數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)

1、第三章第三章 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì) 數(shù)字控制器數(shù)字控制器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分。是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分。 數(shù)字控制器通常是利用計(jì)算機(jī)軟件編程，完成特定的控制算數(shù)字控制器通常是利用計(jì)算機(jī)軟件編程，完成特定的控制算法。法。 控制算法控制算法通常以差分方程、脈沖傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等形式通常以差分方程、脈沖傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等形式表示。表示。 采用不同的控制算法，可以實(shí)現(xiàn)不同的控制作用，得到不同采用不同的控制算法，可以實(shí)現(xiàn)不同的控制作用，得到不同的控制性能。因此，只要改變控制算法，并改變相應(yīng)的軟件編的控制性能。因此，只要改變控制算法，并改變相應(yīng)的軟件編程，就可以使計(jì)算機(jī)

2、控制系統(tǒng)完成不同的控制目的。這一點(diǎn)，程，就可以使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完成不同的控制目的。這一點(diǎn)，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。 本章介紹數(shù)字控制器的本章介紹數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法模擬化設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的控制算法。和相應(yīng)的控制算法。 模擬化設(shè)計(jì)方法：模擬化設(shè)計(jì)方法：基于模擬控制系統(tǒng)理論的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)基于模擬控制系統(tǒng)理論的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法。方法。3.1 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)技術(shù) 典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如下圖所示。這種系統(tǒng)中既有典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如下圖所示。這種系統(tǒng)中既有連續(xù)信號(hào)，又有離散信號(hào)，可以

3、稱為連續(xù)信號(hào)，又有離散信號(hào)，可以稱為混合系統(tǒng)混合系統(tǒng)。在這種系。在這種系統(tǒng)中連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)通過(guò)統(tǒng)中連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)通過(guò)ADC和和DAC實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中既有連續(xù)信號(hào)又有離散信號(hào)，是一計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中既有連續(xù)信號(hào)又有離散信號(hào)，是一個(gè)混合系統(tǒng)。個(gè)混合系統(tǒng)。 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法可以分為模擬化設(shè)計(jì)法和直接數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法可以分為模擬化設(shè)計(jì)法和直接數(shù)字設(shè)計(jì)法。數(shù)字設(shè)計(jì)法。 模擬化設(shè)計(jì)法模擬化設(shè)計(jì)法先將數(shù)字控制器看做是模擬控制器。采先將數(shù)字控制器看做是模擬控制器。采用連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，首先設(shè)計(jì)模擬控制系統(tǒng)的模擬控制用連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，首先設(shè)計(jì)模擬控制系統(tǒng)的模擬控制器，使

4、模擬控制系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)要求。然后，采用離散化器，使模擬控制系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)要求。然后，采用離散化的方法將設(shè)計(jì)好的模擬控制器離散化成數(shù)字控制器，最后構(gòu)的方法將設(shè)計(jì)好的模擬控制器離散化成數(shù)字控制器，最后構(gòu)成數(shù)字控制系統(tǒng)。成數(shù)字控制系統(tǒng)。 這種方法對(duì)習(xí)慣于模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人來(lái)說(shuō)比較容這種方法對(duì)習(xí)慣于模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人來(lái)說(shuō)比較容易理解和接受，但這種方法當(dāng)采樣周期較大時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際達(dá)易理解和接受，但這種方法當(dāng)采樣周期較大時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際達(dá)到的性能往往比預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)差。到的性能往往比預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)差。 直接數(shù)字設(shè)計(jì)法直接數(shù)字設(shè)計(jì)法則首先將系統(tǒng)中被控對(duì)象加上保持器一則首先將系統(tǒng)中被控對(duì)象加上保持器一起構(gòu)成

5、的廣義對(duì)象離散化，得到相應(yīng)的以脈沖傳遞函數(shù)、差起構(gòu)成的廣義對(duì)象離散化，得到相應(yīng)的以脈沖傳遞函數(shù)、差分方程或離散系統(tǒng)狀態(tài)方程表示的離散系統(tǒng)模型，然后利用分方程或離散系統(tǒng)狀態(tài)方程表示的離散系統(tǒng)模型，然后利用離散控制系統(tǒng)理論，直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。離散控制系統(tǒng)理論，直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。 由于直接設(shè)計(jì)法直接在離散系統(tǒng)的范疇內(nèi)進(jìn)行，避免了由于直接設(shè)計(jì)法直接在離散系統(tǒng)的范疇內(nèi)進(jìn)行，避免了由模擬控制器向數(shù)字控制器轉(zhuǎn)化，也繞過(guò)了采樣周期對(duì)系統(tǒng)由模擬控制器向數(shù)字控制器轉(zhuǎn)化，也繞過(guò)了采樣周期對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響的問(wèn)題，是目前采用較為廣泛的計(jì)算動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響的問(wèn)題，是目前采用較為廣泛的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方

6、法。機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。 本章先介紹數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)的基本方法，本章先介紹數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)的基本方法，下章再介紹直接數(shù)字設(shè)計(jì)法。下章再介紹直接數(shù)字設(shè)計(jì)法。數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)步驟：數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)步驟： 1 設(shè)計(jì)假想的模擬控制器設(shè)計(jì)假想的模擬控制器 按給定對(duì)象和要求的性能指標(biāo)，用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按給定對(duì)象和要求的性能指標(biāo)，用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出模擬控制器方法設(shè)計(jì)出模擬控制器D(s) D(s) 。 2 選擇合適的采樣周期選擇合適的采樣周期 將將D(s)D(s)離散化后得到的離散化后得到的D(z)D(z)的控制性能會(huì)和的控制性能會(huì)和D(s)D(s)不一不一樣，因?yàn)殡x散化過(guò)程必然會(huì)

7、帶來(lái)誤差，且這種誤差與采樣樣，因?yàn)殡x散化過(guò)程必然會(huì)帶來(lái)誤差，且這種誤差與采樣周期有關(guān)。為了在離散化時(shí)不至于造成太大的誤差，要求周期有關(guān)。為了在離散化時(shí)不至于造成太大的誤差，要求采樣周期盡可能短，即采取模擬化設(shè)計(jì)方法時(shí)采樣周期要采樣周期盡可能短，即采取模擬化設(shè)計(jì)方法時(shí)采樣周期要小。小。 3 將將D(s)離散化為離散化為D(z) 根據(jù)所選擇的采樣周期，用合適的離散化方法將根據(jù)所選擇的采樣周期，用合適的離散化方法將D(s)離離散化為散化為D(z) ?？梢赃x擇的離散化方法有雙線性變換法、后向。可以選擇的離散化方法有雙線性變換法、后向差分法、零極點(diǎn)配置法等。差分法、零極點(diǎn)配置法等。稍后即介紹這幾種方法。

8、4 通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否符合要求。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否符合要求。5 選擇合適的控制算法，編程實(shí)現(xiàn)控制功能。選擇合適的控制算法，編程實(shí)現(xiàn)控制功能。模擬控制器的離散化方法：模擬控制器的離散化方法： 1 后向差分法后向差分法 討論：討論： 為什么不用前向差分為什么不用前向差分？ 。 z和和s之間的關(guān)系為一一之間的關(guān)系為一一對(duì)應(yīng)的。對(duì)應(yīng)的。 s平面上的左半平面對(duì)應(yīng)平面上的左半平面對(duì)應(yīng)于于z平面上單位圓內(nèi)的一個(gè)小平面上單位圓內(nèi)的一個(gè)小圓，如右圖。圓，如右圖。后向差分法的主要特點(diǎn)：后向差分法的主要特點(diǎn)：1）變換計(jì)算簡(jiǎn)單，不要對(duì)）變換計(jì)算簡(jiǎn)單，不要對(duì)D(s)進(jìn)行進(jìn)行z變換；變換；2）D(

9、S)穩(wěn)定，穩(wěn)定，D(z)也穩(wěn)定；也穩(wěn)定；3） D(z) 不能保持和不能保持和D(S)一樣的頻率特性。一樣的頻率特性。2 雙線性變換法雙線性變換法 討論：討論： z和和s之間的關(guān)系為一一對(duì)應(yīng)的。之間的關(guān)系為一一對(duì)應(yīng)的。 s平面上的虛軸對(duì)應(yīng)于平面上的虛軸對(duì)應(yīng)于z平面上的單位圓。平面上的單位圓。 s平面上的左半平面對(duì)應(yīng)于平面上的左半平面對(duì)應(yīng)于z z平面上單位圓的內(nèi)部，如下圖。平面上單位圓的內(nèi)部，如下圖。 雙線性變換法的主要特點(diǎn)：雙線性變換法的主要特點(diǎn)：1）變換計(jì)算簡(jiǎn)單，不要對(duì)）變換計(jì)算簡(jiǎn)單，不要對(duì)D(z)進(jìn)行進(jìn)行z變換；變換；2）D(S)穩(wěn)定，穩(wěn)定，D(z)也穩(wěn)定；也穩(wěn)定；3）離散化精度高于差分變換

10、法；）離散化精度高于差分變換法；3） D(z) 不能保持和不能保持和D(S)一樣的頻率特性。一樣的頻率特性。3 零極點(diǎn)匹配法零極點(diǎn)匹配法 零極點(diǎn)配置法的主要特點(diǎn)：零極點(diǎn)配置法的主要特點(diǎn)：1）要求對(duì)）要求對(duì)D(S)進(jìn)行零極點(diǎn)分解，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜；進(jìn)行零極點(diǎn)分解，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜；2）D(S)穩(wěn)定，穩(wěn)定，D(z)也穩(wěn)定；也穩(wěn)定；3）當(dāng)）當(dāng)D(S) 分子階次比分母低時(shí)，分子階次比分母低時(shí)，在在D(z) 分子上匹配（分子上匹配（z+1）因子，）因子，可獲得雙線性變換的效果?？色@得雙線性變換的效果。 本章先介紹基于模擬設(shè)計(jì)法原理的數(shù)字本章先介紹基于模擬設(shè)計(jì)法原理的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法等模擬化設(shè)計(jì)方法。下章

11、調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法等模擬化設(shè)計(jì)方法。下章介紹采用直接數(shù)字設(shè)計(jì)法原理的最少拍控制系介紹采用直接數(shù)字設(shè)計(jì)法原理的最少拍控制系統(tǒng)等。統(tǒng)等。 3-2 3-2 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制算法控制算法 什么是數(shù)字什么是數(shù)字PIDPID控制？控制？ 根據(jù)偏差的比例（根據(jù)偏差的比例（P P）、積分（）、積分（I I）、微分（）、微分（D D）的線性）的線性組合進(jìn)行控制。組合進(jìn)行控制。 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制算法是連續(xù)控制算法是連續(xù)PIDPID控制的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)?？刂频挠?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。 連續(xù)連續(xù)PIDPID控制規(guī)律：控制規(guī)律： dtdeTedtTekPdip1K Kp p 比例增益比例增益 T Ti i 積分時(shí)間積分時(shí)間T T

12、d d 微分時(shí)間微分時(shí)間 P P PIDPID調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)e e 給定值與測(cè)量值之差給定值與測(cè)量值之差 dtdeTedtTekudip1 skkkiisTeedtdeeTedt10離散化方法：離散化方法：T Ts s采樣周期采樣周期 位置型數(shù)字位置型數(shù)字PIDPID控制算法：控制算法： )()(10kksdkiiiskpeeTTeTTekkuu(k)u(k)第第k k次采樣時(shí)的輸出；次采樣時(shí)的輸出；e ek k第第k k次采樣時(shí)的偏差次采樣時(shí)的偏差 上述控制量上述控制量u(k)對(duì)應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，故稱為位置式數(shù)對(duì)應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，故稱為位置式數(shù)字字PID控制算法。控制算

13、法。 如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有歷史位置保持功能，則需要的不是控制如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有歷史位置保持功能，則需要的不是控制量本身而是控制量的增量，此時(shí)可用增量式數(shù)字量本身而是控制量的增量，此時(shí)可用增量式數(shù)字PID控制算法。控制算法。 1 1、 PIDPID控制算法控制算法 增量型數(shù)字增量型數(shù)字PIDPID控制算法：控制算法： 第第(n-1)(n-1)次采樣有：次采樣有： 11211)() 1(kikksdiiskpeeTTeTTeKku兩次采樣計(jì)算機(jī)輸出的增量為：兩次采樣計(jì)算機(jī)輸出的增量為： )2()()1()()(211kkksdkiskkpeeeTTeTTeeKkukuku)2()(211 kkkDkIk

14、kpeeeKeKeeK K KI I積分系數(shù)積分系數(shù)ispITTKKK KD D微分系數(shù)微分系數(shù)sdpDTTKK )()(10kksdkiiiskpeeTTeTTekku第第n n次采樣有：次采樣有： 實(shí)用遞推算法實(shí)用遞推算法 ( (偏差系數(shù)控制算法偏差系數(shù)控制算法) ) 212)( kDkDpkDIpeKeKKeKKKku令三個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)為中間變量：令三個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)為中間變量：DIpKKKADpKKB2DKC 則有：則有：21)( kkkCeBeAeku將增量型將增量型PIDPID控制算法：控制算法：)2()()(211 kkkDkIkkpeeeKeKeeKku改寫(xiě)為：改寫(xiě)為：2 2數(shù)字?jǐn)?shù)字PI

15、D控制算法的改進(jìn)控制算法的改進(jìn) 對(duì)積分項(xiàng)的改進(jìn)：對(duì)積分項(xiàng)的改進(jìn)： 積分作用是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但過(guò)積分作用是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但過(guò)大的積分作用會(huì)惡化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。大的積分作用會(huì)惡化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。 在常規(guī)在常規(guī)PID控制中，當(dāng)系統(tǒng)有較大的擾動(dòng)或給定值大幅控制中，當(dāng)系統(tǒng)有較大的擾動(dòng)或給定值大幅度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。如果系統(tǒng)存在慣性或者滯度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。如果系統(tǒng)存在慣性或者滯后，則在積分項(xiàng)的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振后，則在積分項(xiàng)的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)。動(dòng)。 通過(guò)對(duì)積分項(xiàng)的改進(jìn)通過(guò)對(duì)積分項(xiàng)的改進(jìn)可解決常規(guī)可解決常規(guī)PID控制的較大

16、超調(diào)控制的較大超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)問(wèn)題。和長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)問(wèn)題。 積分分離積分分離PIDPID算法算法 AeAeKkkl01對(duì)增量型對(duì)增量型PIDPID算法：算法：)2()()(211 kkkDkIlkkpeeeKeKKeeKku)2()()(211 kkkDkIkkpeeeKeKeeKku改進(jìn)為：改進(jìn)為： 可采取積分分離的可采取積分分離的PID控制來(lái)解決常規(guī)控制來(lái)解決常規(guī)PID控制的較控制的較大超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)問(wèn)題。即在偏差較大時(shí)，取消積分項(xiàng)大超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)問(wèn)題。即在偏差較大時(shí)，取消積分項(xiàng)的作用；而偏差較小時(shí)，積分項(xiàng)投入。的作用；而偏差較小時(shí)，積分項(xiàng)投入。 設(shè)開(kāi)關(guān)函數(shù)：設(shè)開(kāi)關(guān)函數(shù)： 變速積分變速積分

17、PIDPID控制算法控制算法 抗飽和積分抗飽和積分PIDPID控制算法控制算法 在算法中加入低通濾波環(huán)節(jié)（慣性環(huán)節(jié)），構(gòu)成不完全在算法中加入低通濾波環(huán)節(jié)（慣性環(huán)節(jié)），構(gòu)成不完全微分微分PID控制算法，可使系統(tǒng)性能得到改善?？刂扑惴?，可使系統(tǒng)性能得到改善。 低通濾波環(huán)節(jié)可以加到微分環(huán)節(jié)上，也可以加到低通濾波環(huán)節(jié)可以加到微分環(huán)節(jié)上，也可以加到PID控制控制規(guī)律之后。如下圖。規(guī)律之后。如下圖。 對(duì)微分項(xiàng)的改進(jìn)：對(duì)微分項(xiàng)的改進(jìn)： 不完全微分的不完全微分的PID算法算法 微分的引入可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但也加劇了高頻微分的引入可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但也加劇了高頻干擾的作用。干擾的作用。 對(duì)于低通濾波

18、環(huán)節(jié)加到微分環(huán)節(jié)上的數(shù)字對(duì)于低通濾波環(huán)節(jié)加到微分環(huán)節(jié)上的數(shù)字PID控制控制，控制，控制器的傳遞函數(shù)為器的傳遞函數(shù)為 ： sTsTsTKsEsUfdip111)()()()()(sUsUsUdpi )(11)(sEsTKsUippi )(1)(sEsTsTKsUfdpd 不完全微分不完全微分PID控制的比例部分、積分部分與完全微分控制的比例部分、積分部分與完全微分PID控制的相同，而微分部分不同?？刂频南嗤?，而微分部分不同。 對(duì)于低通濾波環(huán)節(jié)加到對(duì)于低通濾波環(huán)節(jié)加到PID控制規(guī)律之后的數(shù)字控制規(guī)律之后的數(shù)字PID控制控制，低通濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為低通濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 ： 11)( )()(s

19、TsUsUsDff11)( )()(sTsUsUsDff 不完全微分不完全微分PID控制與完全微分控制與完全微分PID控制的比較，如下圖。控制的比較，如下圖。 完全微分完全微分PID控制的微分部分僅在第一個(gè)周期內(nèi)有較大的輸控制的微分部分僅在第一個(gè)周期內(nèi)有較大的輸出，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生很大沖擊，且易引入高頻干擾。出，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生很大沖擊，且易引入高頻干擾。 不完全微分不完全微分PID控制的微分部分產(chǎn)生的輸出能持續(xù)幾個(gè)采樣控制的微分部分產(chǎn)生的輸出能持續(xù)幾個(gè)采樣周期，且在第一個(gè)周期內(nèi)也沒(méi)有完全微分周期，且在第一個(gè)周期內(nèi)也沒(méi)有完全微分PID控制的微分部分的控制的微分部分的輸出那么大。輸出那么大。 被控量

20、微分被控量微分PID控制算法（微分先行控制算法（微分先行PID控制算法）：控制算法）： 帶有死區(qū)的帶有死區(qū)的PIDPID算法算法: : 消除隨機(jī)干擾的措施消除隨機(jī)干擾的措施: : 對(duì)于不同的隨機(jī)干擾，可采取如下措施：對(duì)于不同的隨機(jī)干擾，可采取如下措施： 平均值法平均值法 在在 nT nT 時(shí)刻附近連續(xù)采樣時(shí)刻附近連續(xù)采樣8 8次，計(jì)算機(jī)求取平均值為：次，計(jì)算機(jī)求取平均值為：8)()()()(821nenenene 幾個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值求平均代替當(dāng)次的采樣值幾個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值求平均代替當(dāng)次的采樣值4)3()2() 1()()( nenenenene 四點(diǎn)中心差分法四點(diǎn)中心差分法 微分項(xiàng)：微分項(xiàng)

21、：1.5T0.5Te e(n-3) e e(n-1) e(n-2) e(n)t (nT) )2(3)1(3)3()(6145.1)3(5.0)2(5.0)1(5.1)()( neneneneTeTneeTneeTeneTeneTne消消) 1()(TnenTeTTsd 將矩形積分改為梯形積分將矩形積分改為梯形積分 niie0)( niieie02)1()(3 3 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制算法參數(shù)的整定控制算法參數(shù)的整定( (T T、K Kp p、T Ti i、T Td d) ) 采樣周期采樣周期T T的選擇的選擇 對(duì)于響應(yīng)快、波動(dòng)對(duì)于響應(yīng)快、波動(dòng)大、容易受干擾影響的大、容易受干擾影響的過(guò)程，應(yīng)

22、該選取較短的過(guò)程，應(yīng)該選取較短的采樣周期；反之，則長(zhǎng)采樣周期；反之，則長(zhǎng)一些。一些。 過(guò)程純滯后較明顯，過(guò)程純滯后較明顯，采樣周期可與純滯后時(shí)采樣周期可與純滯后時(shí)間大致相等。間大致相等。選取采樣周期時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)因素：選取采樣周期時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)因素： 采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)信號(hào)周期采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)信號(hào)周期 采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象時(shí)間常數(shù)采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象時(shí)間常數(shù) 考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度 考慮對(duì)象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)考慮對(duì)象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì) 考慮控制系統(tǒng)的性能價(jià)格比考慮控制系統(tǒng)的性能價(jià)格比 考慮計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的工作量考慮計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的工作量 試湊法確定試湊法確定PIDP

23、ID控制器的參數(shù)控制器的參數(shù) 簡(jiǎn)易工程法確定簡(jiǎn)易工程法確定PIDPID控制器的參數(shù)控制器的參數(shù) 歸一參數(shù)整定法歸一參數(shù)整定法4 PID程序的實(shí)現(xiàn)程序的實(shí)現(xiàn) 在編程的過(guò)程中，必須考慮的問(wèn)題：在編程的過(guò)程中，必須考慮的問(wèn)題： 操作特征的設(shè)置操作特征的設(shè)置 每個(gè)回路手動(dòng)每個(gè)回路手動(dòng)/自動(dòng)特征位自動(dòng)特征位 每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置正向每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置正向/反向特征位反向特征位 執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限保護(hù) 目的：防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)開(kāi)或過(guò)關(guān)。目的：防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)開(kāi)或過(guò)關(guān)。 方法：方法： 防止極限環(huán)防止極限環(huán) 解決方法：對(duì)計(jì)算機(jī)輸出規(guī)定一個(gè)不靈敏區(qū)解決方法：對(duì)計(jì)算機(jī)輸出規(guī)定一個(gè)不靈敏區(qū)，如果，如果 則計(jì)算機(jī)不輸出

24、。則計(jì)算機(jī)不輸出。 .)(,;)(,)(mmMMUkuUUkuUku )(ku3-3 3-3 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)例：加熱爐串級(jí)溫度控制系統(tǒng)例：加熱爐串級(jí)溫度控制系統(tǒng)油氣油氣空氣空氣PCTC加加熱熱爐爐溫度溫度壓力壓力單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、控制精度不高簡(jiǎn)單、控制精度不高串級(jí)控制系統(tǒng)（多回路控制系統(tǒng)）串級(jí)控制系統(tǒng)（多回路控制系統(tǒng)）復(fù)雜、控制性能好復(fù)雜、控制性能好 燃料油經(jīng)燃料油經(jīng)過(guò)蒸氣霧化過(guò)蒸氣霧化后在爐膛中后在爐膛中燃燒，被加燃燒，被加熱的介質(zhì)從熱的介質(zhì)從爐膛四周的爐膛四周的管道中流過(guò)。管道中流過(guò)。燃料油管道燃料油管道上裝有調(diào)節(jié)上裝有調(diào)節(jié)閥。閥。1 為什么要采取串級(jí)控制

25、？為什么要采取串級(jí)控制？ 對(duì)于復(fù)雜工業(yè)對(duì)象，如管式加熱爐：加熱某種介質(zhì)。對(duì)于復(fù)雜工業(yè)對(duì)象，如管式加熱爐：加熱某種介質(zhì)。 加熱爐工藝過(guò)程：燃料油經(jīng)過(guò)蒸氣霧化后在爐膛中燃燒，被加熱的加熱爐工藝過(guò)程：燃料油經(jīng)過(guò)蒸氣霧化后在爐膛中燃燒，被加熱的介質(zhì)從爐膛四周的管道中流過(guò)。燃料油管道上裝有調(diào)節(jié)閥。介質(zhì)從爐膛四周的管道中流過(guò)。燃料油管道上裝有調(diào)節(jié)閥。 工作過(guò)程分析：如果燃料油壓力恒定不變，閥位與燃料油流量成線工作過(guò)程分析：如果燃料油壓力恒定不變，閥位與燃料油流量成線性關(guān)系，可以采取單回路控制措施。如果燃料油壓力不是恒定不變，則性關(guān)系，可以采取單回路控制措施。如果燃料油壓力不是恒定不變，則單 回 路 控 制

26、 措 施 效 果 不 理 想 ， 應(yīng) 采 取 串 級(jí) 控 制 方 式 。單 回 路 控 制 措 施 效 果 不 理 想 ， 應(yīng) 采 取 串 級(jí) 控 制 方 式 。 2 串級(jí)控制方式的構(gòu)成串級(jí)控制方式的構(gòu)成 由兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制回路構(gòu)成，大多數(shù)情況下只有兩個(gè)控制由兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制回路構(gòu)成，大多數(shù)情況下只有兩個(gè)控制回路：內(nèi)回路、外回路?；芈罚簝?nèi)回路、外回路。 內(nèi)回路，也稱副回路：在控制過(guò)程中起粗調(diào)作用；內(nèi)回路，也稱副回路：在控制過(guò)程中起粗調(diào)作用； 外回路，也稱主回路：起細(xì)調(diào)作用。外回路，也稱主回路：起細(xì)調(diào)作用。 加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)框圖加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 F1被加熱介質(zhì)的流量和入口溫度；被

27、加熱介質(zhì)的流量和入口溫度；F2燃料油壓力和成份；燃料油壓力和成份；F3噴油用的過(guò)熱蒸氣壓力；噴油用的過(guò)熱蒸氣壓力； F4配風(fēng)、爐膛漏風(fēng)和大氣溫度等。配風(fēng)、爐膛漏風(fēng)和大氣溫度等。 一般串級(jí)控制系統(tǒng)框圖一般串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 3 3 串級(jí)控制系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn) 基本原則：從外向內(nèi)依次計(jì)算基本原則：從外向內(nèi)依次計(jì)算 4 副回路的確定副回路的確定 當(dāng)把副回路看作一個(gè)等效對(duì)象時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)就等效為一個(gè)單回路當(dāng)把副回路看作一個(gè)等效對(duì)象時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)就等效為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，因此主回路的設(shè)計(jì)可以按單回路控制系統(tǒng)的方法進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)，因此主回路的設(shè)計(jì)可以按單回路控制系統(tǒng)的方法進(jìn)行。 副回

28、路也是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，在確定了副回路以后，副回路的設(shè)副回路也是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，在確定了副回路以后，副回路的設(shè)計(jì)也可以按單回路控制系統(tǒng)的方法進(jìn)行。計(jì)也可以按單回路控制系統(tǒng)的方法進(jìn)行。 副回路副回路中 應(yīng) 包 含中 應(yīng) 包 含被 控 對(duì) 象被 控 對(duì) 象的 主 要 擾的 主 要 擾動(dòng)。動(dòng)。下面給出確定副回路的幾個(gè)基本原則：下面給出確定副回路的幾個(gè)基本原則： 盡量使副回路的時(shí)間常數(shù)?。簭?fù)雜工業(yè)過(guò)程往往具有大的慣性和純盡量使副回路的時(shí)間常數(shù)?。簭?fù)雜工業(yè)過(guò)程往往具有大的慣性和純滯后。確定副回路時(shí)如果能使其時(shí)間常數(shù)盡量小，則可減小等效對(duì)象的時(shí)滯后。確定副回路時(shí)如果能使其時(shí)間常數(shù)盡量小，則可減小等效

29、對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，提高系統(tǒng)快速性。間常數(shù)，提高系統(tǒng)快速性。5 調(diào)節(jié)器的選擇調(diào)節(jié)器的選擇 主副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同：主副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同： 副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器快速性，盡快消除擾動(dòng)；不要求無(wú)差?？蛇x用快速性，盡快消除擾動(dòng)；不要求無(wú)差?？蛇x用P、PD調(diào)調(diào)節(jié)器；若主、副回路工作頻率相差很大，也可考慮采取節(jié)器；若主、副回路工作頻率相差很大，也可考慮采取PI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器無(wú)差。常用無(wú)差。常用PI調(diào)節(jié)器；若副回路以外慣性環(huán)節(jié)較多或副調(diào)節(jié)器；若副回路以外慣性環(huán)節(jié)較多或副回路以外存在主要擾動(dòng)，可用回路以外存在主要擾動(dòng)，可用PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。6 控制參數(shù)的整定控制參數(shù)的整定 先內(nèi)后外的原則。先內(nèi)后

30、外的原則。 在主回路閉合的情況下，在主回路閉合的情況下，Kp1置置1；TI1置置；TD1置置0，然后按通常，然后按通常的的PID控制器參數(shù)整定方法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)?？刂破鲄?shù)整定方法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 把副回路當(dāng)作一個(gè)整體，用通常的方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。把副回路當(dāng)作一個(gè)整體，用通常的方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 3-4 3-4 前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 前饋控制系統(tǒng)：當(dāng)被測(cè)的干擾進(jìn)入控制對(duì)象時(shí)，前饋控制前饋控制系統(tǒng)：當(dāng)被測(cè)的干擾進(jìn)入控制對(duì)象時(shí)，前饋控制預(yù)先調(diào)整控制作用，使被控變量保持在給定值上。預(yù)先調(diào)整控制作用，使被控變量保持在給定值上。Ffff設(shè)設(shè) u u1 1=0=0，并設(shè)輸出的干擾為，并設(shè)輸出的干擾為0 0，則有，則有0)()()()()()()()()()()()(21 sGsDsGsFsGsDsFsGsFsysysyffff完全補(bǔ)償?shù)臈l件完全補(bǔ)償?shù)臈l件0)()()( sGsDsGff)()()(sGsGsDff Ffff若若sfsesTKsGesTKsG1211221)(,1)( 前饋控制器為前饋控制器為: :mTesTKsTKesTKsTKsGsGsDmTssff 211221)(1221,)1()1()1()1