第四章-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略課件

1、第四章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略4.1 數(shù)字PID控制4.2 串級(jí)控制4.3 大林算法4.4 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法1第四章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略(1) 模擬系統(tǒng)的過程控制將被測(cè)參數(shù)由傳感器變成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入控制器，在控制器中與給定值進(jìn)行比較；然后將比較出的差值經(jīng)PID運(yùn)算后送到執(zhí)行器，改變控制量，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。(2) 數(shù)字控制器的調(diào)節(jié)過程首先將過程參數(shù)進(jìn)行采樣，通過模擬量輸入通道變成數(shù)字量；數(shù)字量通過計(jì)算按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理；運(yùn)算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，通過執(zhí)行器控制生產(chǎn)，達(dá)到給定值。2第四章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略(3) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)過程控制的優(yōu)點(diǎn)多回路控制節(jié)省設(shè)備費(fèi)用

2、；控制規(guī)律靈活多樣；系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高；改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。(4) 設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的方法用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)模擬控制器，在DDC系統(tǒng)中用數(shù)字方法對(duì)PID進(jìn)行數(shù)字模擬；用采樣控制理論進(jìn)行數(shù)字直接分析和設(shè)計(jì)；3常規(guī)儀表控制系統(tǒng)框圖4D(z) Ho(s) Gc(s)e*(t) u*(t)E(z) U(z) r (t)+ _R(z)G(z)c (t)C (z)給定值計(jì)算機(jī)輸出通道 D/A輸入通道 A/D廣義對(duì)象被控變量y輸入通道 A/D數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)利用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)模擬調(diào)節(jié)器，用數(shù)字方法對(duì)PID進(jìn)行模擬數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的連續(xù)部分?jǐn)?shù)字化，把整個(gè)系統(tǒng)看作離散系統(tǒng)，用離散化的方

3、法設(shè)計(jì)控制器5表 41 控制系統(tǒng)的研究方法分 類方 法系 數(shù)輸入量與輸出量之關(guān)系數(shù) 學(xué) 工 具使 用 函 數(shù)現(xiàn) 代 控 制 理 論連 續(xù) 系 統(tǒng)離 散 系 統(tǒng)微 分 方 程拉 氏 變 換傳 遞 函 數(shù)狀 態(tài) 方 程差 分 方 程Z 變 換脈沖傳遞函數(shù)離散時(shí)間狀態(tài)方程64.1 數(shù)字PID控制PID控制廣泛應(yīng)用的原因：技術(shù)成熟常規(guī)PID、各種PID控制變形；接受程度高操作人員熟悉；不需要求出數(shù)學(xué)模型；控制效果好。74.1.1模擬PID控制器 1、比例控制器（P） 只要偏差e(t)一出現(xiàn)，就能及時(shí)的產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)，改善動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)點(diǎn)，它是一種最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律 。 對(duì)于大多數(shù)慣

4、性環(huán)節(jié)，KP太大時(shí)會(huì)引起自激震蕩。 主要缺點(diǎn)是存在靜差。對(duì)于擾動(dòng)較大、慣性也較大的系統(tǒng)，若采用單純的比例調(diào)節(jié)器，就難于兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性 。 8 控制作用u 系統(tǒng)實(shí)際輸出y9對(duì)于大多數(shù)慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時(shí)會(huì)引起自激震蕩。 102、比例積分控制器（PI） 所謂積分作用，是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差的積分成比例的作用。 優(yōu)點(diǎn)：消除靜差。只要有偏差存在，輸出就會(huì)隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)，直到偏差消除，調(diào)節(jié)器的輸出才不會(huì)變化。 缺點(diǎn)：作用動(dòng)作緩慢，且在偏差剛一出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)器作用很弱，不能及時(shí)克服擾動(dòng)的影響，致使被調(diào)參數(shù)的動(dòng)態(tài)偏差增大，調(diào)節(jié)過程增長(zhǎng)，因此很少單獨(dú)使用。 1112如果把比例和積分兩種作用合起來，就構(gòu)成

5、PI調(diào)節(jié)器： 既克服了單純比例調(diào)節(jié)器有靜差存在的缺點(diǎn)，又避免了積分調(diào)節(jié)器響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，即靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均得到了改善，所以應(yīng)用比較廣泛。 13143、比例微分控制器（PD） 微分作用，在偏差剛剛出現(xiàn)偏差值尚不大時(shí)，根據(jù)偏差變化的趨勢(shì)，提前給出較大的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快消除。由于調(diào)節(jié)及時(shí)，可以大大減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差及調(diào)節(jié)時(shí)間，使過程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)得到改善。 特點(diǎn)：輸出只能反應(yīng)偏差輸入變化的速度，而對(duì)于一個(gè)固定不變的偏差則不會(huì)有微分作用輸出。因此，微分作用不能消除靜差，而只能在偏差剛剛出現(xiàn)的時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)很大的調(diào)節(jié)作用。 15比例積分微分控制器（PID） 調(diào)節(jié)過程首先是比例和微分作用，加強(qiáng)調(diào)節(jié)作用； 然后

6、再進(jìn)行積分作用，直到消除靜差。PID控制優(yōu)點(diǎn)改善靜態(tài)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)；16PD調(diào)節(jié)器 PID調(diào)節(jié)器 說明：并非所有工業(yè)控制系統(tǒng)都需要使用PID調(diào)節(jié)器，PI、PD調(diào)節(jié)器也常常被人們所采用，因?yàn)樗鼈儽容^簡(jiǎn)單。究竟使用哪種調(diào)節(jié)器，應(yīng)根據(jù)具體情況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選定。 17184.1.2 數(shù)字PID控制器控制算法將其離散化，用數(shù)字形式的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程 1、PID算法的數(shù)字化(1) PID算法的模擬表達(dá)式：19(2) 離散PID算法(3) 位置型PID算法20(4) 增量式PID算法21增量控制優(yōu)點(diǎn)： 增量控制誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉；手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較??；不產(chǎn)生

7、積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)效果。增量控制缺點(diǎn)： 積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差； 溢出的影響大。222、PID算法程序設(shè)計(jì) (1) 位置型PID算法的程序設(shè)計(jì) 根據(jù)式（4-14）編寫的位置型PID程序積分系數(shù) 微分系數(shù) 23將小數(shù)或混合小數(shù)化為整數(shù)由于用匯編語(yǔ)言進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算非常麻煩，運(yùn)算前通過乘以2N將其化為整數(shù)，然后把運(yùn)算結(jié)果再乘以2-N，即可恢復(fù)到原來的數(shù)值；KP，KI，KD可采用同一比例因子折算。 采用16位有符號(hào)指令運(yùn)算 計(jì)算U(k)時(shí)采用32位加法，這樣可以提高計(jì)算精度； 定義A/D采樣值單元為16位，不會(huì)造成計(jì)算溢出。24DATA SEGMENT UR EQU0050H；設(shè)定值=

8、0050H=80 KP EQU 0380H；KP=3.5*28=896=0380HKI EQU 0040H；KI=0.25*28=64=0040H KD EQU 0000H；KD=0 SAMPDW ? ；定義A/D采樣值E0 DW 0 ；定義E (k)E1 DW 0；定義E(k-1)UPK DW 2 DUP(0)；定義UP (k)UIK1 DW 2 DUP(0)；定義UI(k-1）UK DW 2 DUP(0)；定義U(k)DATA ENDS25CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATASTARTPROCMOV AX,DATAMOV DS,AXPID：MOV AX,U

9、R；取設(shè)定值MOV BX,SAMP；取采樣值SUB AX,BX；計(jì)算E (k)MOV E0,AXMOV BX,KP；計(jì)算UP(k)=KP*E(k)IMUL BXMOV UPK,AX；存UP(k)MOV DS:UPK+2,DXMOV AX,E0；計(jì)算KI*E(k)MOV BX,KIIMUL BXADD UIK1,AX；計(jì)算UI(k)= UI(k-1)+ KI*E(k)ADC DS:UIK1+2,DX26MOV AX,E0；計(jì)算UD(k)=KD(E(k)- E(k-1)MOV BX,E1SUB AX,BXMOV BX,KDIMUL BXADD AX,UIK1；計(jì)算UD(k)+ UI(k)ADC D

10、X,DS:UIK1+2ADD AX,UPK；計(jì)算UD(k)+ UI(k)+ UP(k)ADC DX,DS:UPK+2MOV UK,AX；存U(k)MOV DS:UK+2,DXMOV AX,E0；E(k-1)=E(k)MOV E1,AXRETCODEENDSEND START27MUL r8/m8；無符號(hào)字節(jié)乘法；AXALr8/m8MUL r16/m16；無符號(hào)字乘法；DX：AXAXr16/m16IMUL r8/m8；有符號(hào)字節(jié)乘法；AXALr8/m8IMUL r16/m16；有符號(hào)字乘法；DX：AXAXr16/m1628乘法指令的功能乘法指令分無符號(hào)和有符號(hào)乘法指令乘法指令的源操作數(shù)顯式給出，

11、隱含使用另一個(gè)操作數(shù)AX和DX字節(jié)量相乘：AL與r8/m8相乘，得到16位的結(jié)果，存入AX字量相乘：AX與r16/m16相乘，得到32位的結(jié)果，其高字存入DX，低字存入AX乘法指令利用OF和CF判斷乘積的高一半是否具有有效數(shù)值29乘法指令對(duì)標(biāo)志的影響乘法指令如下影響OF和CF標(biāo)志：MUL指令若乘積的高一半（AH或DX）為0，則OF=CF=0；否則OF=CF=1IMUL指令若乘積的高一半是低一半的符號(hào)擴(kuò)展，則OF=CF=0；否則均為1乘法指令對(duì)其他狀態(tài)標(biāo)志沒有定義 對(duì)標(biāo)志沒有定義：指令執(zhí)行后這些標(biāo)志是任意的、不可預(yù)測(cè)（就是誰也不知道是0還是1） 對(duì)標(biāo)志沒有影響：指令執(zhí)行不改變標(biāo)志狀態(tài)30mov

12、al,0b4h；al=b4h=180mov bl,11h；bl=11h=17mul bl；ax=Obf4h=3060；OF=CF=1，AX高8位不為0mov al,0b4h；al=b4h=76mov bl,11h；bl=11h=17imul bl；ax=faf4h=1292；OF=CF=1，AX高8位含有效數(shù)字31DIV r8/m8；無符號(hào)字節(jié)除法：ALAXr8/m8的商，AhAXr8/m8的余數(shù)DIV r16/m16；無符號(hào)字除法：；AXDX：AXr16/m16的商，DXDX：AXr16/m16的余數(shù)IDIV r8/m8；有符號(hào)字節(jié)除法：ALAXr8/m8的商，AhAXr8/m8的余數(shù)IDI

13、V r16/m16；有符號(hào)字除法：；AXDX：AXr16/m16的商，DXDX：AXr16/m16的余數(shù)32除法指令的功能除法指令分無符號(hào)和有符號(hào)除法指令除法指令的除數(shù)顯式給出，隱含使用另一個(gè)操作數(shù)AX和DX作為被除數(shù)字節(jié)量除法：AX除以r8/m8，8位商存入AL，8位余數(shù)存入AH字量除法：DX.AX除以r16/m16，16位商存入AX，16位余數(shù)存入DX除法指令對(duì)標(biāo)志沒有定義除法指令會(huì)產(chǎn)生結(jié)果溢出33除法錯(cuò)中斷當(dāng)被除數(shù)遠(yuǎn)大于除數(shù)時(shí)，所得的商就有可能超出它所能表達(dá)的范圍。如果存放商的寄存器AL/AX不能表達(dá)，便產(chǎn)生溢出，8086CPU中就產(chǎn)生編號(hào)為0的內(nèi)部中斷除法錯(cuò)中斷。對(duì)DIV指令，除數(shù)為0

14、，或者在字節(jié)除時(shí)商超過8位，或者在字除時(shí)商超過16位，則發(fā)生除法溢出；對(duì)IDIV指令，除數(shù)為0，或者在字節(jié)除時(shí)商不在-128127范圍內(nèi)，或者在字除時(shí)商不在-3276832767范圍內(nèi)，則發(fā)生除法溢出。34mov ax,0400h；ax=400h=1024mov bl,0b4h；bl=b4h=180div bl；商al05h5；余數(shù)ah7ch124mov ax,0400h；ax=400h=1024mov bl,0b4h；bl=b4h=76idiv bl；商alf3h13；余數(shù)ah24h3635(2) 增量型PID算法的程序設(shè)計(jì)第k次采樣增量型PID表達(dá)式：優(yōu)點(diǎn)：限制 ，防止控制增量過大，對(duì)系統(tǒng)

15、穩(wěn)定有利。364.1.3 數(shù)字PID控制器算法的改進(jìn)數(shù)字PID算法相對(duì)與模擬PID控制器的不足 模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行的控制是連續(xù)的，控制作用每時(shí)每刻都在進(jìn)行； 而數(shù)字控制器在保持器作用下，控制量在一個(gè)采樣周期內(nèi)是不變化的。 由于計(jì)算機(jī)的數(shù)值運(yùn)算和輸入/輸出需要一定的時(shí)間，控制作用在時(shí)間 上有延滯。 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算字長(zhǎng)有限和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率及精度而使控制有 誤差。371、積分飽和及其防止方法 (1) 積分飽和的原因及影響 原因由于執(zhí)行器的限制和積分項(xiàng)的存在，引起了PID算法的飽和；影響增加了超調(diào)量和系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間。 積分飽和的抑制積分分離法當(dāng)誤差較大時(shí)，取消積分作用； 當(dāng)被調(diào)量接近設(shè)定值時(shí)，

16、再加入積分作用，以減小靜差即：e 使用PD數(shù)字控制器,取消積分作用，克服積分飽和； e 使用PID數(shù)字控制器, 加入積分作用，以減小靜差；其中： 為積分界限；38 積分分離優(yōu)點(diǎn)控制量不易進(jìn)入飽和區(qū)，即使進(jìn)入了飽和區(qū)也能較 快退出，使系統(tǒng)輸出特性比單獨(dú)PID控制得到改善。 的選取通過實(shí)驗(yàn)整定；39 遇限制削弱積分法 原理當(dāng)控制量進(jìn)入飽和區(qū)后， 只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的累加，而不進(jìn)行 增加積分項(xiàng)的累加，以減小系統(tǒng)處于 飽和區(qū)的時(shí)間。 先判斷u(k-1)是否超過umax或umin， 若已超過umax則只累計(jì)負(fù)偏差，若 小于umin則只累計(jì)正偏差。 優(yōu)點(diǎn)減小系統(tǒng)處于飽和區(qū)的時(shí)間； 402、數(shù)字PID控制微分

17、作用的改進(jìn) (1) 數(shù)字PID控制微分作用的缺點(diǎn) 對(duì)于單位階躍輸入，標(biāo)準(zhǔn)PID數(shù)字控制器的微分作用僅在第一個(gè)采樣周期存在，以后就無作用。 偏差e(k) 突然變大時(shí)，U(k)在E(k)產(chǎn)生的那一個(gè)采樣周期內(nèi)，輸出數(shù)值很大，可能使執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生飽和。對(duì)階躍輸入特別敏感。 41(2) 微分先行PID控制 結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)PID數(shù)字控制器算式中，加入一個(gè)慣性環(huán)節(jié)可構(gòu)成微 分先行PID數(shù)字控制器。優(yōu)點(diǎn)不僅以平滑微分產(chǎn)生的瞬時(shí)脈動(dòng)，減小干擾的影響，而且能 加強(qiáng)微分對(duì)全控制過程的影響。 42(3) 不完全微分PID控制 結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)PID算法的微分環(huán)節(jié)上直接加上一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)；優(yōu)點(diǎn)使得偏差發(fā)生突變時(shí)，微分作用比較平

18、緩； 其中：Kd微分增益，3Kd B 時(shí)，采用PID算法決定控制量的輸出；e B 時(shí)，設(shè)置一個(gè)固定的控制量(可以為0)；可調(diào)參數(shù)BB過大調(diào)節(jié)動(dòng)作過于頻繁，達(dá)不到穩(wěn)定控制過程的目的；B過小產(chǎn)生很大的誤差和滯后。44(2) 砰砰PID復(fù)合控制 砰砰（Bang-Bang）控制時(shí)間最優(yōu)控制、快速控制輸出狀態(tài)開、關(guān)；磅磅控制的優(yōu)點(diǎn)控制速度快；磅磅控制的缺點(diǎn)若系統(tǒng)特性發(fā)生變化時(shí)，控制將發(fā)生失誤，從而 產(chǎn)生大誤差，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。e Q 時(shí) 采用砰砰控制，加快響應(yīng)速度?？烧{(diào)參數(shù)Q過大砰砰控制范圍大，過渡過程時(shí)間短，超調(diào)量較大；可調(diào)參數(shù)Q過小砰砰控制范圍小，過渡過程時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量較??；砰砰PID復(fù)合控制 454

19、.1.4 數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定1、 采樣周期T的確定香農(nóng)（shannon）采樣定理當(dāng)系統(tǒng)的采樣頻率fs2fmax，可真實(shí) 地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號(hào)； (2) 此采樣頻率fs越高，失真越?。?3) 影響采樣周期T的主要因素加到被控對(duì)象的擾動(dòng)頻率擾動(dòng)頻率越高，則采樣頻率也越高；對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性采樣周期T=對(duì)象純滯后時(shí)間或選為T=n；數(shù)字控制器D(z)所使用的算法及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型若控制算法較復(fù)雜，則應(yīng)選擇較長(zhǎng)的采樣周期以保證計(jì)算時(shí)間；快速執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)選擇較短的采樣周期；慢速執(zhí)行機(jī)構(gòu)則反之。 46控制回路數(shù)回路數(shù)越多，則采樣周期越長(zhǎng)；對(duì)象所要求的控制質(zhì)量通常，控制精度要求越高，采樣周期越短(4) 采樣

20、周期T的選擇方法計(jì)算法比較復(fù)雜，工程上用的比較少；經(jīng)驗(yàn)法先選擇一個(gè)采樣周期T，然后送入微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，根 據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際控制效果，再反復(fù)改變采樣周期，直到滿 意為止。 被控量采樣周期（s）備 注流量15優(yōu)選12s壓力310優(yōu)選35s液位68優(yōu)選7s溫度1520取純滯后時(shí)間常數(shù)成分1520優(yōu)選18s472、擴(kuò)充臨界比例度法 整定步驟：(1) 選擇一個(gè)足夠短的采樣周期Tmin;(2) 求出臨界比例度u和臨界振蕩周期Tu;(3) 選擇控制度(4) 根據(jù)控制度，查表4-3即可求出T、KP、TI和TD的值。 48控制度控制規(guī)律TKpTiTd1.05PI PID0.03 Tu 0.014 Tu0.

21、53 u0.63 u0.88 Tu0.49 Tu0.14 Tu1.2PI PID0.05 Tu 0.043 Tu0.49 u0.47 u0.91 Tu0.47 Tu0.16 Tu1.5PI PID0.14 Tu 0.09 Tu 0.42 u0.34 u0.99 Tu0.43 Tu0.20 Tu2.0PI PID0.22 Tu 0.16 Tu0.36 u0.27 u1.05 Tu0.40 Tu0.22 Tu模擬調(diào)節(jié)器PI PID0.57 u0.70 u0.83 Tu0.50 Tu0.13 Tu臨界比例度PI PID0.45 u0.60 u0.83 Tu0.50 Tu0.125 Tu表4.3 擴(kuò)充

22、臨界比例度整定T,Kc,Ti,Td493、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 整定步驟：斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下工作。當(dāng)系統(tǒng)在給定值處平衡后，給一階躍輸入，圖4-14(a)；(2) 記錄被調(diào)參數(shù)在階躍作用下的變化過程曲線(即飛升特性曲線)，圖4-14(b)；(3) 在曲線最大斜率處做切線，求得被控對(duì)象滯后時(shí)間，慣性時(shí)間常數(shù)及/；(4) 根據(jù)所求得的，和/的值，查表4-4即可求得控制器的各參數(shù)。50控制度控制規(guī)律TKpTiTd1.05PI PID0.10.05 0.84/1.15/ 3.42.0 0.45 1.2PI PID0.2 0.16 0.78/1.0/3.61.90.55 1.5PI PID0.5

23、0.340.68/0.85/3.91.62 0.65 2.0PI PID0.80.6 0.57/0.6/ 4.21.50.82 模擬調(diào)節(jié)器PI PID0.9/1.2/ 3.32.00.4 臨界比例度PI PID0.9/1.2/ 3.32.00.5 表4.4 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定T和Kp、Ti、Td514、大滯后系統(tǒng)的參數(shù)整定 (1) 被控對(duì)象為一階滯后系統(tǒng)，即其中：K=y/u為相對(duì)增益；為慣性時(shí)間常數(shù)；為純滯后時(shí)間。(2) 計(jì)算公式52例：已知某一階滯后被控對(duì)象的參數(shù)為K=1.47，=750秒，=50秒。1、按擴(kuò)充響應(yīng)曲線法求得當(dāng)控制度=1.05時(shí)，PID控制器參數(shù)為：T=2.5，KP=17.2

24、5，TI=100，TD=22.5。2、按D. M. Bain方法，當(dāng)T=5秒時(shí)，按最小IAE 指標(biāo)選擇PID控制器參數(shù)為：KP=3.1，TI=771。53仿真結(jié)果PID控制器參數(shù)為：T=2.5，KP=17.25，TI=100，TD=22.5。54最小IAE 指標(biāo)選擇PID控制器參數(shù)為：KP=3.1，TI=771。55試湊法 湊試法是通過模擬或?qū)嶋H的閉環(huán)運(yùn)行情況、觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制器中的三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)。 (1)增大比例系數(shù)KP 加快系統(tǒng)響應(yīng)，在有穩(wěn)態(tài)誤差的情況下有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有

25、較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞；(2)增大積分時(shí)間TI 有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但減慢系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差過程；56(3)增大微分時(shí)間TD 加快系統(tǒng)的響應(yīng)，減小振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)；另外，過大的微分系數(shù)也特使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞；參數(shù)的調(diào)整步驟先比例，后積分，再微分的整定步驟，即： 先整定比例部分：將比例系數(shù)KP由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)趨勢(shì)，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍之內(nèi)，同時(shí)響應(yīng)曲線已較令人滿意，那么只須用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。57 如果在比例

26、調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)一般先置一個(gè)較大的積分時(shí)間系數(shù)TI，同時(shí)將第一步整定得到的比例系數(shù)KP縮小一些（比如取原來的80%），然后減小積分時(shí)間系數(shù)使在保持系統(tǒng)較好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到消除。在此過程中，可以根據(jù)響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)反復(fù)地改變比例系數(shù)KP和積分時(shí)間系數(shù)TI從而實(shí)現(xiàn)滿意的控制過程和整定參數(shù)。 如果使用比例積分控制器消除了偏差，但動(dòng)態(tài)過程仍不盡滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID控制器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間系數(shù)TD為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大微分時(shí)間系數(shù)TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)KP和積分時(shí)間系數(shù)TI，逐步湊試，

27、以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。584.2 串級(jí)控制4.2.1 基本原理1、串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念串級(jí)控制系統(tǒng)中有兩個(gè)控制器(主控制器和副控制器)，主控制器的 輸出作為副控制器的給定值；(2) 雙回路控制系統(tǒng)副回路的組成副控制器+副對(duì)象；主回路的組成副回路+主對(duì)象+主控制器；(3) 串級(jí)控制目的保證主被控量穩(wěn)定；59(4) 相關(guān)名詞主控制量主導(dǎo)作用的被控制量y1；副控制量為穩(wěn)定主控制量或因某種需要引入的輔助變量y2；主對(duì)象由主被控制量表征其主要特征的生產(chǎn)設(shè)備；副對(duì)象 副 ；主控制器輸入為主被控制量與規(guī)定值的偏差e1， 輸出為副控制器的設(shè)定值u1；副控制器輸入為副被控制量與主控制器設(shè)定值的偏差e

28、2， 輸出直接操縱執(zhí)行器u2；主回路主對(duì)象、主檢測(cè)變送器、主控制器、外回路；副回路副對(duì)象、副檢測(cè)變送器、副控制器、執(zhí)行器；602、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理F1作用于主回路主控制器u1根據(jù)y1改變副控制器的設(shè)定值，副控制 器u2產(chǎn)生校正作用使y1穩(wěn)定，縮短調(diào)整時(shí)間；(2) F1、F2同時(shí)作用于主、副回路；主被控量與副被控量變化方向相同e2增大、y2變化較大、迅速克服干擾；主被控量與副被控量變化方向相反e2減小、y2變化較小、克服擾動(dòng)613、串級(jí)控制的優(yōu)點(diǎn)不僅能克服作用于副回路的干擾； 且能使作用于主回路的干擾加快調(diào)節(jié)過程；(1) 副回路先調(diào)、快調(diào)、粗調(diào)；(2) 主回路后調(diào)、慢調(diào)、細(xì)調(diào)；624.2.

29、2 設(shè)計(jì)舉例1、管式加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)(1) 問題提出將石油/重油溫度加熱到一定溫度1；(2) 影響原料油出口溫度1擾動(dòng)因素燃料油方面的擾動(dòng)F2；噴油用的過熱蒸汽壓力波動(dòng)F4；被加熱油料方面的擾動(dòng)F1；爐膛漏風(fēng)和大氣溫度方面的擾動(dòng)F3；(3) 串級(jí)控制系統(tǒng)主回路主被控制量1、主對(duì)象為加熱爐；副回路副被控量2(爐膛溫度)、副對(duì)象為爐膛檢測(cè)點(diǎn)至調(diào)節(jié)閥 之間的設(shè)備；633、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程二次擾動(dòng)包含于副回路的擾動(dòng)；一次擾動(dòng)作用于副回路之外的擾動(dòng)；(1) 擾動(dòng)進(jìn)入副回路擾動(dòng)小時(shí)副環(huán)可以完全克服此擾動(dòng)的影響；擾動(dòng)大時(shí)副環(huán)搶先控制，剩下少量的干擾由主、副環(huán)一起控制；(2) 擾動(dòng)進(jìn)入主回路原理擾

30、動(dòng)進(jìn)入主回路時(shí)，使主被控量波動(dòng)，由主主控器先起作用， 通過改變副控制器的設(shè)定值使其發(fā)出控制信號(hào)，改變調(diào)節(jié)閥 的開度，使主被控量盡快回到設(shè)定值；優(yōu)點(diǎn)副回路的存在，加速控制作用；64(3) 擾動(dòng)同時(shí)作用于主、副回路擾動(dòng)使主、副被控量同方向變化副控制器所接受的偏差為主、副被控量?jī)煞较蜃饔弥停钪递^大，此時(shí)副控制器的輸出以較大幅度改變調(diào)節(jié)閥開度，使主被控量盡快向設(shè)定值靠近；擾動(dòng)使主、副被控量反方向變化副控制器所接受的偏差為主、副被控量?jī)煞较蜃饔弥?，其值較小，此時(shí)調(diào)節(jié)閥開度只需較小變化，就可把主被控量調(diào)整回來；653、串級(jí)控制系統(tǒng)的特性分析(1) 克服二次擾動(dòng)的能力強(qiáng)副回路具有快速作用；串級(jí)控制系

31、統(tǒng)的方框圖Gc1(s)、Gc2(s)主、副控制器的傳函；Gp1(s)、Gp2(s)主、副對(duì)象的傳函；Gm1(s)、Gm2(s)主、副變送器的傳函；Gv(s)調(diào)節(jié)閥的傳函；Gf2(s)二次擾動(dòng)通道的傳函；66二次擾動(dòng)經(jīng)過擾動(dòng)通道Gf2(s)后單回路控制系統(tǒng)結(jié)論被控制量受二次擾動(dòng)的影響可減小至0.010.1。67(2) 改變對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率副回路等效對(duì)象設(shè)副回路各環(huán)節(jié)傳函令副回路的存在起到了改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的作用；68(3) 串級(jí)控制系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力單回路負(fù)荷變化大，控制系數(shù)超過工作范圍，控制質(zhì)量下降；串級(jí)系統(tǒng)負(fù)荷變化引起副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，較少影響 或不影響系統(tǒng)的控

32、制質(zhì)量；串級(jí)系統(tǒng)自適應(yīng)能力分析 系統(tǒng)的副回路能自動(dòng)地克服非線性因素的影響，保持或接近原有控制 質(zhì)量； 系統(tǒng)操作條件或負(fù)荷改變時(shí)，主控制器將改變其輸出值，副回路能快 速跟蹤并及時(shí)精確地控制操縱量，保持系統(tǒng)的控制品質(zhì)；69例：串級(jí)控制系統(tǒng)的控制效果估算結(jié)果：品質(zhì)指標(biāo)單回路控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)Kc1=3.7，Ti=38Kc1=3.7，Ti=12.8，Kc2=10衰減比0.750.75靜差00工作頻率0.0870.23二次擾動(dòng)下的最大動(dòng)態(tài)偏差0.240.011二次擾動(dòng)下的最大動(dòng)態(tài)偏差0.30.11704.3 大林算法準(zhǔn)備知識(shí)：(1) 當(dāng) 時(shí)，常規(guī)PID控制難以達(dá)到控制目標(biāo)； Z域最少拍設(shè)計(jì)方法，不能達(dá)

33、到最少拍的預(yù)期效果， 造成系統(tǒng)較大的超調(diào)和振蕩； 大林算法或補(bǔ)償控制可以取得好的控制效果；(2) 純滯后系統(tǒng)特點(diǎn)超調(diào)量為0或較小，允許較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間；(3) 純滯后系統(tǒng)傳函一階慣性環(huán)節(jié) 、二階慣性環(huán)節(jié)其中： 滯后時(shí)間， T1、T2時(shí)間常數(shù)，K放大系數(shù)714.3.1 大林算法的設(shè)計(jì)原理1、設(shè)計(jì)原理以大林算法設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)閉環(huán)傳 函相當(dāng)于一個(gè)帶有滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其滯后時(shí)間與 被控對(duì)象G0(s)滯后時(shí)間相同，即其中： 閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)；2、大林算法的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳函 數(shù)字控制器D(z)的脈沖傳函72(1) 帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的大林算法 73(2) 帶純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)

34、的大林算法 其中：744.3.2 振鈴現(xiàn)象及其消除1、振鈴現(xiàn)象的相關(guān)概念(1) 振鈴現(xiàn)象數(shù)字控制器的輸出u(kT)以接近0.5fs的頻率大幅度波動(dòng)；(2) 振鈴現(xiàn)象的危害對(duì)系統(tǒng)輸出幾乎無影響，會(huì)使執(zhí)行器頻繁地調(diào)整， 加速磨損；(3) 衡量振鈴現(xiàn)象強(qiáng)烈程度振鈴幅度RA；(4) 振鈴幅度RA數(shù)字控制器在單位階躍輸入作用下，第0次輸出幅度與 第一次輸出幅度之差，即RA=u(0)-u(T)；75(5) 振鈴現(xiàn)象的產(chǎn)生U(z)含Z平面內(nèi)左半平面接近z=-1的極點(diǎn)；距離z=-1越近，振鈴幅度RA越大；U(z)中單位圓內(nèi)右半平面的零點(diǎn)會(huì)加劇振鈴現(xiàn)象；U(z)中單位圓內(nèi)右半平面的極點(diǎn)會(huì)消弱振鈴現(xiàn)象；(6) 大

35、林算法消除振鈴現(xiàn)象的方法先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的極點(diǎn)的因子；令因子的z=1，可消除極點(diǎn)；762、例1：若數(shù)字控制器試求在單位階躍輸入作用下的振鈴幅度RA。 77例2：已知被控對(duì)象的傳函 ，采樣周期T=0.5s，所期望 的閉環(huán)傳函的時(shí)間常數(shù)為0.5s，試用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z)， 并分析是否產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，若有則消除。解: (1) 廣義被控對(duì)象的脈沖傳函G(z)78(2) 系統(tǒng)的閉環(huán)傳函(3) 判斷是否出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象存在振鈴現(xiàn)象79(4) 數(shù)字控制器D(z)804.4 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法4.4.1 連續(xù)對(duì)象的離散化方法4.4.2 數(shù)字控制器的離散設(shè)計(jì)方法4.4.3 最少拍控制81準(zhǔn)備知

36、識(shí)：(1) 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型已知的情況下，用控制理 論的方法設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器，使控制系統(tǒng)滿足一 定的性能指標(biāo)；(2) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成連續(xù)部分(保持器、控制對(duì)象)、離散部分；(3) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法離散設(shè)計(jì)方法將被控對(duì)象和保持器組成的連續(xù)部分離散化，直接應(yīng) 用離散控制理論進(jìn)行分析和綜合，設(shè)計(jì)出滿足控制指 標(biāo)的離散控制器，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)；連續(xù)設(shè)計(jì)方法忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器，在s域 中按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，求出連續(xù)控制器，然后 將連續(xù)控制器變換成離散控制器，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。824.4.1 連續(xù)對(duì)象的離散化方法1、沖激響應(yīng)不變法2、零階保持器法3、雙線性變

37、換法4、零極點(diǎn)匹配法831、沖激響應(yīng)不變法(1) 定義離散環(huán)節(jié)G(z)的單位沖激響應(yīng)h(kT)與連續(xù)環(huán)節(jié)G(s)的單位脈沖 響應(yīng)h(t)的采樣點(diǎn)的值相等；(2) 設(shè)計(jì)步驟計(jì)算單位脈沖響應(yīng) ；將h(t)按采樣周期T離散化求得離散序列h(kT)；離散傳函84例1：試離散化連續(xù)環(huán)節(jié) ，求 G(z)。解：例2：試離散化連續(xù)環(huán)節(jié) ，求 G(z)。解：85例3：試離散化連續(xù)環(huán)節(jié) ，求 G(z)。解：(3) 沖激響應(yīng)法實(shí)質(zhì)z變換法； 即s平面左半平面對(duì)應(yīng)z平面單位圓內(nèi)； 采樣周期的選擇滿足香農(nóng)采樣定理； 862、零階保持器法(1) 原理例：已知帶有零階保持器對(duì)象 ，求 G(z)。873、雙線性變換法(1) 原理例1： 雙線性變換求 G(z)。解：例2： 雙線性變換求 G(s)。解：88(4) 雙線性變換法的主要特點(diǎn)方法簡(jiǎn)單，容易計(jì)算，適用于G(s)或G(z)分子、分母已展成多項(xiàng)式情形；不改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性，無混疊效應(yīng)；當(dāng)采樣周期T足夠小時(shí)，有較高的變換精度。894、零極點(diǎn)匹配法(1) 原理 利用 關(guān)系將s平面的零、極點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)地映射到z平面的零、極點(diǎn)。(2) Kz 的選擇使