控制方案和控制规律的选取.ppt

控制方案和控制规律的选取,控制方案和控制规律的选取是控制系统设计中最重要的部分之一。决定整个控制系统中信息所经过的运算处理，也就决定了控制系统的基本结构和基本组成，所以对控制质量起决定性的影响。,2.5,控制方案的选取,2.5.1,系统方面,回路方面,反馈方面,信号类型,计算机控制组合仪表控制,单回路多回路,前馈控制反馈控制,纯直流控制纯交流控制直交流混合控制,计算机控制组合仪表控制,集散控制现场总线控制,FCS与DCS比较,信号的传输方式不同 通信协议不同 DCS和FCS结构不同 DCS和FCS结构可靠性不同 DCS与FCS的成本不同,单回路多回路比较,单回路结构简单易实现，其控制器一般起到串联校正的作用。但该系统对参数敏感，抑制干扰能力差，适用于控制对象简单且性能指标要求不高的系统多回路系统为一高阶系统，相当于串级控制系统，有一个被控对象，主回路是单位负反馈。这种控制系统由于有局部反馈，可以更好的抑制干扰。,前馈控制与反馈控制比较,反馈测量偏差，再调节；前馈测量干扰，再调节反馈调节与前馈调节调节规律不同 反馈调节是一个负反馈的闭环系统；前馈调节是一个开环控制反馈调节常包含多个干扰；前馈调节与干扰的补偿是一一对应 测量信号不同。反馈调节产量的是被控参数的变化；前馈调节测量的是干扰信号反馈调节不能使被调参数稳定在给定值上不动，是使被调参数稳定在给定值附近动态变化，达到系统的动态稳定；前馈调节在理论上可以实现无差调节。,控制规律的选取,2.5.2,控制规律的表现形式,2.5.2.1 双位控制,实际双位控制,比例调节的动作规律，比例带在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即，u=Kp e（4.3）式中Kp称为比例增益,比例调节（P调节）,P调节的阶跃响应,P调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。输出u实际上是对其起始值的增量。因此，当偏差e为零，因而u0时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有u=u0。u0的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。,u=Kp e,u0,u0+Kpe,0,比例带 为表示调节器输入和输出之间的比例关系，在过程控制中习惯用比例带（比例度）来代替比例增益：,式中 emax emin-偏差信号范围，即仪表量程 umax umin-调节器输出信号范围，即控制器输出的工作范围,具有重要的物理意义u代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变100%即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。例如，若测量仪表的量程为100则50%就表示被调量需要改变50才能使调节阀从全关到全开。当被调量处在“比例带”以内调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。超出这个“比例带”以外调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保持比例关系。,如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是统一的标准信号，即，则有此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%的开度变化，相应的比例增益就大。,比例调节的特点，有差调节,比例调节的显著特点就是有差调节。,这里的杠杆充当了比例调节器：液位变化e是其输入；阀杆位移u 是其输出；调节器的比例增益为：,该比例调节器是有余差的！,余差的大小与比例增益有关，Kp大，余差小。,余差（或静差）是指：被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。余差的大小与调节器的放大系数K或比例带有关放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。,比例带对于调节过程的影响,a)大调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长b)减小调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差减小c)进一步减小被调量振荡加剧d)为临界值系统处于临界稳定状态e)小于临界值系统不稳定，振荡发散,图4.4 对比例调节过程的影响,比例调节的特点：（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：u=K e（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。（3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。,若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快一些；相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。,比例带的一般选择原则：,被控对象的放大倍数,它是对象的静态参数，对象的放大倍数较大时，即对象的输出信号的变化量与输入信号（操纵变量）的变化量之比是比较大。如果对象的放大倍数较小时，控制器的比例度应该选择小点。会让系统曲线会更好，控制质量更高。例如，水槽的液位控制系统中，水槽的直径有两种：1.直径为1米：水槽的放大倍数较大；对象的液位变化较灵敏，系统的灵敏也较高（过渡过程基本是衰减震荡过程或等幅衰减震荡过程）；如果此时让控制器的比例度设置较小，即是控制器的放大倍数选择较大，这样会让原较灵敏的系统对干扰更加敏锐，更有可能让系统震荡而不稳定，出现发散型震荡。2.直径为10米：水槽的放大倍数相对较小；对象的液位变化相对较迟缓，系统的灵敏度相对来说也较低（过渡过程基本是非周期震荡过程）；如果让控制器的比例度设置较小，即是控制器的放大倍数选择较大，这样会让原不灵敏的系统更加灵敏，让系统更加稳定，出现衰减震荡过程。,被控对象的时间常数,它是对象的动态参数，对象的时间常数是对象受到干扰时被控变量发生偏离，通过系统自身负反馈的自我调节控制能力，让被控制变量再次稳定下来时所需要的时间，称为时间常数。理论研究发现，对象的时间常数与对象的放大倍数是成反比的，因此对象的时间常数较大时，控制器的比例度应选择小点来提高控制质量。,滞后大小,滞后大小是指滞后时间与对象的时间常数之比（）。如果对象的 较大时，说明对象收到干扰后要经过较长时间被控变量才能发现变化。假设相对应的控制器比例度此时选择较小时，控制器根据较小的输入偏差信号，迅速发出一个较大的输出控制信号，让执行器的阀门开启度发生较高的变化，即产生较大的流量变化，流量的迅速较大的变化来消除干扰，但是对象滞后时间较大，较大的流量变化不能马上传送到被控变量，此时过程中被控变量还在继续偏离给定值，偏差在继续增大，控制器的输出也在成比例的继续增大，流量的变化量同样也在继续增大，等到前面流量的变化影响到被控变量时，后面控制器发出的控制信号，让流量发生变化的量会让控制变量生产反向偏差，这样会因滞后时间较大而易产生震荡。因此对象的滞后时间较大时，控制器的比例度应该选择较大一些，就是缓慢（对象滞后较大）对缓慢（控制器的比例度较大，比例度大些系统动作缓慢下来的），这样不会产生过分的控制现象。结论：滞后较小时，一方面是对象的滞后时间较小，控制器的比例度应选择较小点；另一方面对象的时间常数较大，同样控制器的比例度也要选择小点才能得到较高的控制质量。,比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下：压力调节：3070%流量调节：40100%液位调节：2080%温度调节：2060%,1 积分调节动作规律 调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的积分成正比，即：,积分调节（I调节),积分调节的阶跃响应,I调节器的输出不仅与偏差信号的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化，直到偏差为零调节器的输出才稳定下来不再变化。所以积分调节作用能自动消除余差。注意I调节的输出不像P调节那样随偏差为零而变到零。,2 积分调节的特点，无差调节,积分调节的特点是无差调节只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就要动作到把被调量的静差完全消除为止而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输出就会保持不变。调节器的输出可以停在任何数值上,即:被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。,积分调节的稳定性它的稳定作用比P调节差，采用积分调节不可能得到稳定的系统。,K=2K=0.2,积分调节的滞后性它的滞后特性使其难以对干扰进行及时控制，所以一般在工业中，很少单独使用I调节，而基本采用PI调节代替纯I调节。,采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分速度S0成正比。增大积分速度降低系统的稳定程度。,3 积分速度对于调节过程的影响,积分速度（积分常数）的大小对调节过程影响：增大积分速度调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低当积分速度大到超过某一临界值时，整个系统变为不稳定，出现发散的振荡过程。S0愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡，而最大动态偏差则愈来愈小。减小积分速度调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程。无论增大还是减小积分速度，被调量最后都没有残差,图4.7 积分速度S0 对调节过程的影响,比例调节和积分调节的比较：比例调节是有差调节，积分调节是无差调节比例调节能立即响应偏差变化积分调节调节过程缓慢当被调参数突然出现较大的偏差时比例调节能立即按比例把调节阀的开度开得很大但积分调节器需要一定的时间才能将调节阀的开度开大或减小如果系统干扰作用频繁，积分调节会显得十分乏力单独的积分调节系统较罕见，它作为一种辅助调节规律与比例调节一起组成比例积分调节规律。,图4.8 P与I 调节过程的比较,结论：P调节有余差I调节没有余差，但超调大，不如P稳定,调节器的输出u与被调量或其偏差e对于时间的导数成正比，即,式中，S2 微分时间。,2.5.2.4 微分调节（D调节）,D调节的阶跃响应,微分调节的思想：微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。,调节器在t=t0时刻，输入阶跃偏差e，偏差的变化速度为：,之后，调节器的输出立即又回到零，理想的微分调节特性曲线为一垂直直线。,如加热炉温度自动调节,当温度低于给定值时,则煤气阀门应开大,这是比例调节作用,但同时发现,温度降低的速度很快,说明出现了较大的扰动,则下一时刻的偏差将会更大,因此应预先采取措施,即提前动作,把煤气阀门的开度开得更大一些,这叫超前作用。,微分调节的特点P和I是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作(即偏差的方向和大小进行调节)。微分调节是根据偏差信号的微分,即偏差变化的速度而动作的。只要偏差一露头,调节器就立即动作，以求更好的调节效果偏差没有变化,微分调节不起作用。微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后。,注意：微分调节不能消除余差。微分调节只对偏差的变化做出反应，而与偏差的大小无关。单纯的微分调节器也是不能工作的。实际的调节器都有一定的失灵区，若调节误差的变化速度缓慢，以至于调节器不能察觉，纯微分调节器将不会动作，此时调节误差会不断累积却得不到校正。,PID是比例、积分、微分的缩写 Proportional-Integral-Differential比例作用的输出与偏差大小成正比；积分作用的输出变化速度与偏差成正比；微分作用的输出与偏差变化速度成正比。,比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。,比例调节 K的变化对控制效果的影响,积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。,积分调节，Ti的变化对控制效果的影响,微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。,微分调节，Td的变化对控制效果的影响,1 比例积分（PI）调节积分调节可以消除静差,但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。,比例积分微分调节(PID调节),PI调节规律为：,式中 比例带（可视情况取正值或负值）TI 积分时间和TI 是PI调节器的两个重要参数。,图4.10 PI调节器的阶跃响应,TI,在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为e的阶跃，然后以固定速度eTI变化。当t=TI时，调节器的总输出为2e。输出的积分部分正好等于比例部分。TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：TI愈小，积分部分所占的比重愈大。,残差的消除是PI调节器积分动作的结果。积分部分的阀位输出使调节阀开度最终得以到达抵消扰动所需的位置。比例部分的阀位输出Up在调节过程的初始阶段起较大作用，但调节过程结束后又返回到扰动发生前的数值。,比例积分调节过程,负荷变化前（tt0）被控系统稳定，控制偏差为零，调节器输出保持某恒定值。,图4.11 PI 调节器对过程负荷变化的响应,0,u0,图4.11 PI 调节器对过程负荷变化的响应,t=t0时刻，系统负荷发生阶跃变化,P调节立即响应偏差变化，产生正的跃变，I调节则从零开始累计偏差。此后，在PI的共同作用下，调节的总输出持续增加。,图4.11 PI 调节器对过程负荷变化的响应,在t=t1 时刻，系统开始响应，控制偏差开始减小，P调节紧跟着减小，I调节因偏差仍存在且方向不变，所以继续增加PI调节的综合结果u也仍持续增大使控制偏差进一步减小,图4.11 PI 调节器对过程负荷变化的响应,t=t2时刻，偏差减小至零,P调节作用彻底消失，I调节也停止增长如果积分时间足够小，此时调节器的输出将大于所要求的值，致使系统产生反向偏差，也即超调。,图4.11 PI 调节器对过程负荷变化的响应,t2t3阶段，偏差反向，P调节作用反向，I调节作用也由增加变为减小，PI调节的整体作用表现为减小，直至从超调位置下降到系统要求的作用点，即图中的 t=t3点处，此时偏差从超调处回落到零，系统达到新的平衡。,由上分析PI调节引入积分动作消除了系统余差，却降低了原有系统的稳定性。调节过程中的超调趋势随比例增益的增大和积分时间的减小而增大，因此PI调节的比例增益要设置得比纯P调节小，对积分时间的设置也应有一定的限制。,PI调节在比例带不变的情况下，减小积分时间TI，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。,图4.12 PI控制系统不同积分时间的响应过程,比例积分调节的特点：具有比例调节作用反应快、无滞后的优点，可以加快调整作用，缩短调节时间，又具有积分调节的优点，可以消除静差。对于一般调节对象，均可用比例积分调节，比例带和积分时间选择合适，基本可以满足生产工艺要求。,积分饱和现象与抗积分饱和的措施,积分饱和现象,积分饱和现象,图4.14 加热器出口水温控制系统,图4.15 温度比例积分控制系统积分饱和,限制PI调节器的输出uPI设定限值时，uPI=umax结果：这样有可能在正常操作中不能消除系统的余差积分分离法e设定限值时，改用纯P调节结果：既不会积分饱和又能在小偏差时利用积分作用消除偏差遇限削弱积分法uPI设定限值时，只累加负偏差，反之亦然结果：可避免控制量长时间停留在饱和区,抗积分饱和的措施,PD调节器的动作规律是,2 比例微分(PD)调节规律,式中 比例带，可视情况取正值或负值 TD 微分时间,工业上实际采用的PD调节器的传递函数是：,式中 KD 微分增益,相应的单位阶跃响应为：,微分作用,纯比例作用,纯比例作用,TD大，微分作用强,说明：微分作用的强弱用微分时间TD来衡量微分时间TD越大，微分作用越强，超前时间越大。理想的微分调节是不能单独使用的，它总是依附于比例调节或比例积分调节的。,根据PD调节器的斜坡响应也可以单独测定它的微分时间TD,如果TD=0即没有微分动作，那么输出u将按虚线变化。微分动作的引入使输出的变化提前一段时间发生，而这段时间就等于TD。PD调节器有导前作用，其导前时间即是微分时间TD。,PD调节也是有差调节在稳态下，dedt0，PD调节器的微分部分输出为零，因此，此时PD调节与P调节相同。微分调节有提高控制系统稳定性的作用 微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡引入微分动作要适度，当TD超出某一上限值后，系统反而变得不稳定适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带这样可以减小残差、减小短期最大偏差、提高振荡频率同时保持衰减率不变。,比例微分调节的特点,微分调节也有不利之处：微分动作太强容易导致调节阀开度向两端饱和在PD调节中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅助调节作用。PD调节器的抗干扰能力很差只能应用于被调量的变化非常平稳的过程，一般不用于流量和液位控制系统。微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。,比例微分调节的特点（续）,图4.18 P调节系统和PD调节系统过程的比较,图4.19 PD控制系统不同微分时间的响应过程,PID调节：将比例、积分、微分三种调节作用结合起来的调节。PID调节器的动作规律是：,3 比例积分微分(PID)调节规律及其基本特征,PID调节的三个特征参数比例带、积分时间TI、微分时间TD,PID调节器的传递函数物理上不能实现,工业上实际采用的PID调节器，如DDZ型调节器，其调节律为,图中的阴影部分面积代表微分作用的强弱,图4.20 工业PID调节器单位阶跃响应,一组MATLAB仿真试验,纯P作用下系统的阶跃响应,纯P调节是有差调节Kp大，稳态误差小，响应快，但超调大,PI作用下系统的阶跃响应,引入积分，消除了余差Ti小，响应速度加快，超调大，系统振荡加剧,PI作用下系统的阶跃响应,在同样积分常数Ti下，减小比例增益Kp可减小超调，增加系统的稳定性,PD作用下系统的阶跃响应,引入微分项，提高了响应速度，增加了系统的稳定性但不能消除系统的余差,PD作用下系统的阶跃响应,微分时间越大，微分作用越强，响应速度越快，系统越稳定,PID作用下系统的阶跃响应,PD基础上I作用的引入消除了余差，达到了理想的多项性能指标要求：超调、上升时间、调节时间、余差等,调节器动作规律的选择应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求、系统的经济性以及系统投入方便等进行选择。如，对象时间常数（迟延）大小、有无余差要求、负荷变化大小等T大，加微分如温度、成分、pH值控制等无余差，加积分如管道压力和流量的控制T较小，负荷变化较小，工艺要求不高，纯比例贮罐压力、液位的控制T大（延迟大）、负荷变化大复杂控制,如果被控对象传递函数可用 则可根据对象的可控比/T选择调节器的动作规律。/T 1.0，应选用如串级、前馈等复杂控制系统,