電廠 自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識和技術(shù)特點(diǎn)ppt課件

1、分 散 控 制 系 統(tǒng)（自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識）華北電力大學(xué) 自動化系概述1、自動控制的概念 在熱力生產(chǎn)設(shè)備上配置一些自動化裝置，代替人的部分直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度上自動地進(jìn)行。這種在無人直接參與的情況下，由自動化儀表和裝置來控制生產(chǎn)過程的辦法就稱為熱力過程自動化。 2、熱力生產(chǎn)過程自動化的組成1自動檢測：對反映熱力生產(chǎn)過程運(yùn)行狀態(tài)的物理量、化學(xué)量以及表征設(shè)備工作狀況的參數(shù)自動地檢查、測量和監(jiān)視。 2自動調(diào)節(jié)：自動調(diào)節(jié)就是依靠自動調(diào)節(jié)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)作用。自動調(diào)節(jié)設(shè)備必須具備檢測、定值、運(yùn)算、執(zhí)行等功能。熱力設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，要求某些表征熱力設(shè)備正常工作的物理量始終維持在某一規(guī)定值或預(yù)定范圍內(nèi)

2、、按預(yù)定的規(guī)律來變化，生產(chǎn)過程經(jīng)常受到各種干擾，使被調(diào)量偏離規(guī)定值，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié) ，使之保持或恢復(fù)到規(guī)定的范圍內(nèi)，保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。3自動保護(hù)：熱力設(shè)備發(fā)生異常甚至發(fā)生事故時，為確保生產(chǎn)的安全，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，需要對某些關(guān)鍵性參數(shù)設(shè)置信號、聯(lián)鎖裝置，事故發(fā)生前，信號系統(tǒng)能發(fā)出聲、光信號，提醒操作人員采取措施。是一種安全裝置。 4自動操縱包括遠(yuǎn)方控制、程序控制或順序控制）：根據(jù)預(yù)先規(guī)定的程序或條件自動地對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作，把操作人員從重復(fù)性勞動中解放出來。 3、熱力生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng) 熱力生產(chǎn)過程自動化主要包括鍋爐、汽輪機(jī)及其輔助設(shè)備的自動控制。自動控制的任務(wù)是使鍋爐、汽輪機(jī)

3、適應(yīng)負(fù)荷的需要，同時又能在安全、經(jīng)濟(jì)的工況下運(yùn)行。 鍋爐自動控制系統(tǒng)，鍋爐自動調(diào)節(jié)的任務(wù)主要有：1使鍋爐供給的蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化的需要；2使鍋爐供給的蒸汽壓力保持一定范圍內(nèi)；3使過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度在一定范圍內(nèi)；4保持汽包水位在一定范圍直流爐無）；5保持燃燒的經(jīng)濟(jì)性；6保持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)上述調(diào)節(jié)任務(wù)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，組成以下幾個相對獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)：1給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)；2過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)；3燃燒過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括燃料量調(diào)節(jié)、送風(fēng)量調(diào)節(jié)、引風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 汽機(jī)自動控制系統(tǒng)汽輪機(jī)自控系統(tǒng)主要有功率轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及超速保護(hù)，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，生產(chǎn)對汽輪機(jī)維持一

4、定的轉(zhuǎn)速和適應(yīng)負(fù)荷變化的要求都很嚴(yán)格，人工操作無法滿足這樣的要求汽輪機(jī)的自控屬于汽輪機(jī)專業(yè)的范疇。輔機(jī)自動控制系統(tǒng)輔機(jī)自動控制系統(tǒng)主要有除氧給水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)等。 熱工自動控制系統(tǒng)組成與分類 自控系統(tǒng)一般由以下幾部分組成： 受控對象過程）：在自動控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機(jī)械等，如汽輪機(jī)、過熱器等；被控變量：表征其工作狀態(tài)的物理量，如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、主汽溫度等；測量變送：對被控量進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號的裝置，例如壓力變送器、熱電阻、熱電偶等；調(diào)節(jié)器：把測定值和設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算，并輸出控制指令的裝置；執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥）：把調(diào)節(jié)器的指令成比例地轉(zhuǎn)換為直線或角位移地裝置； 自動控制系

5、統(tǒng)的分類按控制方式分類 1閉環(huán)控制系統(tǒng)也稱反饋控制系統(tǒng)）：被控量信號反饋到控制設(shè)備的輸入端，成為控制設(shè)備生產(chǎn)控制作用的依據(jù)。被控量與給定量有偏差，控制設(shè)備就要對控制對象施加作用，直到被控量符合要求為止。閉環(huán)控制系統(tǒng)基于偏差進(jìn)行控制，消除偏差，可克服各種擾動對被控量的影響。由于控制作用落后于干擾，因此相對來講控制不及時。a)定值控制系統(tǒng) b)隨動控制系統(tǒng) c)程序控制系統(tǒng) 2開環(huán)控制系統(tǒng)也稱前饋控制系統(tǒng)）：控制設(shè)備和控制對象在信號關(guān)系上沒有形成閉合回路的控制系統(tǒng)，其被控量沒有反饋到控制設(shè)備的輸入端。特點(diǎn)是按擾動進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)簡單，精度差，只能克服單一擾動。3復(fù)合控制系統(tǒng)：開環(huán)控制和閉環(huán)控制組合的

6、一種控制系統(tǒng)。 按閉合回路的數(shù)目分類 1單回路控制系統(tǒng)：只有一個被控量信號反饋到控制器的輸入端。形成一個閉合回路。 2多回路控制系統(tǒng)：具有一個以上的閉合回路，控制器(調(diào)節(jié)器)除接受被控量反饋信號外，還有另外的輸出信號直接或間接地反饋到控制器的輸入端。例如串級控制系統(tǒng)和導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)都是雙回路控制系統(tǒng)。 主要自動化系統(tǒng)CCS：單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)coordination control system，CCS） 協(xié)調(diào)控制是基于機(jī)、爐的動態(tài)特性，應(yīng)用多變量控制理論形成若干不同形式的控制策略，在機(jī)、爐控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上組織的高一級機(jī)、爐主控系統(tǒng)。它是單元機(jī)組自動控制的核心內(nèi)容。 FSSS：鍋爐爐膛安全監(jiān)

7、控系統(tǒng)furnace safeguard supervisory system，F(xiàn)SSS或稱燃燒器管理系統(tǒng)burner management system，BMS） 爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)包括爐膛火焰監(jiān)視，爐膛壓力監(jiān)視，爐膛吹掃，自動點(diǎn)火，燃燒器自動切換，緊急情況下的主燃料跳閘等。 SCS：順序控制系統(tǒng)sequence control system） 按照生產(chǎn)過程工藝要求預(yù)先擬定的順序，有計劃、有步驟、自動地對生產(chǎn)過程進(jìn)行一系列操作的系統(tǒng)，稱之為順序控制系統(tǒng)。順序控制也稱程序控制，在發(fā)電廠中主要用于主機(jī)或輔機(jī)的自動啟停程序控制，以及輔助系統(tǒng)的程序控制。 DEH：汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)digital

8、electric hydraulic system） 汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，除完成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、功率及機(jī)前壓力的控制外，還可實(shí)現(xiàn)機(jī)組啟停過程及故障時的控制和保護(hù)。 BPS：旁路控制系統(tǒng)bypass control system，BPS） 大型中間再熱式機(jī)組一般都設(shè)置旁路熱力系統(tǒng)，其目的是在機(jī)組啟、停過程中協(xié)調(diào)機(jī)、爐的動作，回收工質(zhì)，保護(hù)再熱器等。完備的旁路控制系統(tǒng)是充分發(fā)揮旁路系統(tǒng)功能的前提。 DAS：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)data acquisition system） 又稱為計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其基本功能是對機(jī)組整個生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行在線檢測，經(jīng)處理運(yùn)算后以CRT畫面形式提供給

9、運(yùn)行人員。該系統(tǒng)可進(jìn)行自動報警，制表打印，性能指標(biāo)計算，事件順序記錄，歷史數(shù)據(jù)存儲以及操作指導(dǎo)等。 廠級實(shí)時監(jiān)控信息系統(tǒng)Supervisory Information System in Plant Level，簡稱SIS） SIS是發(fā)電廠的生產(chǎn)過程自動化和電力市場交易信息網(wǎng)絡(luò)化的中間環(huán)節(jié)，是發(fā)電企業(yè)實(shí)現(xiàn)發(fā)電生產(chǎn)到市場交易的中間控制層，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)信息管理一體化的核心，是承上啟下實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)的控制樞紐。實(shí)現(xiàn)全廠生產(chǎn)過程監(jiān)控實(shí)時處理全廠經(jīng)濟(jì)信息和成本核算競價上網(wǎng)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組之間的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)評估及運(yùn)行操作指導(dǎo) AGC：自動發(fā)電控制系統(tǒng)，（automatic gener

10、ation control System，AGC） 由于調(diào)速器為有差調(diào)節(jié)，因此對于變化幅度較大、周期較長的變動負(fù)荷分量，需要通過改變汽輪發(fā)電機(jī)組的同步器來實(shí)現(xiàn)，即通過平移調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靜態(tài)特性，從而改變汽輪發(fā)電機(jī)組的出力來達(dá)到調(diào)頻的目的，稱為二次調(diào)整。 當(dāng)二次調(diào)整由由電網(wǎng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)遙控自動控制時，則稱為自動發(fā)電控制AGC）。 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減率、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、調(diào)節(jié)時間衰減率、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、調(diào)節(jié)時間控制器控制器廣義被控對象廣義被控對象給定值給定值被調(diào)量被調(diào)量穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)動態(tài)動態(tài)控制要求控制要求安全性安全性積極性

11、積極性穩(wěn)定性穩(wěn)定性評價指標(biāo)評價指標(biāo)穩(wěn)定性穩(wěn)定性準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性快速性快速性控制器廣義對象+-給定給定被調(diào)量被調(diào)量y1y3yessts單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減率衰減率: =超調(diào)量超調(diào)量: =穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差: ess=y-r調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間: ts(進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值5%范圍內(nèi)）范圍內(nèi)）131y - yy1100%yyr單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減率衰減率 : 反映了系統(tǒng)穩(wěn)定性反映了系統(tǒng)穩(wěn)定性超調(diào)量超調(diào)量 : 反映了動態(tài)準(zhǔn)確性反映了動態(tài)準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess: 反映了靜態(tài)準(zhǔn)確反映了靜態(tài)準(zhǔn)確性性調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間ts : 反映了快速型反映了快速型一般一般 對定值系統(tǒng)衰減率要求為對定值系統(tǒng)衰減

12、率要求為75%75% 對隨動系統(tǒng)衰減率要求為對隨動系統(tǒng)衰減率要求為90%90%熱工對象的動態(tài)特性典型自衡對象傳遞函數(shù)表達(dá)式典型自衡對象傳遞函數(shù)表達(dá)式典型非自衡對象傳遞函數(shù)表達(dá)式典型非自衡對象傳遞函數(shù)表達(dá)式1= =K響應(yīng)自自衡衡率率速速度度-sKG(s) =eTs +1-s1G(s) =eTs1 =T響應(yīng)速速度度熱工對象具有以下特點(diǎn)： （1被調(diào)量的變化大多是不振蕩的。 （2被調(diào)量在干擾發(fā)生的開始階段有遲延和慣性。 （3在響應(yīng)曲線的最后階段，被調(diào)量可能達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)對象有自平衡能力），也可能不斷變化而無法進(jìn)入平衡狀態(tài)對象無自平衡能力）。 （4描述對象動態(tài)特性的特征參數(shù)有：放大系數(shù) 、時間常數(shù)

13、、遲延時間。 階躍響應(yīng)曲線求取對象傳遞函數(shù) 時域法是目前應(yīng)用最多的一種方法，其主要內(nèi)容是：給對象人為加一階躍擾動，記錄下響應(yīng)曲線，然后根據(jù)該響應(yīng)曲線求取對象的傳遞函數(shù)。由階躍擾動作用下的對象的動態(tài)特性為階躍響應(yīng)曲線，即飛升曲線。階躍響應(yīng)曲線能比較直觀的反映對象的動態(tài)特性；其次特征參數(shù)直接取自記錄曲線而無需經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換，試驗(yàn)方法也很簡單。 階躍響應(yīng)獲取應(yīng)注意的問題階躍響應(yīng)獲取應(yīng)注意的問題（1合理選擇階躍擾動的幅度(一般為額定負(fù)荷10%20%)（2實(shí)際閥門只能以有限速度移動一般認(rèn)為階躍信號是在t1 /2時加入）（3試驗(yàn)前確保被控對象處于穩(wěn)定工況（4若過程不允許同一方向擾動加入，則采用矩形脈沖擾動，

14、可從脈沖響應(yīng)曲線求出所需的階躍響應(yīng)。2 確定自衡對象傳遞函數(shù)確定自衡對象傳遞函數(shù)-sKeG(s)=Ts+1-s-sn12KeKeG(s) =G(s) =(Ts+1)(T s+1)(Ts+1)或典型自衡過程：典型自衡過程：一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)用有理分式表示的傳遞函數(shù)用有理分式表示的傳遞函數(shù)選擇哪種傳遞函數(shù)的形式，可依據(jù)以下兩點(diǎn)：選擇哪種傳遞函數(shù)的形式，可依據(jù)以下兩點(diǎn)：對被控對象的驗(yàn)前知識的掌握對被控對象的驗(yàn)前知識的掌握對建立數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性的要求對建立數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性的要求 二階或二階或n階慣性環(huán)節(jié)階慣性環(huán)節(jié)m-sm10nn10b s+b s +bG(s)e(n ma s +a s +a）（1確

15、定確定-sKeG(s) =Ts+1參數(shù)參數(shù)KT的作圖法的作圖法 t1/2處為擾動起點(diǎn)；處為擾動起點(diǎn)； 在在s型響應(yīng)曲線找拐點(diǎn)，并作切線；型響應(yīng)曲線找拐點(diǎn)，并作切線； 記交點(diǎn)記交點(diǎn)a、b和和cab 起點(diǎn)到起點(diǎn)到a的距離為的距離為； a點(diǎn)到點(diǎn)到c點(diǎn)的距離為點(diǎn)的距離為T；c0yK = （2確定確定-sKeG(s)=Ts+1參數(shù)的兩點(diǎn)法參數(shù)的兩點(diǎn)法 *y(t)yt =y() 將響應(yīng)曲線標(biāo)幺將響應(yīng)曲線標(biāo)幺 *0t yt =t-1-exp -tT 取取y*(t1)=0.39，取，取y*(t2)=0.63，記，記t1和和t2 2112T = 2(t- t ) = 2t- t 取取34t= 0.8T + t=

16、 2T + 驗(yàn)證驗(yàn)證34y * (t ) = 0.55y * (t ) = 0.87（3確定確定-s1212KeG(s) =TT(Ts+1)(T s+1)，參數(shù)的兩點(diǎn)方法參數(shù)的兩點(diǎn)方法 將響應(yīng)曲線標(biāo)幺并去掉純遲延的到將響應(yīng)曲線標(biāo)幺并去掉純遲延的到y(tǒng)*(t) 取取y*(t1)=0.4，取，取y*(t2)=0.8，記，記t1和和t2若若0.320.46 ，則為高階對象，則為高階對象見表見表1-1n t1/t21 0.3172 0.463 0.5344 0.5845 0.6186 0.6407 0.666 n t1/t28 0.6849 0.69910 0.71211 0.72412 0.73413

17、 0.74814 0.751 =12nt +t1G(s)nT2.16Ts+1表表1-1 高階對象中高階對象中n與比值與比值t1/t2的關(guān)系的關(guān)系-seG(s) =Ts1naG(s) =T s(Ts+1)3由階躍響應(yīng)確定非自衡過程近似傳遞函數(shù)由階躍響應(yīng)確定非自衡過程近似傳遞函數(shù)一階積分環(huán)節(jié)的多容過程一階積分環(huán)節(jié)的多容過程非自衡過程傳遞函數(shù)為：非自衡過程傳遞函數(shù)為： 一階積分環(huán)節(jié)的純遲延過程一階積分環(huán)節(jié)的純遲延過程*當(dāng)對象的階數(shù)當(dāng)對象的階數(shù)n6時，一般多容過程傳遞函數(shù)時，一般多容過程傳遞函數(shù) 描繪描繪（1一階積分的多容過程一階積分的多容過程1naG(s) =T s(Ts+1)-10na22n-10

18、22na2n-1t-0Ta111y(t) =LTs(Ts +1)s1nTnT(n -1)TT1=L-+Tss1+ Ts(1+ Ts)(1+ Ts)stn - 2t1t=t -nT + Ten + (n -1)+TT2!T(n -1)!Ty *(t)+ y (t)階躍響應(yīng)為階躍響應(yīng)為當(dāng)當(dāng)y*(t)0時時 ，記記tta有：有：tanT Tta /n *00aa t nTy (t) =-TT漸近線方程：漸近線方程：當(dāng)當(dāng)t0時，時，y*(t)0h0a0aa0 nT0h =T nTtT =0h0h不能直接不能直接得到結(jié)果得到結(jié)果可以直接可以直接得到結(jié)果得到結(jié)果當(dāng)當(dāng)ttanT時，時，y(ta)=y1(ta

19、),值為值為 ：2n-1-n0aa T(n-2)nny(t ) =en+n(n-1)+T2!(n-1)!2n-2-nay(t )(n-2)n(n-3)nn=e1+(n-1)+0h2!3!(n-1)!a0a t0 h =T由漸近線方程有：由漸近線方程有：*故故y(ta )/oh與與n為單值關(guān)系為單值關(guān)系n n1 12 23 34 45 56 6y(ty(ta a )/0h )/0h0 0368368 0 02712710 0224224 0 01951950 01751750 0161161表表1-2n 、 Ta 、 T參數(shù)的確定：參數(shù)的確定：n由由y(ta )/0h的值經(jīng)查表的值經(jīng)查表1-2確

20、定；確定；Tta /n；0aa0 nTtT =0h0h1naG(s) =T s(Ts+1)非自衡過程非自衡過程-sa1G (s) =eT s00aaT =t=ohoh（2有遲延的一階積分對象有遲延的一階積分對象需要確定兩個參數(shù)需要確定兩個參數(shù)(T和和)。在在yt上作漸進(jìn)線，取上作漸進(jìn)線，取ta= 。*0a ty (t) =ohT漸近線方程：漸近線方程：控制器控制器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 PID 統(tǒng)計表明生產(chǎn)過程統(tǒng)計表明生產(chǎn)過程80%的控制可以用的控制可以用PID控制器構(gòu)控制器構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行控制簡單控制系統(tǒng)）。成單回路反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行控

21、制簡單控制系統(tǒng)）。 PID控制是比例積分微分控制的簡稱?？刂剖潜壤e分微分控制的簡稱。 是一種負(fù)反是一種負(fù)反饋控制。即控制器與廣義被控對象構(gòu)成的系統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)饋控制。即控制器與廣義被控對象構(gòu)成的系統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。其作用是對輸入偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而緩解系反饋系統(tǒng)。其作用是對輸入偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而緩解系統(tǒng)的不平衡，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。統(tǒng)的不平衡，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。控制器包括求偏差控制器包括求偏差和和PIDPID運(yùn)算運(yùn)算1典型的傳遞函數(shù)為：典型的傳遞函數(shù)為： *DD*IIDDIIDIIDT s1111T sFTsFT sFTT1111K TsK sK TsK sccu(s)G s =KKe(s) DcDI

22、DT su(s)1G s = K1+Te(s)T ss +1K cDIu(s)1G s = K1+ T se(s)T s實(shí)際實(shí)際PID理想理想PID其中：其中：KC：比例系數(shù)：比例系數(shù)TI：積分時間：積分時間TD：微分時間：微分時間KD：微分增益：微分增益2PID調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)原理簡單適用和實(shí)現(xiàn)方便）原理簡單適用和實(shí)現(xiàn)方便）適應(yīng)性強(qiáng)應(yīng)用面寬）適應(yīng)性強(qiáng)應(yīng)用面寬）魯棒性強(qiáng)對過程變化不敏感）魯棒性強(qiáng)對過程變化不敏感）3調(diào)節(jié)器偏差的定義調(diào)節(jié)器偏差的定義按儀表制造業(yè)的規(guī)定：按儀表制造業(yè)的規(guī)定：調(diào)節(jié)器偏差調(diào)節(jié)器偏差=測量值測量值-給定值，即給定值，即 e (t) = y(t) - r(t)e(t)

23、= r(t) - y(t)控制系統(tǒng)偏差的定義：控制系統(tǒng)偏差的定義：4.4.調(diào)節(jié)器正反作用定義：調(diào)節(jié)器正反作用定義： 正作用：正作用：e (e) u，即，即KC為負(fù)為負(fù)反作用：反作用： e (e) u，即，即KC為正為正設(shè)置正反作用的目的：使控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)設(shè)置正反作用的目的：使控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)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控制器調(diào)節(jié)器）控制器調(diào)節(jié)器）5正反作用的判斷方法正反作用的判斷方法(六邊形法六邊形法):er-y）e (y-r)PIDr ry yeu-sKeG(s)=Ts+1-y對象對象K為負(fù)，控制器作用應(yīng)使為負(fù)，控制器作用應(yīng)使u正作用正

24、作用例：過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)例：過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié) 比例調(diào)節(jié)規(guī)律（比例調(diào)節(jié)規(guī)律（ P） cC10u s1Gs = K= Se s1u(t) =e(t) + uKC為比例增益，為比例帶為比例增益，為比例帶。 的物理意義：使調(diào)節(jié)閥開度改變的物理意義：使調(diào)節(jié)閥開度改變100%（即從全關(guān)到全開所需要（即從全關(guān)到全開所需要的被調(diào)量的變化范圍。的被調(diào)量的變化范圍。u0是偏差是偏差e=0時，調(diào)節(jié)器輸出初始值。時，調(diào)節(jié)器輸出初始值。*比例作用的線性關(guān)系只在一定范圍其作用比例作用的線性關(guān)系只在一定范圍其作用比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn) 調(diào)節(jié)作用及時。調(diào)節(jié)作用及時。KC 調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)

25、調(diào)節(jié)誤差調(diào)節(jié)誤差 自衡對象：自衡對象：非自衡對象：非自衡對象：sss01e= limse(s) =011+Ksss01e= limse(s) =0111+ Tscpr(s)e(s) =1+ G (s)G (s)KC變化對系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響變化對系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響KC衰減率衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess超調(diào)量超調(diào)量 振蕩頻率振蕩頻率 KC增加增加r ry yeu-sKeTs+1-CK擾動擾動1.積分調(diào)節(jié)規(guī)律積分調(diào)節(jié)規(guī)律I）積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié) c0It0Iu s1Gs = S se sT s1u(t) =edtTTI為積分時間，為積分時間，S0為積分速度為積分速度 積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)積分調(diào)節(jié)的特

26、點(diǎn) sss0s0I11e =limse(s) =lim=01s1+KTs無差調(diào)節(jié)無差調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)作用不及時調(diào)節(jié)作用不及時TI太大太大TI適當(dāng)適當(dāng)TI太小太小TI過小過小浮動調(diào)節(jié)浮動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度與當(dāng)時的被調(diào)量的數(shù)值本身沒有直接關(guān)系調(diào)節(jié)閥開度與當(dāng)時的被調(diào)量的數(shù)值本身沒有直接關(guān)系 。積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。TI 調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)TI變化對系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響變化對系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響TIS0衰減率衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess=0超調(diào)量超調(diào)量 振蕩頻率振蕩頻率 r ry yeu-sKeTs+1-1ITsTI增加增加擾動擾動與與P調(diào)節(jié)比較調(diào)節(jié)比較系統(tǒng)穩(wěn)定性下降系

27、統(tǒng)穩(wěn)定性下降靜態(tài)：無穩(wěn)態(tài)誤差；動態(tài)：由于調(diào)節(jié)不及時靜態(tài)：無穩(wěn)態(tài)誤差；動態(tài)：由于調(diào)節(jié)不及時較大較大在相同的穩(wěn)定裕度下，在相同的穩(wěn)定裕度下，振蕩頻率低，調(diào)節(jié)過程加長。，振蕩頻率低，調(diào)節(jié)過程加長。靜態(tài)：靜態(tài)：I調(diào)節(jié)優(yōu)于調(diào)節(jié)優(yōu)于P調(diào)節(jié)，動態(tài)：調(diào)節(jié)，動態(tài)：P調(diào)節(jié)優(yōu)于調(diào)節(jié)優(yōu)于I調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 積分調(diào)節(jié)可消除積分調(diào)節(jié)可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但調(diào)節(jié)緩穩(wěn)態(tài)誤差，但調(diào)節(jié)緩慢，動態(tài)超調(diào)量加大，慢，動態(tài)超調(diào)量加大，而且使系統(tǒng)的穩(wěn)定性而且使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。工業(yè)上不單獨(dú)變差。工業(yè)上不單獨(dú)使用積分調(diào)節(jié)作用。使用積分調(diào)節(jié)作用。 比例積分調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律PIPI） )cIu s11G s =(1+e sTs

28、t0It10010I11u (t) =(e +ed tTS e + Sed t111SST無差調(diào)節(jié)吸收了積分規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)）無差調(diào)節(jié)吸收了積分規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)）調(diào)節(jié)及時調(diào)節(jié)及時 （吸收了比例規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)）（吸收了比例規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)）浮動調(diào)節(jié)浮動調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響對系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的影響（KC不變）不變） TI S0衰減率衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess=0超調(diào)量超調(diào)量 振蕩頻率振蕩頻率 （TI不變）不變） KC 衰減率衰減率 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess超調(diào)量超調(diào)量 振蕩頻率振蕩頻率 積分飽和現(xiàn)象積分飽和現(xiàn)象 在有積分作用的調(diào)節(jié)器系統(tǒng)中，若用于某在有積分作用的調(diào)節(jié)器系統(tǒng)中，若用于某種原因如閥門），被調(diào)量偏差

29、一時無法消除，種原因如閥門），被調(diào)量偏差一時無法消除，然而調(diào)節(jié)器還是要試圖校正這個偏差，結(jié)果經(jīng)過然而調(diào)節(jié)器還是要試圖校正這個偏差，結(jié)果經(jīng)過一段時間后，調(diào)節(jié)器將進(jìn)入飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象一段時間后，調(diào)節(jié)器將進(jìn)入飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。這種現(xiàn)象將導(dǎo)致調(diào)節(jié)滯后，對控稱為積分飽和。這種現(xiàn)象將導(dǎo)致調(diào)節(jié)滯后，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、以及達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)將產(chǎn)生制系統(tǒng)的穩(wěn)定、以及達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)將產(chǎn)生不利的影響。不利的影響。 比例積分微分調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)1.微分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)D） DcDDu sT sGs =Te ss+1KDDt-T/KDu (t)Ke1euKD0.632 KDTD/KD微分調(diào)節(jié)是僅根據(jù)

30、偏差的變化速度來產(chǎn)生控制信微分調(diào)節(jié)是僅根據(jù)偏差的變化速度來產(chǎn)生控制信號，偏差不變則沒有控制輸出。因此微分調(diào)節(jié)不號，偏差不變則沒有控制輸出。因此微分調(diào)節(jié)不單獨(dú)使用單獨(dú)使用2.比例微分調(diào)節(jié)比例微分調(diào)節(jié)PD） 1DcDDu sT s1Gs =()Te ss+1KDDt-T /KD11u(t) =+K1e（）單位階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng)1uKD/0.632 (KD- 1)/ TD/KDe1/ TD微分調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)；微分調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)；有差調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)誤差與比例調(diào)節(jié)；有差調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)誤差與比例調(diào)節(jié)；超前調(diào)節(jié)，適當(dāng)?shù)奈⒎挚梢詼p小超調(diào)量，也能減少振超前調(diào)節(jié)，適當(dāng)?shù)奈⒎挚梢詼p小超調(diào)量，也能減少振蕩傾向一樣。蕩傾向一樣。

31、比例積分微分調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)PIDPID） DcDIDT s +1u(s)1G s = K1+Te(s)T ss +1K0e0ett0ue001DKePIDDPII調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)P調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)PD調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)相同衰減率下，各調(diào)節(jié)規(guī)律比較相同衰減率下，各調(diào)節(jié)規(guī)律比較PID的調(diào)節(jié)效果最好的調(diào)節(jié)效果最好從超調(diào)量、過度過程時間、穩(wěn)態(tài)誤差），從超調(diào)量、過度過程時間、穩(wěn)態(tài)誤差），PI其次，其次，PD次之次之有差），有差），P再次之，再次之，I調(diào)節(jié)最差調(diào)節(jié)最差 雖然雖然PID的調(diào)節(jié)效果最好，并不意味著所有的系統(tǒng)都的調(diào)節(jié)效果最好，并不意味著所有的系統(tǒng)都是合理的，因?yàn)樗腥齻€參數(shù)要整定，如果整定

32、不合是合理的，因?yàn)樗腥齻€參數(shù)要整定，如果整定不合適，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，適得其反。使用何種調(diào)適，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，適得其反。使用何種調(diào)節(jié)規(guī)律一般可按：先比例節(jié)規(guī)律一般可按：先比例 ，再積分，然后才把微分加，再積分，然后才把微分加*對象時間常數(shù)大或遲延時間長，應(yīng)引入對象時間常數(shù)大或遲延時間長，應(yīng)引入D作用，若系統(tǒng)作用，若系統(tǒng)允許有殘差，則可選允許有殘差，則可選PD調(diào)節(jié)；系統(tǒng)要求無差，則選調(diào)節(jié)；系統(tǒng)要求無差，則選PID規(guī)律。規(guī)律。*對象的時間常數(shù)較小，受擾動影響不大，系統(tǒng)要求無差，對象的時間常數(shù)較小，受擾動影響不大，系統(tǒng)要求無差，則使用則使用PI調(diào)節(jié)。（如鍋爐水位控制等）調(diào)節(jié)。（如鍋爐水位

33、控制等）*對象的時間常數(shù)較小，受擾動影響不大，系統(tǒng)不要求無對象的時間常數(shù)較小，受擾動影響不大，系統(tǒng)不要求無差，則使用差，則使用P調(diào)節(jié)。（如鍋爐高加水位控制等）調(diào)節(jié)。（如鍋爐高加水位控制等）*對象時間常數(shù)或遲延時間很長，受擾動影響也很大，對象時間常數(shù)或遲延時間很長，受擾動影響也很大，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)。（如汽溫控制系統(tǒng)）（如汽溫控制系統(tǒng)）若廣義對象的傳遞函數(shù)可近視表示為典型的自衡過程若廣義對象的傳遞函數(shù)可近視表示為典型的自衡過程 -sKeG(s)=Ts+1/T 1.0，選擇，選擇P或或PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，選擇，選擇PD或或PI

34、D調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) ，用復(fù)雜控制。，用復(fù)雜控制。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)的任務(wù)是指在控制系統(tǒng)的結(jié)控制系統(tǒng)的任務(wù)是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制設(shè)備與控制對象等都處在正構(gòu)已經(jīng)確定、控制設(shè)備與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下常狀態(tài)的情況下, ,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)、TITI、TD)TD)，使其與被控對象特性相匹配，以達(dá)，使其與被控對象特性相匹配，以達(dá)到最佳的控制效果。到最佳的控制效果。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。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

35、數(shù)被整定到使控制系統(tǒng)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，稱為最佳整定達(dá)到最佳控制效果時，稱為最佳整定參數(shù)。參數(shù)。 2.參數(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(xiàng)性能指標(biāo)：衰減率、超調(diào)量、單項(xiàng)性能指標(biāo)：衰減率、超調(diào)量、過渡過程時間。過渡過程時間。 =0.75適應(yīng)于大部分允許有一些超調(diào)適應(yīng)于大部分允許有一些超調(diào)的工業(yè)過程。的工業(yè)過程。 =1適用于被控對象的慣性較大，且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)。不允許有過調(diào)的控制系統(tǒng)。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、頻理論計算整定法：（根軌跡法、頻率特性法）率特性法）基于數(shù)學(xué)

36、模型通過計算基于數(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，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。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。這寫方法通過并曲線法、圖表整定法。這寫方法通過并不復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的不復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程種得到近似最佳整定參數(shù)，因而在工程種得到廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。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)

37、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）TDTDTITIPPIPID 1.10.853.32.0 0.5 規(guī)律規(guī)律參數(shù)參數(shù) 齊勒格齊勒格-尼科爾斯整定公式比較粗糙，經(jīng)過不尼科爾斯整定公式比較粗糙，經(jīng)過不斷改進(jìn)，廣為流傳的是科恩斷改進(jìn)，廣為流傳的是科恩-庫恩公式自衡對象庫恩公式自衡對象=0.75）2.穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法臨界比例帶法臨界比例帶法閉環(huán)試驗(yàn)法閉環(huán)試驗(yàn)法TDTDTITIPPIPIDcr2cr2.2cr1.67cr0.8

38、5TTcr0.5Tcr0.125規(guī)律規(guī)律參數(shù)參數(shù)TcrcrcrT和 使調(diào)節(jié)器為純比例使調(diào)節(jié)器為純比例規(guī)律，且比例帶較大；規(guī)律，且比例帶較大；使系統(tǒng)閉環(huán)，待穩(wěn)定使系統(tǒng)閉環(huán)，待穩(wěn)定后，逐步減小比例帶，后，逐步減小比例帶，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩時，計下時，計下GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)查表查表3.3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Tcr30s的系統(tǒng)，對象的的系統(tǒng)，對象的和和T較小不適用；較小不適用； T較大的單較大的單容對象因采用容對象因采用P調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)永遠(yuǎn)穩(wěn)定，也不適調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)永遠(yuǎn)穩(wěn)定，也不適用用對于非自衡對象，所

39、得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)將使系對于非自衡對象，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)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3.衰減曲線法衰減曲線法 閉環(huán)試驗(yàn)法閉環(huán)試驗(yàn)法rsssTT和或和 使調(diào)節(jié)器為純比例使調(diào)節(jié)器為純比例規(guī)律，且比例帶較大；規(guī)律，且比例帶較大；使系統(tǒng)閉環(huán)，待穩(wěn)定后，使系統(tǒng)閉環(huán)，待穩(wěn)定后，逐步減小比例帶，當(dāng)系統(tǒng)逐步減小比例帶，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)衰減震蕩時出現(xiàn)衰減震蕩時=0.75 ，=0.9） ，計下，計下GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)

40、TsTr查表查表3.4TDTDTITIPPIPIDss1.2s0.8s0.5Ts3T0.s0.1T規(guī)律規(guī)律參數(shù)參數(shù)=0.75=0.75=0.9=0.9TDTDTITIPPIPIDss1.2s0.8r2Tr1.2Tr0.4T規(guī)律規(guī)律參數(shù)參數(shù)注意：對于擾動頻繁而過程又較快的系統(tǒng)，注意：對于擾動頻繁而過程又較快的系統(tǒng)，Ts的的測量不易準(zhǔn)確，因此給參數(shù)整定帶來誤差。測量不易準(zhǔn)確，因此給參數(shù)整定帶來誤差。4.經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法 先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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），觀察被調(diào)量或

41、調(diào)節(jié)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(yàn)多次，直到獲得，如此反復(fù)試驗(yàn)多次，直到獲得滿意的階躍響應(yīng)曲線為止。滿意的階躍響應(yīng)曲線為止。 對象對象參數(shù)參數(shù)100100TI/minTI/minTD /minTD /min溫度溫度壓力壓力流量流量液位液位206030704010020803100.430.110.53表表3.5 經(jīng)驗(yàn)法調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)法調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表表3.6 設(shè)定值擾動下整定參數(shù)

42、對調(diào)節(jié)過程的影響設(shè)定值擾動下整定參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響對象對象參數(shù)參數(shù)TITITD TD 最大動態(tài)誤差最大動態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差衰減率衰減率振蕩頻率振蕩頻率- - -不同的整定方法按相同的衰減率整定，得到不相同參數(shù)整定值。不同的整定方法按相同的衰減率整定，得到不相同參數(shù)整定值?；镜臄?shù)字PID控制算法一般采用兩種基本的數(shù)字PID控制算法：一種是理想PID控制算法，另一種是實(shí)際PID控制算法。兩種PID控制算法的比例及積分運(yùn)算都是一樣的，其差別主要是微分項(xiàng)不同。 理想PID控制算法 理想PID算式的表達(dá)式有三種形式，即位置式、增量式和速度式。(1)位置式在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，計算機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算后

43、，其輸出指的是調(diào)節(jié)閥開度位置的大小，此種PID算式的形式稱為位置式。 (2)增量式在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，計算機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算后，其輸出指的是調(diào)節(jié)閥開度位置的增量改變量），此種PID算式的形式稱為增量式。計算機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算的輸出增量為相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值之差， (3) 速度式 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，計算機(jī)進(jìn)行 PID運(yùn)算后，其輸出指的是直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，此種PID算式的形式稱為速度式。 實(shí)際PID控制算法 由于實(shí)際計算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣回路都可能存在高頻干擾，因此幾乎所有的數(shù)字控 制回路都設(shè)置了一級低通濾波器一階滯后環(huán)節(jié)或一階慣性環(huán)節(jié)來限制高頻干擾的影響。因?yàn)榈屯V波器的傳遞函數(shù)為

44、低通濾波器和理想PID算式相結(jié)合后的傳遞函數(shù)為 熱工系統(tǒng)的主要控制方式 反饋控制是根據(jù)被調(diào)量與給定值的偏差值來控制的。反饋控制的特點(diǎn)是必須在被調(diào)量與給定值的偏差出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)器才能對其進(jìn)行調(diào)節(jié)來補(bǔ)償干擾對被調(diào)量的影響。如果干擾已經(jīng)發(fā)生，而被調(diào)參數(shù)還未變化時，調(diào)節(jié)器是不會動作的。即反饋控制總是落后于干擾作用。因此稱之為“不及時控制”。反饋控制方案的本身決定了無法將干擾對被控量的影響克服在被控量偏離設(shè)定值之前，從而限制了這類控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的進(jìn)一步提高。原因：（1在熱工控制系統(tǒng)中，由于被控對象通常存在一定的純滯后和容積滯后，因而從干擾產(chǎn)生到被調(diào)量發(fā)生變化需要一定的時間。（2從偏差產(chǎn)生到調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制

45、作用以及操縱量改變到被控量被調(diào)量發(fā)生變化又要經(jīng)過一定的時間。前饋控制 考慮到偏差產(chǎn)生的直接原因是干擾作用的結(jié)果，如果直接按擾動而不是按偏差進(jìn)行控制，也就是說，當(dāng)干擾一出現(xiàn)調(diào)節(jié)器就直接根據(jù)檢測到的干擾大小和方向按一定規(guī)律去進(jìn)行控制。由于干擾發(fā)生后被控量還未顯示出變化之前，調(diào)節(jié)器就產(chǎn)生了控制作用，這在理論上就可以把偏差徹底消除。按照這種理論構(gòu)成的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)，前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制系統(tǒng)及時得多。若系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器能根據(jù)干擾作用的大小和方向就對被調(diào)節(jié)介質(zhì)進(jìn)行控制來補(bǔ)償干擾對被調(diào)量的影響，則這種控制就叫做“前饋控制或“擾動補(bǔ)償”。KB：測量變送器的變送系數(shù)；WDZS）：干擾通道對

46、象傳遞函數(shù)；WDS）：控制通道對象傳遞函數(shù)；WBS）：前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 前饋控制器的控制規(guī)律為： WB(S)= WDZ(S)/ WD(S)上式說明前饋控制的控制規(guī)律完全是由對象特性決定的，它是干擾通道和控制通道傳遞函數(shù)之商，式中負(fù)號表示控制作用的方向與干擾作用相反。假設(shè) WDZ(S)和WD(S)可以很準(zhǔn)確測出，且WB(S)完全和上式確定的特性一致，則不論干擾信號是怎樣的形式，前饋控制都能起到完全補(bǔ)償?shù)淖饔茫贡徽{(diào)量因干擾而引起的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均為零。 前饋控制的局限性 (1). 首先表現(xiàn)在前饋控制系統(tǒng)中不存在被調(diào)量的反饋，即對于補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果沒有檢驗(yàn)的手段。因而，當(dāng)前饋?zhàn)饔貌]有最后消除偏差

47、時，系統(tǒng)無法得知這一信息而作進(jìn)一步的校正。 (2). 由于實(shí)際工業(yè)對象存在著多個干擾，為了補(bǔ)償它們對被調(diào)量的影響，勢必設(shè)計多個前饋通道，增加了投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。 (3). 當(dāng)干擾通道的時間常數(shù)小于控制通道的時間常數(shù)時，不能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。 (4). 前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制，對象令特性受負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生偏移，必然導(dǎo)致WDZ(S)和WD(S)的變化，因此一個事先固定的前饋模型不可能獲得良好的控制質(zhì)量。串級控制 主參數(shù)(主變量)：串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被調(diào)參數(shù)稱為主參數(shù)。副參數(shù)(副變量)：給定值隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化，主信號數(shù)值變化的中間參數(shù)稱為副參數(shù)。主調(diào)節(jié)器(主控

48、制器)：根據(jù)主參數(shù)與給定值的偏差而動作，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值的調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，記為WT1(s)。副調(diào)節(jié)器：其給定值由主調(diào)節(jié)器的輸出決定，并根據(jù) 副參數(shù)與給定值的偏差動作的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，記為WT2(s)主回路(外回路)： 斷開副調(diào)節(jié)器的反饋回路后的整個回路稱為主回路。副回路：由副參數(shù)，副調(diào)節(jié)器及其所包括的一部分對象等(內(nèi)回路)環(huán)節(jié)所組成的閉合回路稱為副回路，副回路有時亦稱隨動回路。主對象：主參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的輸入信號(惰性區(qū)) 為副變量，輸出信號為主參數(shù)，記為WD1(s)。副對象(導(dǎo)前區(qū))： 副參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的輸入信號為調(diào)節(jié)量，其輸出信號為副參數(shù)(副

49、變量)，記為WD2(s)。 串級控制仍然是一個定值控制系統(tǒng)，主參數(shù)在干擾作用下的控制過程與單回路控制系統(tǒng)的過程具有相同的指標(biāo)和形式，但與單回路系統(tǒng)比較，串級控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)串級控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的克服內(nèi)擾的能力；(2)串級控制系統(tǒng)可減小副回路的時間常數(shù)，改善對象動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率；(3)串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。 串級控制系統(tǒng)主副回路和主副調(diào)節(jié)器選擇(1) 主副回路的選擇原則 (i) 副回路應(yīng)該把生產(chǎn)過程的主要干擾包括在內(nèi)，力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定； (ii) 選擇副回路時，應(yīng)力求

50、把盡量多的干擾包括進(jìn)去，以盡量減少它們對主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力； (iii) 主副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，其工作頻率提高了，但這與主副對象的時間常數(shù)選擇是有關(guān)的。原則是兩者相差大一些，效果好一些。(2) 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則（i主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制；（ii要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差(穩(wěn)態(tài)誤差)，此時副調(diào)節(jié)器可采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制；（iii主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求，這時主副調(diào)節(jié)器均采用比例積分控

51、制。 防止調(diào)節(jié)器積分飽和防止調(diào)節(jié)器積分飽和產(chǎn)生積分飽和的原因：產(chǎn)生積分飽和的原因：外因是偏差長期存在外因是偏差長期存在內(nèi)因是控制器有積分作用內(nèi)因是控制器有積分作用進(jìn)料進(jìn)料產(chǎn)品產(chǎn)品冷卻液冷卻液T1CC1 1T2CC2 2rPID2PID1罐體罐體罐內(nèi)罐內(nèi)rT2T1冷卻液擾動冷卻液擾動副回路副回路主回路主回路 串級控制系統(tǒng)當(dāng)主、副調(diào)節(jié)器都采用串級控制系統(tǒng)當(dāng)主、副調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)時，很調(diào)節(jié)時，很容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。 主調(diào)節(jié)器產(chǎn)生積分飽和，將使控制不及時，系統(tǒng)輸出主調(diào)節(jié)器產(chǎn)生積分飽和，將使控制不及時，系統(tǒng)輸出超調(diào)量增加。超調(diào)量增加。2C112I1R (s) = K E (s

52、)+Y (s)Ts+1系統(tǒng)正常時，系統(tǒng)正常時，R2(s)=Y2(s)。則主調(diào)節(jié)器輸出為：。則主調(diào)節(jié)器輸出為：(1)2C11I1R (s) = KE (s)Ts 將主調(diào)節(jié)器調(diào)整為將主調(diào)節(jié)器調(diào)整為積分外反饋。即積分外反饋。即常規(guī)PI調(diào)節(jié)當(dāng)當(dāng)R2(s)Y2(s)時，則主調(diào)節(jié)器輸出為：時，則主調(diào)節(jié)器輸出為：2C112r (t) = Ke (t)+ y (t)比例調(diào)節(jié)無積分）偏置偏置PID2PID1Gp2(s)Gp1(s)RY2Y1抗積分飽和措施：抗積分飽和措施：串級控制調(diào)節(jié)器作用方向串級控制調(diào)節(jié)器作用方向PID2PID1減溫器減溫器過熱器過熱器rT2T11確定調(diào)節(jié)閥確定調(diào)節(jié)閥2確定副對象特性確定副對象

53、特性3確定副調(diào)節(jié)器的作用方向確定副調(diào)節(jié)器的作用方向4確定主對象特性確定主對象特性5確定主調(diào)節(jié)器的作用方向確定主調(diào)節(jié)器的作用方向氣開閥氣開閥副調(diào)正作用副調(diào)正作用主調(diào)反作用主調(diào)反作用當(dāng)串級與單回路切換當(dāng)串級與單回路切換時，應(yīng)考慮主調(diào)節(jié)器時，應(yīng)考慮主調(diào)節(jié)器的作用方向的切換的作用方向的切換由串級切為單回路時主調(diào)改為正作用由串級切為單回路時主調(diào)改為正作用調(diào)節(jié)器的選型和整定調(diào)節(jié)器的選型和整定1. 選型選型1） 副調(diào)節(jié)器一般選副調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)，若主、副環(huán)頻率相差調(diào)節(jié)，若主、副環(huán)頻率相差很大，也可選很大，也可選PI。2） 主調(diào)節(jié)器一般選主調(diào)節(jié)器一般選PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié),若主回路有主要擾動也若主回路有主要擾動也可

54、選可選PID。2. 參數(shù)整定參數(shù)整定1） 逐次逼近法。逐次逼近法。 2） 兩步整定法。兩步整定法。采用串級調(diào)節(jié)控制的一般條件：采用串級調(diào)節(jié)控制的一般條件：*二次擾動較頻繁；二次擾動較頻繁；*較大遲延對象，且可分成特性相差較大的較大遲延對象，且可分成特性相差較大的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)；導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)；*副回路的工作頻率應(yīng)選擇主回路工作頻率副回路的工作頻率應(yīng)選擇主回路工作頻率的的310倍倍導(dǎo)前微分控制 副回路：主回路： 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的特點(diǎn) (1) 引入導(dǎo)前微分信號縮短了遲延時間，等效地改善了控制對象的動態(tài)特性。 (2)引入導(dǎo)前微分信號能減小動態(tài)偏差，改善控制品質(zhì) (3)導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的克服內(nèi)

55、擾的能力 比值控制比值控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常需要保持兩個變量通常指流量成比例變化。例如，在直流爐控制中，需保持燃料流量與給水流量成比例變化；在燃燒過程中，需保持燃料流量與空氣流量成比例變化，以保證燃燒經(jīng)濟(jì)性，然而，目前尚無法直接或迅速地測量燃燒經(jīng)濟(jì)性。因而，在這些情況下，需采用比值控制系統(tǒng)，比值控制系統(tǒng)的作用，就在于維持兩個變量之間的比值關(guān)系。 比值控制系統(tǒng)中所指的兩個流量，通常將其中之一G1稱作或視作主動流量，另一個流量G2則稱作從動流量；通常主動流量G1不加控制G1可能作為其他系統(tǒng)的控制變量，而由別的系統(tǒng)加以控制），以從動流量G2作為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)變量，通過改變G2，維持兩個流量之間的比值

56、關(guān)系。比值控制系統(tǒng)中的被調(diào)量是兩個流量的比值RR= G2G1或R= G1G2） 比值R的求取，通常不是唯一的。 常見的比值控制系統(tǒng)為單回路的，可分為定值型與隨動型兩大類。除此之外，還有采用前饋一反饋復(fù)合控制的串級型比值控制系統(tǒng)的。定值型單回路比值控制系統(tǒng) 流量G1、G2經(jīng)檢測元件轉(zhuǎn)換為信號IG1、IG2送入除法器后，輸出IR即為代表G1、G2之間比值關(guān)系的函數(shù)的信號。 IR= IG2IG1IR作為系統(tǒng)的被調(diào)量，送入調(diào)節(jié)器，與給定值I0相比較，其差值經(jīng)調(diào)節(jié)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)變量的從動流量G2，以保持G1、G2之間的比值關(guān)系。若主動流量G1增大，則除法器輸出信號IR減小，調(diào)節(jié)器輸出增大，

57、使流量G2增加，IR增加。顯然，G1作為主動流量，在此系統(tǒng)中是不加控制的。 隨動型單回路比值控制系統(tǒng) 主動流量G1經(jīng)檢測裝置轉(zhuǎn)換為信號IG1，送入乘法器乘以系數(shù)K后，作為從動流量G2的給定值引入調(diào)節(jié)器，流量G2作為調(diào)節(jié)變量受調(diào)節(jié)器控制，其流量經(jīng)檢測裝置后作為反饋信號送入調(diào)節(jié)器與給定值相平衡。因而，系統(tǒng)是一個典型的隨動系統(tǒng)。 （i定值型比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：G1、G2之比值作為被調(diào)量，可直接讀出。但由于將比值運(yùn)算環(huán)節(jié)包括在閉環(huán)之內(nèi)，因此盡管采用線性檢測裝置，系統(tǒng)的開環(huán)增益仍隨負(fù)荷而變；使系統(tǒng)整定比較困難，（ii隨動型比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：由于比值運(yùn)算環(huán)節(jié)沒有包括在閉環(huán)之內(nèi)，因此系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)比較

58、穩(wěn)定；尤其是采用線性檢測裝置后，使系統(tǒng)的特性與負(fù)荷流量無關(guān)。因而，系統(tǒng)的整定比較簡便。（iii以上兩類系統(tǒng)在采用 PI規(guī)律調(diào)節(jié)器后，靜態(tài)時都能確保G1、G2之比值為給定值，但若要保證G1、G2之比值為定值，則需確保流量轉(zhuǎn)換系數(shù)r1、r2為常數(shù)。反之，在某些情況下，若G1、G2的測量精度不能保證；如燃燒過程中，燃煤量的連續(xù)準(zhǔn)確測量有困難時，采用上述系統(tǒng)，僅維持流量信號IG1、IG2之間的比值關(guān)系，仍不能保證實(shí)際物理流量如燃煤量與空氣量之間的比值關(guān)系不變，則需考慮引入校正信號組成串級型比值控制系統(tǒng)。 串級比值控制系統(tǒng) 串級比值控制系統(tǒng)屬前饋一反饋復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主被調(diào)量S為能反映G1、G2之間實(shí)際比

59、值關(guān)系的參數(shù)，通常為成分。主調(diào)節(jié)器PI1的作用是維持 S為給定值S0，即維持實(shí)際流量G1、G2之間為最佳比值。由于通常S對G1、G2的響應(yīng)而有較大遲延，因而PI1的輸出IT1不直接控制調(diào)節(jié)變量G2，僅對流量信號IG1、IG2之間比值關(guān)系起校正作用。 SAMA圖圖(Scientific Apparatus Makers Association） 測量或信號讀出功能測量或信號讀出功能 自動信號處理，一般表示控制柜中儀表的功能自動信號處理，一般表示控制柜中儀表的功能 手動信號處理，一般表示在盤臺儀表的功能手動信號處理，一般表示在盤臺儀表的功能 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 用用SAMA圖例表達(dá)回路方框圖時，常將一些圖例表達(dá)回路方框圖時，常將一些符號畫在一起，這表示一個具體的儀表符號畫在一起，這表示一個具體的儀表(或組件或組件)具有哪些功能具有哪些功能 包括所有控制設(shè)備的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，反映包括所有控制設(shè)備的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，反映控制系統(tǒng)的全部控制