自动控制原理及pid调整介绍学习教案

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1、会计学1自动控制自动控制(z dn kn zh)原理及原理及pid调整调整介绍介绍第一页，共31页。l自动控制的目标：提高(tgo)劳动生产率，提高(tgo)产品质量，改善(gishn)劳动条件，节约能源，第1页/共31页第二页，共31页。控制器受控对象控制(kngzh)量输入量输出量(a)开环控制系统(knzhxtn)控制量输入量输出量(b)闭环控制系统反馈元件控制器受控对象第2页/共31页第三页，共31页。特点(tdin)：缺点(qudin)：最简单的控制方式系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题信号传递没有形成闭合回路输出量不能对控制量产生影响。控制精度不高系统抗干扰能力差对元

2、器件的要求比较高控制量输入量输出量(b)闭环控制系统反馈元件控制器受控对象控制器受控对象控制量输入量输出量(a)开环控制系统第3页/共31页第四页，共31页。反馈(fnku)控制系统l 反馈(fnku)通路负反馈与正反馈控制系统一般采用负反馈l信号传递形成一个闭合回路输入量与反馈量之差称为偏差信号控制量输入量输出量(b)闭环控制系统反馈元件控制器受控对象控制器受控对象控制量输入量输出量(a)开环控制系统第4页/共31页第五页，共31页。设定值x控制器执行器被控对象测量、变送扰动(rodng)f被控(bikn)变量y反馈量z自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u第5页/共31页第六页，共31页。

3、被控(bikn)对象控制变量设定值x控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图12自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u是指被控制(kngzh)的装置或者设备。施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号u表示。被控变量控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y表示。第6页/共31页第七页，共31页。偏差(pinch)信号扰动(rodng)信号系统的设定值与反馈信号(xnho)之差称为偏差，用符号e表示。使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f表示。设定值x控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图12自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u设

4、定值（给定值）希望系统输出达到的数值，一般用符号x表示。第7页/共31页第八页，共31页。定值元件(yunjin)控制器执行(zhxng)元件用来产生设定值或参考输入。或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。设定值x控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图12自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u第8页/共31页第九页，共31页。又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换(binhun)成标准信号送到控制器。比较(bjio)元件用以产生偏差信号2、控制系统的组成设定值x控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变

5、量y反馈量z图12自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u第9页/共31页第十页，共31页。稳定性、精确性和快速性q 稳定性 控制系统设计的首要条件 系统自身的属性 有界输入(shr)，有界输出第10页/共31页第十一页，共31页。q 精确性反映系统的被控(bi kn)变量偏离设定值的程度。q 快速性控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态(zhungti)达到另一个平衡状态(zhungti)的时间。第11页/共31页第十二页，共31页。1、开环控制系统(knzhxtn)与闭环控制系统(knzhxtn)2、定值控制系统(knzhxtn)、随动控制系统(knzhxtn)和程序控制根据给定信号形式的

6、不同分类。定值控制系统：系统的参考输入为恒定值或者波动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。随动控制系统（伺服控制系统）：参考输入值不断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的输出量能够准确地跟踪输入值的变化。程序控制系统：设定值变化，是时间的已知函数，即按照事先规定的时间程序或规律变化。第12页/共31页第十三页，共31页。从输入与输出信号的数量(shling)分类。单输入(shr)单输出系统（SISO）多输入多输出系统（MIMO）集中参数系统与分布参数系统uy(a)SISO系统系统1u2unu1y2yny(b)MIMO系统系统确定性系统与随机控制系统等第13页/共31页第十四页，共31页。

7、究竟使用哪种典型信号分析(fnx)系统？若输入是突然的脉动脉冲信号若输入是突变的跃变阶跃信号若输入随时间逐渐(zhjin)变化斜坡信号若输入是周期信号正弦信号第14页/共31页第十五页，共31页。直接(zhji)评价控制系统的单位阶跃响应曲线（a）随动系统(xtng)图3-2单位阶跃响应曲线（b）定值系统第15页/共31页第十六页，共31页。1.50.510t(1)峰值(fnzh)时间tp阶跃响应曲线达到(ddo)第一峰值所需要的时间。tptp愈小，表明控制系统反应愈灵敏。A第16页/共31页第十七页，共31页。最大偏差A:被控输出(shch)第一个波的峰值与给定值的差，如图中的A。超调量%1

8、00)()()(%yytyp y()为过渡(gud)过程的稳态值。超调量（百分数表示的最大偏差）：)()(trtyAp 1.50.510)(ytptA注意最大偏差和超调量的不同。第17页/共31页第十八页，共31页。在过渡过程(guchng)曲线上，同方向上相邻两个波峰值之比。如图，n=A:A。ln愈大，过渡过程衰减的越快，反之(fnzh)，n愈小，过l渡过程的衰减程度也愈小;l一般操作经验希望过程有两、三个周波结束，一般常取n=4:110:1。l当n1时，过渡过程则为等幅振荡；0.150.050.10ttp)(yAA第18页/共31页第十九页，共31页。阶跃响应到达(dod)稳态的时间。工程

9、上常取在被控变量进入新稳态值的土5或土2的误差范围，并不再超出的时间。ts的大小一般与控制系统中的最大时间常数(shjinchnsh)有关，ts越短，系统响应越快。1.50.510A tptAts)(y第19页/共31页第二十页，共31页。1.50.510A tptA仅适用随动系统。第一次达到(ddo)系统新稳态值所需的时间，定义为上升时间。(6)余差或稳态误差(wch)e()过渡过程结束时稳态值与给定值之差，是表示(biosh)控制系统精度的重要质量指标。tr对于非振荡的过渡过程曲线：从稳态值的10上升到90所需的时间。)(ytse(）第20页/共31页第二十一页，共31页。1、峰值(fnz

10、h)时间tp和上升时间tr反映了系统的初始快速性。4、稳态误差(wch)反映了系统的调节精度。3、最大偏差、超调量和衰减比反映了系统的平稳性。2、调节时间ts反映了系统的整体快速性。1.50.510A tptAtr)(yts第21页/共31页第二十二页，共31页。调节器可以(ky)被用来改变闭环传递函数，以保证系统获得希望的动态特性和静态特性。R(s)Y(s)(0sG)(sGc)(sGf)(sH+F(s)E(s)Z(s)第22页/共31页第二十三页，共31页。调节器按不同控制规律产生使偏差(pinch)减小的控制信号。工业中常用的控制规律有：比例(bl)P、比例(bl)加积分PI、比例(bl)

11、加积分加微分PID等第23页/共31页第二十四页，共31页。控制器输出p(t)与偏差信号(xnho)e(t)之间成比例关系。p(t)=Kce(t)其传递函数:ccKsEsPsG )()()(Kc：控制器的比例增益(zngy)或放大倍数。10.50-0.50510420-20510e(t)p(t)R(s)Y(s)cKE(s)P(s)-第24页/共31页第二十五页，共31页。1.比例控制是最基本的控制规律；2.不能消除(xioch)静态误差（余差）；3.余差大小与Kc成反比。可调增益的放大(fngd)器 输出与输入波形相同，放大(fngd)Kc倍若广义对象为0型系统，则系统存在稳态误差。总结：第2

12、5页/共31页第二十六页，共31页。控制器输出p(t)与偏差(pinch)信号e(t)之间的关系为：ticdtteTteKtp0)(1)()(控制器的传递函数为：)11()()()(sTKsEsPsGicc Kc:比例(bl)增益0te(t)0tp(t)ssE1)(P+IPITi:积分时间第26页/共31页第二十七页，共31页。l 偏差(pinch)信号的积分（累加）l 只有偏差(pinch)为零时，积分作用才停止。此时，控 制信号保持在前一刻数值。l只要偏差存在，积分作用就一直进行，直到受到实际装置的限幅（积分饱和）。总结：1.积分控制作用是可以消除余差的（主要目的）。2.积分作用与Ti成反

13、比。TiI3.有可能影响系统的稳定性。tidtteTtp0)(1)(第27页/共31页第二十八页，共31页。控制作用(zuyng)的数学表达式是：)()(1)()(0dttdeTdtteTteKtpdtic 其传递函数：)11()()()(sTsTKsEsPsGdicc Kc:比例增益(zngy)，Ti:积分时间,Td:微分时间。0t0tP(t)单位斜波P+I+DP+DdPe(t)D第28页/共31页第二十九页，共31页。l 微分(wi fn)作用和偏差变化的速率成正比，能提高控 制器反应的灵敏程度，使系统获得超前作用，有助于增加系统的稳定性和控制品质。l 控制作用在输入(shr)信号变化的瞬间是有效的，不 能单独使用。总结：1.微分作用具有超前调节的作用，有助于增加系统的稳定性和控制品质；2.微分作用大小与Td成正比；3.有可能放大噪声。dttdeTtpd)()(PID调节器是三种控制作用的组合，是比较完善的常规控制规律。第29页/共31页第三十页，共31页。q比例作用是最基本的控制作用qKc增加，振荡加剧q余差减小q微分作用可增加系统的稳定性q增加微分作用时，可适当增加Kcq不能消除(xioch)余差qTd不可太大q积分作用可消除(xioch)余差q影响系统的稳定性q增加积分作用时，要减少Kc第30页/共31页第三十一页，共31页。