第3章 反馈控制1.ppt

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第3章 反馈控制1

在过程控制中,由于控制器的自动控制作用而使被控量不再随时间变化的平衡状态称为稳态或静态。 被控量随时间而变化,系统未处于平衡状态时则称为动态或瞬态。 当改变控制器的设定值或干扰进入系统,原来的平衡状态就被破坏,被控量随即偏离设定值,控制器及控制阀门都会相应动作,改变操纵变量的大小,使被控量逐渐回到设定值,恢复平衡状态。可见,从扰动开始,由于控制器的作用,在系统达到平衡之前,系统中的各个环节与被控量都在不断变化中。 在阶跃信号输入的情况下,整个过渡过程可能出现几种不同的状态:发散振荡过程、等幅振荡过程、衰减振荡过程、非周期过程等。前两种不稳定,不能采用;后两种过程可以稳定下来,但一般都希望是衰减振荡的控制过程。非周期过程虽然能稳定下来,但偏离设定值的时间较长,过渡过程进行缓慢,除特殊情况外,一般难以满足要求。 对每一个控制回路来说,在设定值发生变化或系统受到扰动作用后,被控变量应该平稳、准确、快速地趋近或恢复到设定值。 为比较不同控制方案的优劣,必须首先规定出评价控制系统优劣的性能指标。 因此,通常在稳定性、准确性和快速性三个方面提出各种单项控制指标,如果把它们适当地组合起来,也可提出综合性指标。 以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标是一种单项控制指标,而偏差积分性能指标为一种综合性指标。 1)衰减比n 在欠阻尼振荡系统中,两个相邻的同方向幅值之比称为衰减比n,前一幅值作为分子,后一幅值作为分母。如图3-1中n=B/B`。 衰减比n是衡量系统稳定性的指标,n≤ 1时系统振荡,这是不能容许的。为保持足够的稳定性,定值系统的衰减比以取n=4为宜。而随动系统则取n=10为宜,或采用阻尼系数ζ≥1(B`=0)的形式。 一般地说,ITAE为最小值的系统往往衰减比很大,ISE为最小值的系统恢复时间很短,但过渡过程的振荡比较剧烈。如下图所示: 控制器正反作用选择举例#1 控制器正反作用选择举例#2 基于回路分析法 控制器正反作用选择举例#1 基于回路分析法 控制器正反作用选择举例#2 3.2 三种常规的反馈控制形式 比例增益对控制性能的影响 纯比例控制器只有一个可调参数 Kc。其最大的问题是总存在不同程度的余差,即实际值难以完全跟踪其设定值。 对于某一给定的阶跃扰动,余差的大小取决于比例增益大小。增益越大,余差越小。 当Kc超过某一临界值,大多数控制系统会变为不稳定。 PI 控制器有两个可整定参数:控制增益(或比例带)与积分时间(或积分速率1/Ti ),其最大的优势是可消除余差。 PI 控制器的不足之处在于:由于积分作用的引入,使控制系统的稳定性下降。具体地,积分时间Ti 越短,积分速率1/Ti 越大,积分作用越强,闭环系统消除余差的速度越快,但控制系统的稳定性越弱。 PID 控制器有三个可整定参数:控制器增益、积分时间与微分时间。微分作用的引入可使控制器具有超前预测作用。 PID 控制器主要适用于具有较长时间常数、且测量噪声较少的慢过程,例如:温度与成分控制回路。对于噪声水平较高的快速过程,例如流量与压力回路,微分作用的引入将放大噪声,因此不宜使用。 一般情况下,控制器的饱和输出限制要比执行机构的信号范围大,如气动阀的有效输入信号范围为:0.02~0.1MPa,而气动控制器的上下限约为为0~0.14MPa。对于具有积分功能的控制器,只要被控变量与设定值之间有偏差,积分作用就会对偏差进行累积来改变控制器的输出。如果此时阀门已经达到饱和(全开或全关),无法进行继续调节,偏差将无法消除。 而当扰动恢复正常时,由于u(t)在可调范围以外,不能马上起调节作用;等待一定时间后,系统才能恢复正常。这种现象称为积分饱和。 “积分饱和”问题 单回路系统积分饱和仿真结果 积分饱和的抑制方法 一般采用积分分离法来抑制积分饱和。其主要思想是当发现控制器的输出饱和时,停止控制器的积分作用,当控制器的输出不再饱和时,才恢复积分作用。 Td 为微分时间 理想的PID 控制器 实际 PID 控制器 由于理想的微分作用在物理上不能实现,所以一般用超前滞后环节来产生近似的微分作用。 3.2.3 PID(比例-积分-微分)控制 Ti(t) 在10 min 时,从50 ℃ 阶跃增加至60 ℃ 。 仿真结果分析 PID控制回路的仿真实验 微分作用对控制性能的影响 微分作用对控制性能的影响 控制器增益 Kc或比例度PB 增益增大(即Kc 增大或比例度PB下降),调节作用增强,但稳定性下降; 积分时间Ti 积分作用增强(即Ti 下降),使系统消除余差的能力加强,但

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