過程控制 第三章 整定

1、第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定3-1 控制系統(tǒng)整定的基本要求控制系統(tǒng)整定的基本要求3-2 衰減頻率特性法定性分析衰減頻率特性法定性分析 3-3 工程整定方法工程整定方法3-4 參數(shù)自整定參數(shù)自整定第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定3-1 控制系統(tǒng)整定的基本要求控制系統(tǒng)整定的基本要求PID廣義被控對象廣義被控對象給定值給定值r r被調(diào)量被調(diào)量y yeu 控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的任務(wù)任務(wù)是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確

2、定、控制定、控制設(shè)備設(shè)備與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下下, ,通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)（通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)（、T TI I、T TD D) )，使其與，使其與被控對象特性相匹配，以達(dá)到最佳的控制效果。被控對象特性相匹配，以達(dá)到最佳的控制效果。第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定1. 參數(shù)整定參數(shù)整定調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)的過程稱為參數(shù)整定。當(dāng)調(diào)節(jié)器的參數(shù)被整定調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)的過程稱為參數(shù)整定。當(dāng)調(diào)節(jié)器的參數(shù)被整定到使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果時，稱為最佳整定參數(shù)。到使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果時，稱為最佳整定參數(shù)。 2

3、. .參數(shù)整定的依據(jù)參數(shù)整定的依據(jù)性能指標(biāo)性能指標(biāo)1）單項性能指標(biāo)：）單項性能指標(biāo)：衰減率衰減率、超調(diào)量、過渡過程時間。、超調(diào)量、過渡過程時間。 =0.75適應(yīng)于大部分允許有一些超調(diào)的工業(yè)過程。適應(yīng)于大部分允許有一些超調(diào)的工業(yè)過程。 =1適用于被控對象的慣性較大，且不允許有過調(diào)的控制系統(tǒng)。適用于被控對象的慣性較大，且不允許有過調(diào)的控制系統(tǒng)。2）誤差積分指標(biāo)：）誤差積分指標(biāo)：IE、IAE、ISE、ITAE等。等。 第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定 在實際系統(tǒng)整定過程中，常將兩種指標(biāo)綜合起來使用。在實際系統(tǒng)整定過程中，常將兩種指標(biāo)綜合起來使

4、用。 一般先改變某些調(diào)節(jié)器參數(shù)（如比例帶）使系統(tǒng)獲得規(guī)定一般先改變某些調(diào)節(jié)器參數(shù)（如比例帶）使系統(tǒng)獲得規(guī)定的衰減率，然后再改變另外的參數(shù)使系統(tǒng)滿足積分指標(biāo)。經(jīng)過的衰減率，然后再改變另外的參數(shù)使系統(tǒng)滿足積分指標(biāo)。經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)整，使系統(tǒng)在規(guī)定的衰減率下使選定的某一誤差指多次反復(fù)調(diào)整，使系統(tǒng)在規(guī)定的衰減率下使選定的某一誤差指標(biāo)最小，從而獲得調(diào)節(jié)器的最佳整定參數(shù)。標(biāo)最小，從而獲得調(diào)節(jié)器的最佳整定參數(shù)。 第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定3. .調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法1）理論計算整定法：（根軌跡法、頻率特性法）理論計算整定法：（

5、根軌跡法、頻率特性法）基于數(shù)學(xué)基于數(shù)學(xué)模型通過計算直接求得調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，整定過程復(fù)雜，且模型通過計算直接求得調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，整定過程復(fù)雜，且往往由于被控對象是近似的，故所求得的整定參數(shù)不可靠。往往由于被控對象是近似的，故所求得的整定參數(shù)不可靠。2）工程整定法：臨界比例帶法、衰減曲線法、圖表整定法。這）工程整定法：臨界比例帶法、衰減曲線法、圖表整定法。這寫方法通過并不復(fù)雜的實驗，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的近似最佳寫方法通過并不復(fù)雜的實驗，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程種得到廣泛的應(yīng)用。整定參數(shù)，因而在工程種得到廣泛的應(yīng)用。第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡

6、單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定3-2 衰減頻率特性法定性分析衰減頻率特性法定性分析 cp1+G (s)G (s)1,2s= - j-2m =1-em=0.75m=0.221,=0.9m=0.366 = arctg= arctgm從控制理論得知，對于二階系統(tǒng)，其特征方程從控制理論得知，對于二階系統(tǒng)，其特征方程若有一對共軛復(fù)根：若有一對共軛復(fù)根：對應(yīng)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)衰減率為對應(yīng)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)衰減率為 其中其中，稱為系統(tǒng)相對穩(wěn)定度，稱為系統(tǒng)相對穩(wěn)定度在根平面上有在根平面上有GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)1. .衰減頻率特性和穩(wěn)定度判據(jù)衰減頻率特性和穩(wěn)定度判據(jù) - -jj第一篇第一篇

7、 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定- -ABO- +1,2s= - m j ocpWs = G (s)G (s)oWm, j當(dāng)頻率從當(dāng)頻率從，折線，折線AOB上的任一點可表示為上的任一點可表示為將將s的值帶入系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的值帶入系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)得到系統(tǒng)的開環(huán)得到系統(tǒng)的開環(huán)衰減頻率特性衰減頻率特性對應(yīng)的推廣奈氏穩(wěn)定性判據(jù)對應(yīng)的推廣奈氏穩(wěn)定性判據(jù)穩(wěn)定度判據(jù)為：穩(wěn)定度判據(jù)為： oW soW m,js在復(fù)平面在復(fù)平面AOB折線右側(cè)有折線右側(cè)有p個極點，那么當(dāng)頻率從個極點，那么當(dāng)頻率從時時逆時針包圍（逆時針包圍（-1，j0）的圈數(shù)為）的圈數(shù)為p，則閉環(huán)系統(tǒng)

8、衰減率滿足規(guī)定要求則閉環(huán)系統(tǒng)衰減率滿足規(guī)定要求若若第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定 oWssss若若在復(fù)平面在復(fù)平面AOB折線右側(cè)無極點，折線右側(cè)無極點，變化時，變化時，不包圍（不包圍（-1，j0），則閉環(huán)系統(tǒng)衰減率滿足規(guī)定要求），則閉環(huán)系統(tǒng)衰減率滿足規(guī)定要求通過（通過（-1，j0），則閉環(huán)系統(tǒng)衰減率滿足規(guī)定要求），則閉環(huán)系統(tǒng)衰減率滿足規(guī)定要求包圍（包圍（-1，j0），則閉環(huán)系統(tǒng)衰減率不滿足規(guī)定要求），則閉環(huán)系統(tǒng)衰減率不滿足規(guī)定要求當(dāng)頻率從當(dāng)頻率從oW m,j- -ABOoW m,joW m,j滿足特征方程：滿足特征方程：01),(),

9、(jmGjmGsPsc第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定ss= (m )cspscspsMm , j Mm , j = 1m , jm , j = -1. .衰衰減頻率特性法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)減頻率特性法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)滿足設(shè)滿足的特征方程為的特征方程為即：即： 求得以上滿足幅值條件和相位條件的所組成的方程組便可求得以上滿足幅值條件和相位條件的所組成的方程組便可得到調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)及振蕩頻率。得到調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)及振蕩頻率。 01),(),(jmGjmGsPsc第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系

10、統(tǒng)的整定CpsCpsspsKMm , j= 111K=Mm ,m , j= -1）單參數(shù)調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定）單參數(shù)調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定其中其中s s是由相頻特性求得的。是由相頻特性求得的。 求解方程組：求解方程組：（1）比例調(diào)節(jié)器）比例調(diào)節(jié)器: GC(ms,j)=KC（2）積分調(diào)節(jié)器）積分調(diào)節(jié)器:求解方程組：求解方程組：ssc2s0Cspspsspspss1 + mS=Mm , jMm , j= 1Mm ,m , jm , j= -m , j= -+ arctgm20sssS1G(m , j) = (m + j)m + j結(jié)論結(jié)論由頻率特性方程組可得到：由頻率特性方程組可得到：單參數(shù)調(diào)節(jié)器唯一整定參

11、數(shù)單參數(shù)調(diào)節(jié)器唯一整定參數(shù)第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定P調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)和I調(diào)節(jié)的相頻特性調(diào)節(jié)的相頻特性:pspssm , j= -m , j= -+ arctgm2對同一對象：對同一對象：相對穩(wěn)定度相對穩(wěn)定度m越小，系統(tǒng)振蕩頻率越高；越小，系統(tǒng)振蕩頻率越高；P調(diào)節(jié)的振蕩頻率比調(diào)節(jié)的振蕩頻率比I調(diào)節(jié)的振蕩頻率高。調(diào)節(jié)的振蕩頻率高。m=0m=0.221m=0.366-/2-01 12 24 46 65 53 3P：I：1 12 24 46 65 53 3:采用采用P調(diào)節(jié)時系統(tǒng)的振蕩頻率調(diào)節(jié)時系統(tǒng)的振蕩頻率:采用采用I調(diào)節(jié)時系統(tǒng)的振蕩頻率調(diào)節(jié)

12、時系統(tǒng)的振蕩頻率第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定2）雙參數(shù)調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定）雙參數(shù)調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定（1）PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)cC10CII111G (s) = k (1+) = S +S= k +kT sssIT、 、由頻率特性方程組由頻率特性方程組，因此得到的解是多組解，因此得到的解是多組解 解三個變量解三個變量cspscspsMm , j Mm , j = 1m , jm , j = -=0=0=0.75=0.75=0.9=0.9T TI I= =常數(shù)常數(shù)(a)有自平衡能力的多容對象有自平衡能力的多容對象; (b)無自平衡能力的多容對象無自

13、平衡能力的多容對象=0.75=0.9=000s0s0s1s1第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定112233445567CKdK0PD控制系統(tǒng)的等衰減率曲線控制系統(tǒng)的等衰減率曲線CKdK0(n-1)階對象n階對象(b)Td=T(a)（2）PD調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)DT、由頻率特性方程組由頻率特性方程組，因此得到的解是多組解，因此得到的解是多組解 解三個變量解三個變量cspscspsMm , j Mm , j = 1m , jm , j = -第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定PI調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)PD調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)

14、IPCI1K,K = KTdDPCKT ,K = K第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定 綜上分析可看到，用這種理論的整定方法整定調(diào)節(jié)器參綜上分析可看到，用這種理論的整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，當(dāng)調(diào)節(jié)器的參數(shù)超過一個時，整定是非常麻煩的，計算數(shù)，當(dāng)調(diào)節(jié)器的參數(shù)超過一個時，整定是非常麻煩的，計算量很大實用價值不高。但它可建立調(diào)節(jié)器整定參數(shù)與被控對量很大實用價值不高。但它可建立調(diào)節(jié)器整定參數(shù)與被控對象動態(tài)特性參數(shù)之間的關(guān)系，為工程整定的經(jīng)驗公式提供理象動態(tài)特性參數(shù)之間的關(guān)系，為工程整定的經(jīng)驗公式提供理論依據(jù)。論依據(jù)。 第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單

15、控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定3-3 工程整定方法工程整定方法1. .動態(tài)特性參數(shù)法（離線整定、開環(huán)整定）動態(tài)特性參數(shù)法（離線整定、開環(huán)整定）-sKG(s) =e =Ts +1自衡對象：自衡對象：非自衡對象：非自衡對象：-s11G(s) =e =TsT齊勒格齊勒格(Ziegler)-尼科爾斯尼科爾斯(Nichols)整定公式（整定公式（=0.75=0.75）T TD DT TI IPPIPID 1.10.8 5 3.32.0 0.5 規(guī)律規(guī)律參數(shù)參數(shù)第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定 齊勒格齊勒格-尼科爾斯整

16、定公式比較粗糙，經(jīng)過不斷改進(jìn)，廣為流尼科爾斯整定公式比較粗糙，經(jīng)過不斷改進(jìn)，廣為流傳的是科恩傳的是科恩-庫恩公式（自衡對象庫恩公式（自衡對象=0.75）第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定 隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，又有以積分指標(biāo)為輔助系統(tǒng)性能指隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，又有以積分指標(biāo)為輔助系統(tǒng)性能指標(biāo)的調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定公式，如教材表標(biāo)的調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定公式，如教材表3.2（針對自衡對象）（針對自衡對象）第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定2. .穩(wěn)定邊界法（臨界比例帶法）閉環(huán)試驗法穩(wěn)定邊界法（

17、臨界比例帶法）閉環(huán)試驗法T TD DT TI IPPIPIDcr2cr2.2cr1.67cr0.85TTcr0.5Tcr0.125規(guī)律規(guī)律參數(shù)參數(shù)TcrcrcrT和 使調(diào)節(jié)器為純比例規(guī)律，且使調(diào)節(jié)器為純比例規(guī)律，且比例帶較大；比例帶較大；使系統(tǒng)閉環(huán)，待穩(wěn)定后，逐使系統(tǒng)閉環(huán)，待穩(wěn)定后，逐步減小比例帶，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)等步減小比例帶，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩時，記下幅震蕩時，記下GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)查表查表3.3第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定注意：注意： 適于臨界穩(wěn)定時振幅不大，周期較長（適于臨界穩(wěn)定時振幅不大，周期較長（T

18、cr30s）的系統(tǒng)，對象）的系統(tǒng)，對象的的 和和T T較小不適用；較小不適用； T較大的單容對象因采用較大的單容對象因采用P調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)永遠(yuǎn)穩(wěn)定，也不適用永遠(yuǎn)穩(wěn)定，也不適用對于非自衡對象，所得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)將使系統(tǒng)的衰減率對于非自衡對象，所得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)將使系統(tǒng)的衰減率0.75對于自衡對象，所得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)將使系統(tǒng)的衰減率對于自衡對象，所得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)將使系統(tǒng)的衰減率0.75對于某些中性穩(wěn)定對象，不能使用此法對于某些中性穩(wěn)定對象，不能使用此法第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定3. .衰減曲線法衰減曲線法 閉環(huán)試驗法閉環(huán)試

19、驗法rsssTT和或和 使調(diào)節(jié)器為純比例規(guī)律，且使調(diào)節(jié)器為純比例規(guī)律，且比例帶較大；比例帶較大；使系統(tǒng)閉環(huán)，待穩(wěn)定后，逐步使系統(tǒng)閉環(huán)，待穩(wěn)定后，逐步減小比例帶，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)衰減減小比例帶，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)衰減振蕩時（振蕩時（=0.75 =0.75 ，=0.9=0.9） ，計下計下GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)TsTr第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定查表查表3.4T TD DT TI IPPIPIDss1.2s0.8s0.5Ts3T0.s0.1T規(guī)律規(guī)律參數(shù)參數(shù)=0.75=0.75=0.9=0.9T TD DT TI IPPIPI

20、Dss1.2s0.8r2Tr1.2Tr0.4T規(guī)律規(guī)律參數(shù)參數(shù)注意：注意：對于擾動頻繁而過程又較快的系統(tǒng)，對于擾動頻繁而過程又較快的系統(tǒng)，Ts的測量不易準(zhǔn)確，的測量不易準(zhǔn)確，因此給參數(shù)整定帶來誤差。因此給參數(shù)整定帶來誤差。第一篇第一篇 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第三章第三章 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定4. .經(jīng)驗法經(jīng)驗法 先根據(jù)經(jīng)驗確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)先根據(jù)經(jīng)驗確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，然后人為加入階躍擾動（通常為調(diào)節(jié)器設(shè)定值擾動），行，然后人為加入階躍擾動（通常為調(diào)節(jié)器設(shè)定值擾動），觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出曲線變化，并依照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出曲線變化，并依照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響，改變相應(yīng)的參數(shù)，一般先整定調(diào)節(jié)過程的影響，改變相應(yīng)的參數(shù)，一般先整定，再整定，再整定TI和和TD，如此反復(fù)試驗多次，直到獲得滿意的階躍響