過程控制儀表第5章數(shù)字調(diào)節(jié)器

1、1第第5章章 數(shù)字調(diào)節(jié)器數(shù)字調(diào)節(jié)器 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 數(shù)字調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成數(shù)字調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成 模擬量輸入模擬量輸入/輸出通道輸出通道 數(shù)字式數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器 常用數(shù)字式常用數(shù)字式PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器5. 1 數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成 模擬式調(diào)節(jié)器的局限性越來越明顯：模擬式調(diào)節(jié)器的局限性越來越明顯：1）功能單一，靈活性差；）功能單一，靈活性差；2）信息分散，所用儀表多，且監(jiān)視操作不方便；）信息分散，所用儀表多，且監(jiān)視操作不方便；3）接線過多，系統(tǒng)維護難度大。）接線過多，系統(tǒng)維護難度大。 數(shù)字式控制器的硬件電路由

2、主機電路、過程輸入通道、過程輸出通道、人/機接口電路以及通信接口電路等構(gòu)成。 1.數(shù)字式控制器的硬件電路數(shù)字式控制器的硬件電路 數(shù)字式控制器的硬件電路 （1 1）主機電路）主機電路 主要由微處理器主要由微處理器CPUCPU、只讀存儲器、只讀存儲器ROMROM和和EPROMEPROM、隨機存儲器、隨機存儲器RAMRAM、定時、定時/ /計數(shù)器計數(shù)器CTCCTC以及輸入以及輸入/ /輸出接輸出接口等組成，它是數(shù)字控制器的核心，用于數(shù)據(jù)運算處理和各口等組成，它是數(shù)字控制器的核心，用于數(shù)據(jù)運算處理和各組成部分的管理。組成部分的管理。（2 2）過程輸入通道）過程輸入通道 包括模擬量輸入通道和開關(guān)量輸入通

3、包括模擬量輸入通道和開關(guān)量輸入通道兩部分，其中模擬量輸入通道主要由多路模擬開關(guān)、采樣道兩部分，其中模擬量輸入通道主要由多路模擬開關(guān)、采樣/ /保持器和保持器和A/DA/D轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將模擬量輸入信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將模擬量輸入信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量；而開關(guān)量輸入通道則將多個開關(guān)輸入信換為相應(yīng)的數(shù)字量；而開關(guān)量輸入通道則將多個開關(guān)輸入信號通過輸入緩沖器將其轉(zhuǎn)換為能被計算機識別的數(shù)字信號。號通過輸入緩沖器將其轉(zhuǎn)換為能被計算機識別的數(shù)字信號。 （3 3）過程輸出通道）過程輸出通道 主要包括模擬量輸出通道和開關(guān)量輸主要包括模擬量輸出通道和開關(guān)量輸出通道兩部分，其中模擬量輸出通道由出通

4、道兩部分，其中模擬量輸出通道由D/AD/A轉(zhuǎn)換器、多路模轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)輸出保持器和擬開關(guān)輸出保持器和V/IV/I轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將數(shù)字信轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為號轉(zhuǎn)換為1 15V5V模擬電壓或模擬電壓或4 420mA20mA模擬電流信號。開關(guān)量輸模擬電流信號。開關(guān)量輸出通道則通過輸出緩沖器輸出開關(guān)量信號，以便控制繼電器出通道則通過輸出緩沖器輸出開關(guān)量信號，以便控制繼電器觸點或無觸點開關(guān)等。觸點或無觸點開關(guān)等。 （4）人）人/機聯(lián)系部件機聯(lián)系部件 主要包括顯示儀表或顯示器、手動主要包括顯示儀表或顯示器、手動操作裝置等，它們被分別置于數(shù)字式控制器的正面和側(cè)面。操作裝置等，

5、它們被分別置于數(shù)字式控制器的正面和側(cè)面。正面的設(shè)置與常規(guī)模擬式控制器相似，有測量值和設(shè)定值正面的設(shè)置與常規(guī)模擬式控制器相似，有測量值和設(shè)定值顯示表、輸出電流顯示表、運行狀態(tài)切換按鈕、設(shè)定值增顯示表、輸出電流顯示表、運行狀態(tài)切換按鈕、設(shè)定值增/減按鈕、手動操作按鈕等。側(cè)面則有設(shè)置和指示各種參數(shù)減按鈕、手動操作按鈕等。側(cè)面則有設(shè)置和指示各種參數(shù)的鍵盤、顯示器等。的鍵盤、顯示器等。（5）通信部件）通信部件 主要包括通信接口、發(fā)送和接收電路等。主要包括通信接口、發(fā)送和接收電路等。通信接口將發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信格式的數(shù)字信號，通信接口將發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信格式的數(shù)字信號，由發(fā)送電路送往外部通信線

6、路，再由接收電路接收并將其由發(fā)送電路送往外部通信線路，再由接收電路接收并將其轉(zhuǎn)換成計算機能接收的數(shù)據(jù)。數(shù)字通信大多采用串行方式。轉(zhuǎn)換成計算機能接收的數(shù)據(jù)。數(shù)字通信大多采用串行方式。 （1）系統(tǒng)管理軟件）系統(tǒng)管理軟件 主要包括監(jiān)控程序和中斷處理程序兩主要包括監(jiān)控程序和中斷處理程序兩部分，它們是控制器軟件的主體。監(jiān)控程序又包含系統(tǒng)初部分，它們是控制器軟件的主體。監(jiān)控程序又包含系統(tǒng)初始化、鍵盤和顯示管理、中斷管理、自診斷處理及運行狀始化、鍵盤和顯示管理、中斷管理、自診斷處理及運行狀態(tài)控制等模塊；中斷處理程序則包含鍵處理、定時處理、態(tài)控制等模塊；中斷處理程序則包含鍵處理、定時處理、輸入處理和運算控制、

7、通信處理和掉電處理等模塊。輸入處理和運算控制、通信處理和掉電處理等模塊。（2）用戶應(yīng)用軟件）用戶應(yīng)用軟件 用戶應(yīng)用軟件由用戶自行編制，采用用戶應(yīng)用軟件由用戶自行編制，采用POL(面向過程語言面向過程語言)編程，因而設(shè)計簡單、操作方便。在編程，因而設(shè)計簡單、操作方便。在可編程控制器中，這些應(yīng)用軟件以模塊或指令的形式給出，可編程控制器中，這些應(yīng)用軟件以模塊或指令的形式給出，用戶只要將這些模塊或指令按一定規(guī)則進行連接（亦稱組用戶只要將這些模塊或指令按一定規(guī)則進行連接（亦稱組態(tài)）或編程，即可構(gòu)成用戶所需的各種控制系統(tǒng)。態(tài)）或編程，即可構(gòu)成用戶所需的各種控制系統(tǒng)。 2. 數(shù)字式控制器的軟件數(shù)字式控制器的

8、軟件 75.2 模擬量輸入模擬量輸入/輸出通道輸出通道 1模擬量輸入通道模擬量輸入通道 1、分類：、分類： 從接受電信號的電平分：高電平和低電平輸入通道；從接受電信號的電平分：高電平和低電平輸入通道； 從抗干擾性能角度分：非隔離型和隔離型高抗干擾輸入從抗干擾性能角度分：非隔離型和隔離型高抗干擾輸入通道；通道； 從結(jié)構(gòu)上可按共用一個放大器或從結(jié)構(gòu)上可按共用一個放大器或A/D轉(zhuǎn)換器及不共用多轉(zhuǎn)換器及不共用多種組合。種組合。8（1）共用一個采樣）共用一個采樣/保持器（保持器（S/H）和）和A/D轉(zhuǎn)換器的高電平轉(zhuǎn)換器的高電平模擬量輸入通道（如下圖所示）。模擬量輸入通道（如下圖所示）。9（2）各通道分用

9、采樣保持器，共用）各通道分用采樣保持器，共用 A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道（如下圖所示）輸入通道（如下圖所示）10二、模擬量輸出通道二、模擬量輸出通道 在數(shù)字調(diào)節(jié)器中，運算處理后得到的控制信號仍是數(shù)字在數(shù)字調(diào)節(jié)器中，運算處理后得到的控制信號仍是數(shù)字量，需經(jīng)模擬量輸出通道變換為能直接驅(qū)動執(zhí)行器的信號。量，需經(jīng)模擬量輸出通道變換為能直接驅(qū)動執(zhí)行器的信號。 進行閉環(huán)連續(xù)控制的執(zhí)行器大致有以下幾類：進行閉環(huán)連續(xù)控制的執(zhí)行器大致有以下幾類： 1）由伺服馬達驅(qū)動的電動執(zhí)行器。）由伺服馬達驅(qū)動的電動執(zhí)行器。 2）由電氣轉(zhuǎn)換器驅(qū)動的氣動執(zhí)行器。）由電氣轉(zhuǎn)換器驅(qū)動的氣動執(zhí)行器。 3）由步進電動機驅(qū)

10、動的電動執(zhí)行器。）由步進電動機驅(qū)動的電動執(zhí)行器。 4）控制電加熱系統(tǒng)的晶閘管。）控制電加熱系統(tǒng)的晶閘管。 輸出通道根據(jù)所用輸出通道根據(jù)所用D/A轉(zhuǎn)換器的情況可有兩種形式。轉(zhuǎn)換器的情況可有兩種形式。 11多個輸出通道共用一個多個輸出通道共用一個D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)示意圖如下轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。圖所示。12每個通道各用一個每個通道各用一個 D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如下圖轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如下圖 所示。所示。13一、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn)一、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn) 5.3 數(shù)字式數(shù)字式PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 DDZ-調(diào)節(jié)器是模擬式調(diào)節(jié)器，它利用電子電路進調(diào)節(jié)器是模擬式調(diào)節(jié)器，它利用電子

11、電路進行連續(xù)的行連續(xù)的PID運算。運算。 數(shù)字式調(diào)節(jié)器以微計算機為核心進行有關(guān)控制規(guī)律數(shù)字式調(diào)節(jié)器以微計算機為核心進行有關(guān)控制規(guī)律的運算，所有控制規(guī)律的運算都是周期性的進行，即數(shù)的運算，所有控制規(guī)律的運算都是周期性的進行，即數(shù)字式調(diào)節(jié)器是離散系統(tǒng)。因此，用于連續(xù)系統(tǒng)的字式調(diào)節(jié)器是離散系統(tǒng)。因此，用于連續(xù)系統(tǒng)的PID控制控制規(guī)律必須進行離散化后方可應(yīng)用于數(shù)字式調(diào)節(jié)器。規(guī)律必須進行離散化后方可應(yīng)用于數(shù)字式調(diào)節(jié)器?？刂扑惴ǎ夯究刂扑惴ǎ夯綪ID算法算法 改進改進PID算法算法實現(xiàn)形式：位置型、增量型、速度型和偏差型實現(xiàn)形式：位置型、增量型、速度型和偏差型 14二、數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法二、數(shù)字調(diào)節(jié)

12、器的設(shè)計方法 數(shù)字調(diào)節(jié)器控制算法的設(shè)計有模擬化設(shè)計方法和數(shù)字化數(shù)字調(diào)節(jié)器控制算法的設(shè)計有模擬化設(shè)計方法和數(shù)字化設(shè)計方法兩種。設(shè)計方法兩種。 數(shù)字調(diào)節(jié)器的模擬化設(shè)計方法是基于將數(shù)字控制系統(tǒng)看數(shù)字調(diào)節(jié)器的模擬化設(shè)計方法是基于將數(shù)字控制系統(tǒng)看一個連續(xù)系統(tǒng)，如下圖所示。一個連續(xù)系統(tǒng)，如下圖所示。15 直接數(shù)字化設(shè)計是設(shè)計數(shù)字調(diào)節(jié)器的另一種方法，它直接數(shù)字化設(shè)計是設(shè)計數(shù)字調(diào)節(jié)器的另一種方法，它是將計算機控制系統(tǒng)看成一個離散系統(tǒng)，如下圖所示。它是將計算機控制系統(tǒng)看成一個離散系統(tǒng)，如下圖所示。它實際上是通過零階保持器和采樣器將連續(xù)對象離散化了。實際上是通過零階保持器和采樣器將連續(xù)對象離散化了。利用離散系統(tǒng)理

13、論，可以根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求直接求出利用離散系統(tǒng)理論，可以根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求直接求出數(shù)字控制器的離散算法數(shù)字控制器的離散算法D（Z）。）。16三、三、PID控制算式控制算式（一）（一）PID控制算式的基本形式控制算式的基本形式 數(shù)字調(diào)節(jié)中的數(shù)字調(diào)節(jié)中的PID控制算式是將控制算式是將PID的模擬表達式進行的模擬表達式進行離散化而得到的。離散化而得到的。PID的模擬表達式為的模擬表達式為式中式中 p調(diào)節(jié)器的輸出信號；調(diào)節(jié)器的輸出信號； e調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號，是測量值調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號，是測量值m與給定值與給定值r之差，之差， e=r-m； KP、TI、TD分別為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、再調(diào)時間分別

14、為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、再調(diào)時間（也稱積分時間）、預(yù)調(diào)時間（也稱微分時間）。（也稱積分時間）、預(yù)調(diào)時間（也稱微分時間）。 )1(1dtdeTedtTeKpDP 17ninnsDiIsnPneeTTeTTeKp01 因為采樣周期因為采樣周期Ts相對于信號變化周期是很小的，這相對于信號變化周期是很小的，這樣可用矩形法計算積分，用向后差分代替微分，則上式樣可用矩形法計算積分，用向后差分代替微分，則上式變成離散變成離散PID算式為算式為式中式中t=Ts采樣周期；采樣周期； pn第第n次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出；次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出； en第第n次采樣的偏差值次采樣的偏差值en=r-mn； n采樣序號。采樣序號。

15、 上式為位置式算式，其計算出的輸出量與執(zhí)行機構(gòu)上式為位置式算式，其計算出的輸出量與執(zhí)行機構(gòu)（閥門）的位置相對應(yīng)。（閥門）的位置相對應(yīng)。 18 由上式同樣可列出第（由上式同樣可列出第（nl）次采樣的輸出表達式）次采樣的輸出表達式 由上面兩式相減，可得由上面兩式相減，可得PID調(diào)節(jié)器輸出增量的表達式調(diào)節(jié)器輸出增量的表達式102111ninnsDiIsnPneeTTeTTeKp)2()()2()(211211nnnDnInnPnnnsDnIsnnPneeeKeKeeKeeeTTeTTeeKp式中式中KIPID控制算式的積分系數(shù)控制算式的積分系數(shù)KIKPTS/TI； KDPID控制算式的微分系數(shù)控制算

16、式的微分系數(shù)KD=KPTD/TS。 上式運算結(jié)果上式運算結(jié)果pn表示了執(zhí)行機構(gòu)（閥門）位置應(yīng)表示了執(zhí)行機構(gòu)（閥門）位置應(yīng)改變的增量，為增量式算式。改變的增量，為增量式算式。19 位置式和增量式兩種控制算式在本質(zhì)上并無多少區(qū)別，位置式和增量式兩種控制算式在本質(zhì)上并無多少區(qū)別，只不過在用位置式算式時，只不過在用位置式算式時，pn=pi的任務(wù)由軟件完成，而的任務(wù)由軟件完成，而在用增量式控制算式時，則需由硬件中的輸出通道來完成。在用增量式控制算式時，則需由硬件中的輸出通道來完成。采用位置式和增量式算式時，數(shù)字控制系統(tǒng)示意圖如下圖所采用位置式和增量式算式時，數(shù)字控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示。示。20 由上述

17、可見，兩種算式在本質(zhì)上是一樣的，但增量式由上述可見，兩種算式在本質(zhì)上是一樣的，但增量式算式卻有一些優(yōu)點，使它的應(yīng)用更廣泛。這些優(yōu)點主要有：算式卻有一些優(yōu)點，使它的應(yīng)用更廣泛。這些優(yōu)點主要有： 1）計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構(gòu)位置的變化部分，）計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構(gòu)位置的變化部分，誤動作時影響小。必要時通過邏輯判斷進行保護，不會嚴(yán)誤動作時影響小。必要時通過邏輯判斷進行保護，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)狀態(tài)。重影響系統(tǒng)狀態(tài)。 2）易于實現(xiàn)手動）易于實現(xiàn)手動-自動的無擾切換。自動的無擾切換。21（二）（二）PID控制算式的變型控制算式的變型 為了改善控制質(zhì)量，針對不同對象，為了改善控制質(zhì)量，針對不

18、同對象，PID控制中引入了控制中引入了許多新內(nèi)容，我們僅舉以下幾個例子。許多新內(nèi)容，我們僅舉以下幾個例子。（1）完全微分）完全微分PID算法算法位置型：位置型：ninnDiInPnTTTTKy01)(增量型：增量型：)2()(2111nnnDnInnPnnnTTTTKyyy22（2） 不完全微分不完全微分PID算法算法 完全微分完全微分PID算法的缺點：算法的缺點： 微分作用過于靈敏，微分作用持續(xù)時間短，容易引起控制微分作用過于靈敏，微分作用持續(xù)時間短，容易引起控制系統(tǒng)振蕩，降低控制品質(zhì)；系統(tǒng)振蕩，降低控制品質(zhì)； 閥門開度時間與調(diào)節(jié)器的輸出信號時間不相對應(yīng)閥門開度時間與調(diào)節(jié)器的輸出信號時間不相

19、對應(yīng) 。不完全微分不完全微分PID調(diào)節(jié)器：在完成微分調(diào)節(jié)器：在完成微分PID的輸出端串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)，的輸出端串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)，如下圖所示。如下圖所示。 不完全微分PID調(diào)節(jié)器組成原理框圖 11)( )()(sTsYsYsWff23 不完全微分不完全微分PID算法的輸出在較長時間內(nèi)仍有微分作用，可獲得算法的輸出在較長時間內(nèi)仍有微分作用，可獲得較好的控制效果，在數(shù)字式調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用。較好的控制效果，在數(shù)字式調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用。 不完全微分不完全微分PID位置型算法：位置型算法： 1)1 (nnnyyayninnDiIPnTTTTKy01)(不完全微分不完全微分PID增量型算法：增量型算法： 1)1

20、(nnnyyay)2()(211nnnDnInnPnTTTTKy24（3） 抗積分飽和算法抗積分飽和算法(積分分離積分分離 PID控制控制) 數(shù)字調(diào)節(jié)器最簡單的抗積分飽和方法是積分分離法數(shù)字調(diào)節(jié)器最簡單的抗積分飽和方法是積分分離法 ，其基本原理，其基本原理是，在偏差是，在偏差 較較小時加入積分作用；而小時加入積分作用；而 較大時取消積分作用。這樣較大時取消積分作用。這樣便減輕積分累計的飽和程度，以達到抗積分飽和的目的。便減輕積分累計的飽和程度，以達到抗積分飽和的目的。 對于理想對于理想PID算法的增量形式：算法的增量形式：)2()(211nnnDnILnnPnKKKKy首先判斷偏差首先判斷偏差

21、 的絕對值的絕對值 是否趨于預(yù)先設(shè)定的偏差限定值是否趨于預(yù)先設(shè)定的偏差限定值A(chǔ)，然后確定是否投入積分作用，即：然后確定是否投入積分作用，即： AAKL當(dāng)當(dāng)1025（4）微分先行）微分先行PID控制控制 微分先行微分先行PID的結(jié)構(gòu)圖如下。的結(jié)構(gòu)圖如下。 PD與與PI串聯(lián)，只對測量量串聯(lián)，只對測量量M進行微分，而不是對偏差進行微分，而不是對偏差進行微分，這樣在給定值進行微分，這樣在給定值R變化時，不會產(chǎn)生輸出的大幅度變化時，不會產(chǎn)生輸出的大幅度變化，即可避免給定值擾動，這種算式適用于給定值變化，即可避免給定值擾動，這種算式適用于給定值R經(jīng)常經(jīng)常變化的情況。變化的情況。26 （5）帶有死區(qū)的）帶有

22、死區(qū)的PID控制控制 帶有死區(qū)的帶有死區(qū)的PID算式為算式為: 當(dāng)當(dāng) B時，時， yn =0 當(dāng)當(dāng) B時，時， yn= pn 當(dāng)偏差絕對值當(dāng)偏差絕對值 B時，本次不進行計算和輸出，即本次輸出時，本次不進行計算和輸出，即本次輸出 yn =0；當(dāng)偏差絕對值；當(dāng)偏差絕對值 B時，進行時，進行PID運算，計算結(jié)果運算，計算結(jié)果yn作為本次輸出。作為本次輸出。（6） 數(shù)字式非線性控制數(shù)字式非線性控制對于數(shù)字式完全微分對于數(shù)字式完全微分PID算法的增量算法：算法的增量算法： )2()(211nnnDnInnPLnKKKKyLK為邏輯系數(shù)為邏輯系數(shù) BBKL當(dāng)當(dāng)10式中，式中，275.4 PID參數(shù)自整定調(diào)

23、節(jié)器參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器 PID參數(shù)自整定是對于一個正在運行的控制系統(tǒng)，特別是參數(shù)自整定是對于一個正在運行的控制系統(tǒng)，特別是定值改變的控制系統(tǒng)自動整定控制回路中的定值改變的控制系統(tǒng)自動整定控制回路中的PID參數(shù)。參數(shù)。 PID參數(shù)自整定的方法有多種，大致可分為兩大類。參數(shù)自整定的方法有多種，大致可分為兩大類。 1.波形識別法波形識別法 這類方法有兩種類型：一種是在系統(tǒng)中加入具有繼電特性這類方法有兩種類型：一種是在系統(tǒng)中加入具有繼電特性性的非線性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激等幅振蕩，通過測取振蕩波性的非線性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激等幅振蕩，通過測取振蕩波的振幅和周期，求取系統(tǒng)的臨界振蕩參數(shù)，再利用的振幅和周期，

24、求取系統(tǒng)的臨界振蕩參數(shù)，再利用Ziegler-Nichols規(guī)則對規(guī)則對PID參數(shù)進行整定。另一種是根據(jù)過程輸出曲線參數(shù)進行整定。另一種是根據(jù)過程輸出曲線形狀判別來整定形狀判別來整定PID參數(shù)。參數(shù)。28 29 2以對象數(shù)學(xué)模型辨識為基礎(chǔ)的自整定方法以對象數(shù)學(xué)模型辨識為基礎(chǔ)的自整定方法 對象數(shù)學(xué)模型的辨識方法有施加擾動和不施加擾動兩類。對象數(shù)學(xué)模型的辨識方法有施加擾動和不施加擾動兩類。30 PID參數(shù)自整定的方法很多，我們這里僅介紹三種目前參數(shù)自整定的方法很多，我們這里僅介紹三種目前用得較多的方法。用得較多的方法。一、改進型臨界比例度法（繼電限幅自整定法）一、改進型臨界比例度法（繼電限幅自整定

25、法） 這是波形識別法中的一種參數(shù)自整定方法。用改進型臨這是波形識別法中的一種參數(shù)自整定方法。用改進型臨界比例度法的界比例度法的PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。 圖中圖中 G（j）為控制對象，）為控制對象，N為具有繼電特性的非線性環(huán)為具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于自整定狀態(tài)時，開關(guān)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于自整定狀態(tài)時，開關(guān)S置于位置置于位置2，S置于位置置于位置1時為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進行時為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進行PID控制?？刂?。31 改進型臨界比例度法整定改進型臨界比例度法整定PID參數(shù)的運行步驟：參數(shù)的運行步驟： 1）使系統(tǒng)工作在有繼電特性

26、的非線性系統(tǒng)狀態(tài)，產(chǎn)生自）使系統(tǒng)工作在有繼電特性的非線性系統(tǒng)狀態(tài)，產(chǎn)生自激振蕩，求出臨界比例系數(shù)激振蕩，求出臨界比例系數(shù)KCP及臨界振蕩周期及臨界振蕩周期TCP。 2）按）按ZieglerNichols規(guī)則計算出規(guī)則計算出PID參數(shù)參數(shù)KP、TI、TD的的值。值。 改進型臨界比例度自整定方法的特點是原理簡單、整定改進型臨界比例度自整定方法的特點是原理簡單、整定速度快，但為求取速度快，但為求取KCP及及TCP系統(tǒng)要產(chǎn)生等幅振蕩，因此不宜系統(tǒng)要產(chǎn)生等幅振蕩，因此不宜多次使用。它適用于回路參數(shù)的初始整定，特別是系統(tǒng)開工多次使用。它適用于回路參數(shù)的初始整定，特別是系統(tǒng)開工時大量的回路整定。將用改進型臨

27、界比例度自整定方法求出時大量的回路整定。將用改進型臨界比例度自整定方法求出的的PID參數(shù)作為初值，在實時運行中再應(yīng)用其它方法對參數(shù)參數(shù)作為初值，在實時運行中再應(yīng)用其它方法對參數(shù)進行修正。實時修正參數(shù)可用迭代法或?qū)＜曳?。進行修正。實時修正參數(shù)可用迭代法或?qū)＜曳ā?2二迭代自整定控制算法二迭代自整定控制算法 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，假設(shè)調(diào)節(jié)器經(jīng)初步整定的初始參在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，假設(shè)調(diào)節(jié)器經(jīng)初步整定的初始參數(shù)，通過推導(dǎo)出數(shù)，通過推導(dǎo)出PID參數(shù)參數(shù)KP、TI、TD的迭代整定算式求出修的迭代整定算式求出修正參數(shù)。正參數(shù)。 前述改進型臨界比例度整定算式可用于確定初始整定前述改進型臨界比例度整定算式可用于確定初

28、始整定參數(shù)，而迭代算式適用于在已有較好整定參數(shù)的基礎(chǔ)上進參數(shù)，而迭代算式適用于在已有較好整定參數(shù)的基礎(chǔ)上進行修正，逐漸趨近最佳參數(shù)。因此，可將兩種方法結(jié)合起行修正，逐漸趨近最佳參數(shù)。因此，可將兩種方法結(jié)合起來進行來進行PID參數(shù)自整定。參數(shù)自整定。三、專家法三、專家法PID參數(shù)自整定參數(shù)自整定 用專家法自整定用專家法自整定PID參數(shù)的調(diào)節(jié)器稱為專家自整定調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)節(jié)器稱為專家自整定調(diào)節(jié)器。這種器。這種PID參數(shù)自整定的過程實際上是模擬操作人員整定參數(shù)自整定的過程實際上是模擬操作人員整定PID參數(shù)的判斷和決策過程。專家參數(shù)的判斷和決策過程。專家PID調(diào)節(jié)器是在一般調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器是在一般調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的

29、基礎(chǔ)上，增加了由知識庫和推理機構(gòu)組成的參數(shù)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了由知識庫和推理機構(gòu)組成的參數(shù)自整定專家系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如下圖所示。自整定專家系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如下圖所示。3334l知識庫知識庫 知識庫是將控制工程師整定系統(tǒng)的知識和經(jīng)驗進行整知識庫是將控制工程師整定系統(tǒng)的知識和經(jīng)驗進行整理歸納后，以一定表示法存入計算機中。參數(shù)自整定專家理歸納后，以一定表示法存入計算機中。參數(shù)自整定專家系統(tǒng)的知識庫主要包括以下幾方面的內(nèi)容：過程響應(yīng)曲線系統(tǒng)的知識庫主要包括以下幾方面的內(nèi)容：過程響應(yīng)曲線類型、控制目標(biāo)類型及整定規(guī)則。下面分別加以說明。類型、控制目標(biāo)類型及整定規(guī)則。下面分別加以說明。 （1）過程響應(yīng)曲線

30、類型）過程響應(yīng)曲線類型 由于實際控制系統(tǒng)多種多樣，由于實際控制系統(tǒng)多種多樣，因此系統(tǒng)響應(yīng)曲線也可能是各種各樣的，在構(gòu)成知識庫時因此系統(tǒng)響應(yīng)曲線也可能是各種各樣的，在構(gòu)成知識庫時盡量考慮周全又不能過于繁雜。根據(jù)給定值變化和負(fù)荷變盡量考慮周全又不能過于繁雜。根據(jù)給定值變化和負(fù)荷變化兩種情況，將系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線分為給定值變化時和負(fù)化兩種情況，將系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線分為給定值變化時和負(fù)荷擾動下的輸出響應(yīng)曲線如下圖所示。荷擾動下的輸出響應(yīng)曲線如下圖所示。35 圖中所示波形僅是按照響應(yīng)曲線峰值個數(shù)分類，而對于每一類波形，圖中所示波形僅是按照響應(yīng)曲線峰值個數(shù)分類，而對于每一類波形，由于其超調(diào)量、衰減比及振蕩周期

31、的不同，又可分為多種子類型。由于調(diào)節(jié)由于其超調(diào)量、衰減比及振蕩周期的不同，又可分為多種子類型。由于調(diào)節(jié)器整定參數(shù)時，是將實際觀測的曲線與知識庫中的曲線進行對照，按照最佳器整定參數(shù)時，是將實際觀測的曲線與知識庫中的曲線進行對照，按照最佳條件進行整定。因此，知識庫中存入的響應(yīng)曲線類型完善與否，對參數(shù)整定條件進行整定。因此，知識庫中存入的響應(yīng)曲線類型完善與否，對參數(shù)整定是否理想至關(guān)重要。一般需存幾十種類型的曲線。是否理想至關(guān)重要。一般需存幾十種類型的曲線。36（2）控制目標(biāo)）控制目標(biāo) 下表列出幾種控制目標(biāo)類型。下表列出幾種控制目標(biāo)類型。37（3）整定規(guī)則）整定規(guī)則 PID參數(shù)的整定規(guī)則都是經(jīng)驗性的，

32、它是參數(shù)的整定規(guī)則都是經(jīng)驗性的，它是建立于控制工程師經(jīng)驗的基礎(chǔ)上的，下面僅舉出幾條整定規(guī)建立于控制工程師經(jīng)驗的基礎(chǔ)上的，下面僅舉出幾條整定規(guī)則作為例子。則作為例子。 對給定值變化和干擾引起的輸出響應(yīng)采取不同的整定規(guī)對給定值變化和干擾引起的輸出響應(yīng)采取不同的整定規(guī)則。則。 在在P、I、D三個作用中，三個作用中，P是最基本的控制作用。當(dāng)輸出是最基本的控制作用。當(dāng)輸出響應(yīng)的超調(diào)量過大及衰減比過小時，減小響應(yīng)的超調(diào)量過大及衰減比過小時，減小KP。若最大偏差大，。若最大偏差大，且趨于非周期過程時，增加且趨于非周期過程時，增加KP。 一般取一般取TI等于二分之一系統(tǒng)振蕩周期，取等于二分之一系統(tǒng)振蕩周期，取

33、TD=(1/31/4)TI。 輸出響應(yīng)曲線偏離給定值后長期回不來，減小輸出響應(yīng)曲線偏離給定值后長期回不來，減小TI。若波。若波動較大則增大動較大則增大TI。 由于由于KP 過小和過小和TI過大都將引起系統(tǒng)輸出響應(yīng)遲緩，難以過大都將引起系統(tǒng)輸出響應(yīng)遲緩，難以穩(wěn)定。但是兩者情況有區(qū)別，前者表現(xiàn)為曲線飄動較大，變穩(wěn)定。但是兩者情況有區(qū)別，前者表現(xiàn)為曲線飄動較大，變化無規(guī)則，后者則會逐漸接近給定值，據(jù)此可以判斷需增大化無規(guī)則，后者則會逐漸接近給定值，據(jù)此可以判斷需增大KP或減小或減小TI 。382推理機構(gòu)推理機構(gòu) 在參數(shù)自整定系統(tǒng)中。推理機構(gòu)的作用是判斷系統(tǒng)輸出在參數(shù)自整定系統(tǒng)中。推理機構(gòu)的作用是判斷

34、系統(tǒng)輸出響應(yīng)的波形，歸為知識庫中存儲波形中的一種，并對其進行響應(yīng)的波形，歸為知識庫中存儲波形中的一種，并對其進行品質(zhì)評價，根據(jù)控制目標(biāo)的要求采取相應(yīng)措施。因此，輸出品質(zhì)評價，根據(jù)控制目標(biāo)的要求采取相應(yīng)措施。因此，輸出響應(yīng)曲線的測試和識別是十分重要的環(huán)節(jié)。專家自整定調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線的測試和識別是十分重要的環(huán)節(jié)。專家自整定調(diào)節(jié)器隨時觀測控制系統(tǒng)輸出值及給定值。如有給定值變化、負(fù)器隨時觀測控制系統(tǒng)輸出值及給定值。如有給定值變化、負(fù)荷干擾等因素影響控制偏差變化，而且超過預(yù)先設(shè)定的噪聲荷干擾等因素影響控制偏差變化，而且超過預(yù)先設(shè)定的噪聲帶時，調(diào)節(jié)器即進行參數(shù)自整定，否則保持原來的帶時，調(diào)節(jié)器即進行參數(shù)自整定

35、，否則保持原來的PID參數(shù)值。參數(shù)值。 專家法自整定前，需進行以下工作：專家法自整定前，需進行以下工作： l）進行）進行PID 參數(shù)予整定，確定參數(shù)予整定，確定PID參數(shù)的粗略值作為初值。參數(shù)的粗略值作為初值。 2）確定噪聲帶）確定噪聲帶Nb：由于過程含有噪聲，在響應(yīng)曲線測量時：由于過程含有噪聲，在響應(yīng)曲線測量時應(yīng)將其剔出，因此需確定一噪聲帶。在自整定時，采用了偏應(yīng)將其剔出，因此需確定一噪聲帶。在自整定時，采用了偏差超過設(shè)定的噪聲帶兩倍時才啟動自整定動作的方法來克服差超過設(shè)定的噪聲帶兩倍時才啟動自整定動作的方法來克服噪聲和干擾。噪聲和干擾。Nb值還可用來判斷觀測到的峰值是否真實，以值還可用來判

36、斷觀測到的峰值是否真實，以排除噪聲、干擾引起的假象。排除噪聲、干擾引起的假象。 393）確定容許等待時間）確定容許等待時間TW：自整定調(diào)節(jié)器需根據(jù)控制系統(tǒng)估：自整定調(diào)節(jié)器需根據(jù)控制系統(tǒng)估計的響應(yīng)時間作為容許等待時間。在專家法自整定中，是在計的響應(yīng)時間作為容許等待時間。在專家法自整定中，是在容許等待時間內(nèi)等待下一個峰值的到來。容許等待時間內(nèi)等待下一個峰值的到來。 TW過大，會使曲過大，會使曲線識別時間過長，影響控制效果。線識別時間過長，影響控制效果。 TW過短可能會對波形判過短可能會對波形判斷失誤。在預(yù)整定后取斷失誤。在預(yù)整定后取TW (T+)，T為過程時間常數(shù)，為過程時間常數(shù)， 為純滯后時間。

37、為純滯后時間。4）確定）確定TD/TI比值：一般取比值：一般取TD/TI =(1/31/4)。5）確定控制周期）確定控制周期TS： TS與控制效果關(guān)系密切，與控制效果關(guān)系密切， TS過大導(dǎo)致過大導(dǎo)致控制效果變壞甚至失控，但對純滯后控制效果變壞甚至失控，但對純滯后較大的系統(tǒng)，則要求較大的系統(tǒng)，則要求TS取大些，一般取取大些，一般取TS (1/51/6) 。 目前廣泛使用的產(chǎn)品有DK系列的KMM數(shù)字調(diào)節(jié)器、YS-80系列的SLPC數(shù)字調(diào)節(jié)器、FC系列的PMK數(shù)字調(diào)節(jié)器以及Micro760/761數(shù)字調(diào)節(jié)器等，由于它們的運算與控制功能是靠組態(tài)或編程實現(xiàn)的，且只控制一個回路，所以又常將它們稱為單回路可

38、編程數(shù)字調(diào)節(jié)器。以SLPC數(shù)字調(diào)節(jié)器為例。 1.SLPC可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成 具有基本的PID、微分先行PID、采樣PI、批量PID、帶可變?yōu)V波器設(shè)定的PID等多種控制功能，還可構(gòu)成串級、選擇性、非線性等多種復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)，并具有自整定、自診斷、通信等許多特殊功能 。5.5 5.5 常用數(shù)字式常用數(shù)字式PIDPID控制器控制器YS100單回路調(diào)節(jié)器 HTBJ-211單回路智能調(diào)節(jié)器 SLPC可編程控制器的硬件電路 模擬量輸入X1 X5 接受1 5V DC 信號6個開關(guān)量DI/DO可編程接口，通過高頻變壓器隔離Y1輸出4 20mA DCY2、Y3 輸出1 5V

39、 DC，與控制室其它儀表聯(lián)絡(luò)用故障報警輸出8251可編程通信接口，可與上位機作雙向串行通信，速率為15.625Kbit/s高速8位微處理器8085A，10MHz，可使儀表在0.2s的控制周期內(nèi)最多運行240步用戶程序,可根據(jù)需要，將控制周期加快到0.1s。系統(tǒng)ROM：1片27256EPROM，32K，存放系統(tǒng)管理程序及運算子程序。用戶ROM：1片 2716EPROM，2K，存放用戶程序。RAM：2片PD4464，低功耗CMOS存貯器，8K，存放現(xiàn)場設(shè)定數(shù)據(jù)及中間計算結(jié)果。儀表正面板：測量值、設(shè)定值、操作值顯示；自動/手動/串級切換開關(guān)；數(shù)據(jù)設(shè)定按鈕儀表側(cè)面板：8位16段筆畫顯示器，顯示各種運行

40、參數(shù) ；可通過鍵盤上16個調(diào)整健進行修改；并有編程器接口。 各部分電路的具體構(gòu)成及其功能簡述如下：（1） 主機電路主機電路 主機電路中的CPU采用8085AHC芯片,時鐘頻率為10MHz；系統(tǒng)ROM為64KB,用于存放監(jiān)控程序和各種功能模塊；用戶ROM為2KB,用于存放用戶程序;RAM為16KB。（2） 過程輸入過程輸入/輸出通道輸出通道 具有如下特點： 1）輸入通道中有5路模擬量輸入和6路開關(guān)量輸入。模擬量輸入由RC濾波器、多路開關(guān)、PC648D型高速12位D/A轉(zhuǎn)換器和比較器等組成，通過CPU反饋編碼，實現(xiàn)比較型模/數(shù)轉(zhuǎn)換。 2）輸出通道中有3路模擬量輸出和6路開關(guān)量輸出。模擬量輸出中有1

41、路輸出為420mA.DC直流電流，可驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行器；另兩路輸出為15V.DC直流電壓，提供給控制室的其它模擬儀表。 3）用一片PC648D型12位高速D/A芯片，將CPU輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，在CPU的程序支持下，通過比較器將模擬量輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出；開關(guān)量輸入與開關(guān)量輸出共用同一通道，其選擇由使用者用程序確定；所有開關(guān)量輸入/輸出通道與內(nèi)部電路之間均用高頻變壓器隔離。 4）在過程輸入）在過程輸入/輸出通道中分別設(shè)計了輸出通道中分別設(shè)計了“故障故障/保持保持/軟手動軟手動”功能。功能。 模擬模擬輸入信號經(jīng)濾波后分為兩路，一路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進入輸入信號經(jīng)濾波后分為兩路，一路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進

42、入CPU;另一路則送往故障另一路則送往故障/PV開關(guān)。當(dāng)儀表工作不正常時，由開關(guān)。當(dāng)儀表工作不正常時，由CPU的自檢程序通過的自檢程序通過WDT電路發(fā)出故障報電路發(fā)出故障報警信號，并自動將警信號，并自動將“故障故障/PV”開關(guān)切換到故障位置，直接顯示被控量；與此開關(guān)切換到故障位置，直接顯示被控量；與此同時，故障輸出信號則將模擬量輸出中的輸出電流切換成保持狀態(tài)，以便進同時，故障輸出信號則將模擬量輸出中的輸出電流切換成保持狀態(tài)，以便進行軟手動操作。行軟手動操作。（3）人）人/機聯(lián)系部件機聯(lián)系部件 SLPC的人的人/機聯(lián)系部件的正面面板與模擬式調(diào)節(jié)器類似，機聯(lián)系部件的正面面板與模擬式調(diào)節(jié)器類似，其不

43、同之處是測量值與給定值顯示器有模擬動圈式和數(shù)字式兩種；此外，還其不同之處是測量值與給定值顯示器有模擬動圈式和數(shù)字式兩種；此外，還設(shè)置了給定值增設(shè)置了給定值增/減按鍵、串級減按鍵、串級/自動自動/軟手動切換軟手動切換/操作按鍵、故障顯示和報警操作按鍵、故障顯示和報警顯示燈等。它的側(cè)面面板設(shè)置有觸模式鍵盤和數(shù)字顯示器、正顯示燈等。它的側(cè)面面板設(shè)置有觸模式鍵盤和數(shù)字顯示器、正/反作用開關(guān)以反作用開關(guān)以及編程器和寫入程序的芯片插座等，可以很方便地進行數(shù)據(jù)修改、參數(shù)整定及編程器和寫入程序的芯片插座等，可以很方便地進行數(shù)據(jù)修改、參數(shù)整定等操作。等操作。（4）通信接口電路）通信接口電路 SLPC的通信接口電

44、路由的通信接口電路由8251型可編程通信接口芯片和光型可編程通信接口芯片和光電隔離電路組成。該電路采用半雙工、串行異步通信方式，一方面將發(fā)送信電隔離電路組成。該電路采用半雙工、串行異步通信方式，一方面將發(fā)送信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信格式的數(shù)字信號，另一方面則將外部通信信號轉(zhuǎn)換成號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信格式的數(shù)字信號，另一方面則將外部通信信號轉(zhuǎn)換成CPU能接受的數(shù)據(jù)能接受的數(shù)據(jù). 為便于用戶編程，為便于用戶編程，SLPC為用戶提供的是采用為用戶提供的是采用面向問題、面向過程的面向問題、面向過程的“自然語言自然語言”編程平臺。生編程平臺。生產(chǎn)商預(yù)先將常用的運算控制功能編制成標(biāo)準(zhǔn)程序模產(chǎn)商預(yù)先將常用的運算控制功能編

45、制成標(biāo)準(zhǔn)程序模塊塊 ，以指令命名。使用時將所需運算模塊和控制模，以指令命名。使用時將所需運算模塊和控制模塊塊“組態(tài)組態(tài)”，實現(xiàn)控制功能。，實現(xiàn)控制功能。SLPC的用戶基本指令共的用戶基本指令共46種，分三類：種，分三類：數(shù)據(jù)傳輸類指令兩種：數(shù)據(jù)傳輸類指令兩種：LD，ST結(jié)束指令：結(jié)束指令：END功能指令：功能指令：43種種2. SLPC可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件 1) 基本運算模塊基本運算模塊 11個個 有有運算；運算；、 E運算（小信號切除點運算（小信號切除點固定的開方、小信號切除點可變的開方）；取絕對固定的開方、小信號切除點可變的開方）；取絕對值運算；高選、低選；高、低限幅。值運算；高選、低選；高、低限幅。2) 函數(shù)運算模塊函數(shù)運算模塊 13個個折線函數(shù)、一階慣性、微分運算、純滯后運算、折線函數(shù)、一階慣性、微分運算、純滯后運算、變化率運算、變化率限幅、移動平均運算、狀態(tài)變變化率運算、變化率限幅、移動平均運算、狀態(tài)變化監(jiān)測、計時、程序設(shè)定、脈沖計數(shù)、積算脈沖輸化監(jiān)測、計時、程序設(shè)定、脈沖計數(shù)、積算脈沖輸出。出。3) 條件判斷運算模塊條件判斷運算模塊 14個個上下限報警、邏輯運算、