动态特性 §1-3 过程数学模型及其建立方法
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
给定值
控制器
-
广义被控对象
被调量
过程控制的研究内容：
（1）制定控制系统的控制目标（即设计指标参数）； （2）认识生产过程的动态特性（一般为广义对象的动态性）； （3）设计控制器的控制规律及控制结构，使控制系统达到控制 系统的控制指标要求。
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
水阻
T CR K k R
2 R
H0
k
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
（2）双容水箱
Qi
H1 F1
R1 Q1
H2
F2
对物质平衡方程在工作点处进行 线性化处理后达到传递函数为：
G(s) = H2(s) =
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2020年4月23日星期四
3.1 控制系统整定的基本要求
1)控制系统的控制质量的决定因素:被控对象的动态特性 2)整定的前提条件: 设计方案合理, 仪表选择得当, 安装正确 3)整定的实质: 通过选择控制器参数, 实现最佳的控制效果
2
4) 评定整定效果的指标（参数整定的依据）
通过实验，便能迅速获得调节器的近似最佳整定参数，因 而在工程中得到广泛的应用。方法简单，易于掌握。
6
3.3 工程整定法 衰减频率特性法计算工作量大, 计算结果需要现场试验加以 修正, 在工程上不直接使用. 工程整定法是在理论基础上通过 实践总结出来的. 它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, 在工程中得到了广泛的应用. 常用的工程整定法有以下几种：
2) 待系统稳定后,作设定值阶跃扰动,并观察系统的响应.若系统响应衰 减太快,则减小比例带; 反之,若系统响应衰减过慢,应增大比例带. 如此 反复, 直到系统出现4:1衰减振荡过程. 记下此时的比例带δs和振荡周 期Ts
3) 利用求得的δs和Ts，根据衰减曲线法整定计算公式得到δ, TI , TD
y
y ① 单项性能指标
衰减率: ψ=(y1-y3)/y1=1-1/n
最大动态偏差: y1
r
超调量: σ=y1/y∞*100%
调节时间: ts(进入稳态值5%范围内)
y1
y3
ess
y∞ t
在单项指标中, 应用最广的是衰减率ψ, 75%的衰减率是对偏 差和调节时间的一个合理的折中.
单一指标概念比较笼统, 难以准确衡量; 一个指标不足以确定 所期望的性能, 多项指标往往难以同时满足.
对于无自衡能力的广义过程，传递函数可写为
对于有自衡能力的广义过程，传递函数可写为
假设是单位阶跃响应, 则式中各参数的意义如图 所示。
32
响应曲线
a)无自衡能力过程
b)有自衡能力过程
33
二 稳定边界法（临界比例度法）
是一种闭环的整定方法. 它基于纯比例控制系统临界振荡试验所得的 数据, 即临界比例带δcr和临界振荡周期Tcr(此时相对稳定度m=0), 利 用经验公式, 求取调节器最佳参数, 具体步骤为：
y
Ts
Ψ=0.75
Ψ=0.9
t 4:1衰减响应曲线
t Tr
10:1衰减响38应曲线
表 衰减曲线法整定计算公式
Ψ=0.75 Ψ=0.9
规律参数 δ P PI
PID
参数 规律
δ
P
PI
PID
1) 动态特性参数法 2) 稳定边界法 3) 衰减曲线法 4) 经验法
28
一 动态特性参数法
它是以被控对象阶跃响应为依据，通过一些经验公式求取调节器最佳参 数整定值的开环整定方法．
前提: 广义对象的阶跃响应曲线可用G(s)=Ke-τs/(Ts+1)来近似．
整定步骤：
1) 通过实验测得被控对象控制通道的阶跃响 应, 由阶跃响应曲线得到K, T,τ,并计算出ε 值; (ε=K/T)
34
δ对于比例调节过程的影响
35
图 系统的临界振荡
参数 规律
δ
TI
TD
P PI
PID
稳定边界法参数整定公式
36
ψ=75%
注意:
1) 控制系统需工作在线性区．
2) 此法用于无自平衡能力对象的系统会导致衰减率ψ偏大,用于有自 平衡能力对象 的系统会导致ψ偏小,故实际应用时还须在线调整.
3) 此法不适用于本质稳定系统和不允许进入稳定边界的系统. 采用这 种方法整定调节器参数时会受到一定的限制，如有些过程控制系统不 允许进行反复振荡试验，像锅炉给水系统和燃烧控制系统等，就不能 应用此法。再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本 不可能出现等幅振荡，也就不能应用此法。 4) 对于传递函数已知的系统, 其临界比例带和临界振荡周期可以算出.
2)由经验公式计算出调节器的参数KC, TI、TD.
经验公式:
Z-N公式
单容水槽
C-C公式 (Cohen-Coon 柯恩－库恩整定公式)
以ψ=75%为衰减率
带误差积分指标的整定公式
29
参数 规律
δ
TI
TD
P
PI
PID
Z-N调节器参数整定公式
P56 表3.2
30
图 求广义对象阶跃响应曲线示意图
31
1) 使调节器仅为比例控制，比例带δ设为较大值, TI=∞, TD=0, 让系 统投入运行.
2) 待系统运行稳定后,逐渐减小的比例带为δcr，振荡周期为Tcr
3) 利用δcr和Tcr值, 按稳定边界法参数整定计算公式表，求调节器各 整定参数δ,TI, TD
5
5) 常用整定方法
① 理论计算整定法 根轨迹法，频率特性法 由于数学模型总会存在误差，实际调节器与理想调节器的动 作规律有差别，所以理论计算求得的整定参数并不可靠．而 且，理论计算整定法复杂，烦琐，使用不方便．但它有助于 深入理解问题的本质，结果可以作为工程整定法的理论依据 ． ② 工程整定法
动态特性参数法，稳定边界法，衰减曲线法
4
一般整定过程 ：
在实际系统整定过程中，常将两种指标综合起来 使用。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。
δψ KI, KDIAE, ···
37
三 衰减曲线法
原理: 根据纯比例控制系统处于某衰减比 (如4:1或10:1) 时振荡试验所
得的数据(即比例带δs和振荡周期Ts), 由经验公式求取调节器最 佳参数值. 与稳定边界法类似．也是闭环整定法, 其步骤为：
1) 使调节器仅为比例控制,比例带δ设为较大值,TI=∞,TD=0, 让系统投 入运行.
3
② 误差积分性能指标
采用误差积分性能指标作为系统整定的性能指标时，系统的 整定就归结为计算控制系统中待定的参数(δ,TI, TD)使各类积 分数值最小，如：
各种积分指标： IE（误差积分） 优点：简单，也称为线性积分准则 局限：不能抑制响应等幅波动 IAE（绝对误差积分） 特点：抑制响应等幅波动 ISE（平方误差积分） 优点：抑制响应等幅波动和大误差 局限：不能反映微小误差对系统的影响 ITAE（时间与绝对误差乘积积分） 优点：着重惩罚过度时间过长