简单控制系统

Ｏ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。
简单控制系统的设计原则
对象动态特性对控制质量的影响（一）
对扰动通道特性的影响 设: 扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf 时间常数Ｔf小，干扰的作用快，对象受干扰的影响强， 一般希望时间常数大些 纯滞后时间τf使干扰对被控变量的作用推迟了一段时间，由于干扰作用的 推迟，有利于及时对干扰的影响进行补偿，提高控制质量。
差，但系统的振荡加剧。
相比之下，曲线２就比较 理想。
积分饱和：积分饱和指的是一种积分过量现象。
在间歇式反应釜温度控 制系统中，进料的温度 较低，离设定值较远， 所以在初始阶段偏差较 大，控制器输出会达到 积分极限，把加热蒸汽 阀开足。当釜内温度达 到和开始超出设定值后， 蒸汽阀仍不能及时关小， 结果使温度大大超出设 定值，使动态偏差加大， 控制质量变差。
PID控制规律对控制过程的影响
比 例 度 对 控 制 过 程 的 影 响
比例度的选择原则: 若对象的滞后较小， 时间常数较大以及放 大倍数较小，那么可 以选择小的比例度来 提高系统的灵敏度， 从而使过渡过程曲线 的形状较好。反之， 为保证系统的稳定性， 就要选择大的比例度 来保证稳定。
PID控制规律对控制过程的影响
积分时间TI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比例作用 的输出所经历的时间。
积分常数越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。
PID控制规律对控制过程的影响
积 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影 响
左图表示在同样比例度下
积分时间对过渡过程的影 响。由图中曲线３可以看 出，TI过大时积分作用不 明显，余差消除地也慢， 从图中曲线１、２可以看 出，TI较小时易于消除余
理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。
简单控制系统的设计原则
测量变送问题----纯滞后(传递滞后)
l
1
t hc a h(∞) a
2
τn τ0 (a) (b) t
简单控制系统的设计原则
测量变送问题----传递滞后
克服传递滞后采取以下措施： ⑴ 尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过 300m，管径应大于６mm。或在气路60m距离间加气动继动 器，提高气信号传输功率，减小传输时间。 ⑵ 采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。
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。
比例积分微分控制规律
理想PID控制器的运算规律数学表达式为：
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。 比例控制的输出与偏差有关，也与比例系数有关
比例控制器的阶跃响应特性
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 δ=1/KP δ越大，比例控制作用越弱，δ越小，比例控制作用越强。
简单控制系统的设计原则
对象动态特性对控制质量的影响（二） 设：控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后时间为τo 时间常数ＴO小，反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响 时间常数ＴO过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的超调量加 大，过渡时间增长 纯滞后时间τ0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间，由于控制 作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程振荡加剧， 过渡时间增长，控制质量变坏。
控制器运算规律通常都是用增量形式表示，若用实际值表示，则改写为：
1 u (t ) K c et TI
et dt TD
式中u(t)=Δu(t)+u(0)，u(0)为控制器初始输出值，即t=0瞬间的控制器输出。
det u ( 0) dt
PID控制规律对控制过程的影响
位式(双位)调节规律 比例规律（P） 比例积分规律（PI） 比例微分规律（PD） 比例积分微分规律（PID）
位式控制规律
位式控制规律：可分为双位控制和多位控制。双位控制的特 性可以用下面的数学表达式来描述
1、双位控制系统：双位控制系统的规律是当测量值大于给定值时，控制器 输出为最小（或最大）,而当测量值小于给定值时,则输出为最大（或最小）, 即控制器只有两个输出值。又称为开关控制。 2、数学表达式：
简单控制系统的设计原则
操纵变量的选择
从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性
良好的输入参数
扰动变量（输入量） 操纵变量（输入量） 被控变量
操纵变量的选择原则
⑴ 要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数、比
较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。⑵ 系统主要扰动通道特性应 该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。⑶ 考虑工艺上的合
2.2 简单（单回路）控制系统
概述 简单控制系统（单回路控制系统）
由一个被控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）
组成的闭环控制系统。
简单温度控制系统
温度控制系统方框图
概述
气体质量流量控制实例
简单流量控制系统
流量控制系统方框图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
概述
液位简单回路控制实例
简单液位控制系统
液位控制系统方框图
PID控制规律对控制过程的影响
比例微分控制规律
e t △y
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。
t
理想PD控制器的阶跃响应曲线
PID控制规律对控制过程的影响
微 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影 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
位式控制规律
如H＞H0 继电器通，阀关Q入=0；H下降；当H＜H0继电器 断，阀开Q入＞Q出；H上升；实际应用的双位控制器都存在 一个中间区，其特性可表示为
具有中间区的双位控制
实际应用的双位控制器具有一个中间区，被控参数在中间区时，控制机构不工 作，当参数上升至测量值高于给定值某一数值后，控制机构才关；当参数下降 至测量值低于给定值某一数值后，控制机构才开，这样，控制机构开关的频率 程度大为降低，从而起到保护的作用。特点是结构简单、成本低、易实现，应 用很普遍；如恒温炉、管式炉的温度控制等。
当控制器输出小于 YL 用PI规律，反之用P规律
PID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
理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：
微分时间
de y TD dt
在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输 出为无穷大，其余时间输出为零。
比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间 ＴＤ成正比。微分时间越长，微分作用越强。
双位控制特点 结构简单， 成本较低， 易于实现， 应用普遍。 如：空气 压缩机贮 罐的压力 控制、恒 温箱、电 烘箱的温 度控制等。
实际的双位控制特性
具有中间区的双位控制过程
比例控制规律P
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 △y＝KP e(t) 式中 △y-为控制器的输出;
比例积分控制规律对控制过程的影响
积分作用数学表达式为
1 y TI
edt
0
t
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。 偏差e为常数时，积分规律 积分控制规律的输出与偏差有关，与比例系数有关，也与时间有关系 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
PID控制规律对控制过程的影响
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
简单控制系统的设计原则
比例积分微分控制规律 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，但并非任何情况下都可采用PID三 作用控制器。因为PID三作用控制器需
pmax p pmin
e 0( 或e 0 )时 e 0( 或e 0 )时
3、双位控制特性：如下图
4、缺点：执行器在频繁工作，容易出现故障。
位式控制实例
24V + _
继电器
理想双位控制特性
双位控制示例
槽内装有一个电极，作为液位的测量装臵。电极的 一端与继电器的线圈 J 相接；另一端正好处于液位 给定值的位臵上。导电流体经装有电磁阀 V 的管线 进入贮槽，再由出料管流出。贮槽的外壳接地。
间歇式反应釜温度控制系统
积分饱和：积分饱和指的是一种积分过量现象。
造成积分饱和原因：
积分规律与时间有关，时间越长输出越大。
因此，经过一段调节后尽管偏差变小，但是积分作用仍然很大，导致 控制器输出越来越大导致过大超调。
1 y KP( e TI
edt )
0
t
结论：凡是长期存在偏差的简单控制系统，常会出现积分饱和的现象。复 杂控制系统也会出现积分饱和现象。
积分饱和：积分饱和指的是一种积分过量现象。
解决积分饱和问题的常用方法是采用PI-P控制规律。当控制器 输出在某一范围之内时。采用PI控制规律，目的消除余差；当 超出某一限值时，采用P作用，目的防止积分饱和。
1 y KP( e TI y KP e
edt )
0
t
(y YL) (y YL)