第二节简单控制系统的设计精要.ppt

* * 5.2.4 调节规律对调节质量的影响及其选择 在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为比例、积分和微分调节规律， 简称PID。 它具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等许多优点。 5.2.4.1 调节规律对调节质量的影响 1．比例（P）调节规律的影响 调节器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系： 其中，u为调节器的输出，e为调节器的输入， 为比例增益。 在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间 的比例关系 其中， ，称为比例度 当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论： 1) 比例调节是一种有差调节，即当调节器采用比例调节规律时，不可避免地 会使系统存在稳态误差。这是因为比例调节器是利用偏差实现控制的，它 只能使系统输出近似跟踪给定值。 2) 比例调节系统的稳态误差随比例度的增大而增大，若要减小误差，则要减 小比例度，即需要增大调节器的放大倍数 这样往往会降低系统稳定性 。 其控制效果图 3) 对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有差跟踪； 当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。 因此，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。 4) 增大比例调节的增益 不仅可以减小系统的稳态误差， 而且还可以加快系统的响应速度。 对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析： 系统传函 这里 与 相比，减小了 倍， 越大， 减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但 的增大则 会使系统的稳定性下降。 2.积分（I）调节规律的影响 在积分调节（简称I调节）中，调节器的输出信号u与输入偏差信号e的积分成 正比关系: 积分调节是牺牲了动态品质而使稳态性能得到改善的。 只要偏差存在,调节器的输出就不断增加,直到e=0,调节器输出就会维持在一个数值不变。即调节阀停留在新的开度上不变，这与P调节，当e=0时调节器输出等于0是不同的。 SI 称为积分速度 增大积分速度会增强积分效果，使系统的动态开环增益增大， 将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程． 积分调节可得如下结论： 1) 采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。 2) 与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。 积分调节器经常作为一种辅助的调节使用, 以发挥它的消除残差的特点. 实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来， 组成所谓的PI调节器，PI调节器的输入/输出关系为： 其中 为积分时间。 PI调节器的传递函数为 PI调节器的阶跃响应曲线如右图 PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。但是，由于PI调节给系统增加了相位滞后，与单纯比例调节相比，PI调节的稳定性相对变差。此外，积分调节还有另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节器就会不停地积分使输出增加（或减小），从而导致调节器输出进入深度饱和，调节器失去调节作用。因此，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。 3.微分（D）调节规律的影响 微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入/输出关系为 微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能 反映系统被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后 才动作，而是根据变化趋势提前动作。 但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。 当微分时间较小时，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小振荡 程度，从而能改善系统的质量； 当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统 响应产生振荡。 因此，应该选择合适的微分时间 还要说明的是：单纯的微分调节器是不能工作的。因为任何实际的调节器都有一定的不灵敏 区（或称死区）。在不灵敏区，当系统的输出产生变化时，调节器并不动作，从而导致被调量的偏差有可能出现相当大的数值而得不到校正。在实际使用中，往往将它与P或PI组合成PD或PID调节 4. PD调节规律的影响 PD调节器的调节规律为: 其中 为微分时间 运用控制理论的知识分析PD调节规律，可以得出以下结论： 1） PD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下， 为零，微分部分不 起作用，PD调节变成了P调节。 2） PD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。 3） PD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。 4） PD调节的不足：首先，PD调节一般只适用于时间常数较大或多容过 程；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 较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡