第四章-計算機控制系統(tǒng)的控制策略課件

1、第四章 計算機控制系統(tǒng)的控制策略4.1 數(shù)字PID控制4.2 串級控制4.3 大林算法4.4 數(shù)字控制器設計方法1第四章 計算機控制系統(tǒng)的控制策略(1) 模擬系統(tǒng)的過程控制將被測參數(shù)由傳感器變成統(tǒng)一的標準信號送入控制器，在控制器中與給定值進行比較；然后將比較出的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行器，改變控制量，以達到自動調節(jié)的目的。(2) 數(shù)字控制器的調節(jié)過程首先將過程參數(shù)進行采樣，通過模擬量輸入通道變成數(shù)字量；數(shù)字量通過計算按一定控制算法進行運算處理；運算結果由模擬量輸出通道輸出，通過執(zhí)行器控制生產，達到給定值。2第四章 計算機控制系統(tǒng)的控制策略(3) 計算機實現(xiàn)過程控制的優(yōu)點多回路控制節(jié)省設備費用

2、；控制規(guī)律靈活多樣；系統(tǒng)維護簡單、可靠性高；改善調節(jié)品質。(4) 設計數(shù)字控制器的方法用經(jīng)典控制理論設計模擬控制器，在DDC系統(tǒng)中用數(shù)字方法對PID進行數(shù)字模擬；用采樣控制理論進行數(shù)字直接分析和設計；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)給定值計算機輸出通道 D/A輸入通道 A/D廣義對象被控變量y輸入通道 A/D數(shù)字控制器的模擬化設計利用經(jīng)典控制理論設計模擬調節(jié)器，用數(shù)字方法對PID進行模擬數(shù)字控制器的直接設計把計算機控制系統(tǒng)中的連續(xù)部分數(shù)字化，把整個系統(tǒng)看作離散系統(tǒng)，用離散化的方

3、法設計控制器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系數(shù) 學 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)離散時間狀態(tài)方程64.1 數(shù)字PID控制PID控制廣泛應用的原因：技術成熟常規(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)，就能及時的產生與之成比例的調節(jié)作用，具有調節(jié)及時，改善動態(tài)特性的優(yōu)點，它是一種最基本的調節(jié)規(guī)律 。 對于大多數(shù)慣

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

5、PI調節(jié)器： 既克服了單純比例調節(jié)器有靜差存在的缺點，又避免了積分調節(jié)器響應慢的缺點，即靜態(tài)和動態(tài)特性均得到了改善，所以應用比較廣泛。 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，根據(jù)偏差變化的趨勢，提前給出較大的調節(jié)作用，使偏差盡快消除。由于調節(jié)及時，可以大大減小系統(tǒng)的動態(tài)誤差及調節(jié)時間，使過程的動態(tài)品質得到改善。 特點：輸出只能反應偏差輸入變化的速度，而對于一個固定不變的偏差則不會有微分作用輸出。因此，微分作用不能消除靜差，而只能在偏差剛剛出現(xiàn)的時刻產生一個很大的調節(jié)作用。 15比例積分微分控制器（PID） 調節(jié)過程首先是比例和微分作用，加強調節(jié)作用； 然后

6、再進行積分作用，直到消除靜差。PID控制優(yōu)點改善靜態(tài)、動態(tài)調節(jié)品質；16PD調節(jié)器 PID調節(jié)器 說明：并非所有工業(yè)控制系統(tǒng)都需要使用PID調節(jié)器，PI、PD調節(jié)器也常常被人們所采用，因為它們比較簡單。究竟使用哪種調節(jié)器，應根據(jù)具體情況和現(xiàn)場實驗進行選定。 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： 增量控制誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉；手動/自動切換時沖擊比較?。徊划a生

7、積分失控，所以容易獲得較好的調節(jié)效果。增量控制缺點： 積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差； 溢出的影響大。222、PID算法程序設計 (1) 位置型PID算法的程序設計 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)由于用匯編語言進行浮點運算非常麻煩，運算前通過乘以2N將其化為整數(shù)，然后把運算結果再乘以2-N，即可恢復到原來的數(shù)值；KP，KI，KD可采用同一比例因子折算。 采用16位有符號指令運算 計算U(k)時采用32位加法，這樣可以提高計算精度； 定義A/D采樣值單元為16位，不會造成計算溢出。24DATA SEGMENT UR EQU0050H；設定值=

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

10、X,DS:UIK1+2ADD AX,UPK；計算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；無符號字節(jié)乘法；AXALr8/m8MUL r16/m16；無符號字乘法；DX：AXAXr16/m16IMUL r8/m8；有符號字節(jié)乘法；AXALr8/m8IMUL r16/m16；有符號字乘法；DX：AXAXr16/m1628乘法指令的功能乘法指令分無符號和有符號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位的結果，存入AX字量相乘：AX與r16/m16相乘，得到32位的結果，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乘法指令對標志的影響乘法指令如下影響OF和CF標志：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擴展，則OF=CF=0；否則均為1乘法指令對其他狀態(tài)標志沒有定義 對標志沒有定義：指令執(zhí)行后這些標志是任意的、不可預測（就是誰也不知道是0還是1） 對標志沒有影響：指令執(zhí)行不改變標志狀態(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；無符號字節(jié)除法：ALAXr8/m8的商，AhAXr8/m8的余數(shù)DIV r16/m16；無符號字除法：；AXDX：AXr16/m16的商，DXDX：AXr16/m16的余數(shù)IDIV r8/m8；有符號字節(jié)除法：ALAXr8/m8的商，AhAXr8/m8的余數(shù)IDI

13、V r16/m16；有符號字除法：；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和有符號除法指令除法指令的除數(shù)顯式給出，隱含使用另一個操作數(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除法指令對標志沒有定義除法指令會產生結果溢出33除法錯中斷當被除數(shù)遠大于除數(shù)時，所得的商就有可能超出它所能表達的范圍。如果存放商的寄存器AL/AX不能表達，便產生溢出，8086CPU中就產生編號為0的內部中斷除法錯中斷。對DIV指令，除數(shù)為0

14、，或者在字節(jié)除時商超過8位，或者在字除時商超過16位，則發(fā)生除法溢出；對IDIV指令，除數(shù)為0，或者在字節(jié)除時商不在-128127范圍內，或者在字除時商不在-3276832767范圍內，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算法的程序設計第k次采樣增量型PID表達式：優(yōu)點：限制 ，防止控制增量過大，對系統(tǒng)

15、穩(wěn)定有利。364.1.3 數(shù)字PID控制器算法的改進數(shù)字PID算法相對與模擬PID控制器的不足 模擬調節(jié)器進行的控制是連續(xù)的，控制作用每時每刻都在進行； 而數(shù)字控制器在保持器作用下，控制量在一個采樣周期內是不變化的。 由于計算機的數(shù)值運算和輸入/輸出需要一定的時間，控制作用在時間 上有延滯。 計算機的運算字長有限和A/D、D/A轉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的存在，引起了PID算法的飽和；影響增加了超調量和系統(tǒng)的調整時間。 積分飽和的抑制積分分離法當誤差較大時，取消積分作用； 當被調量接近設定值時，

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)點控制量不易進入飽和區(qū)，即使進入了飽和區(qū)也能較 快退出，使系統(tǒng)輸出特性比單獨PID控制得到改善。 的選取通過實驗整定；39 遇限制削弱積分法 原理當控制量進入飽和區(qū)后， 只執(zhí)行削弱積分項的累加，而不進行 增加積分項的累加，以減小系統(tǒng)處于 飽和區(qū)的時間。 先判斷u(k-1)是否超過umax或umin， 若已超過umax則只累計負偏差，若 小于umin則只累計正偏差。 優(yōu)點減小系統(tǒng)處于飽和區(qū)的時間； 402、數(shù)字PID控制微分

17、作用的改進 (1) 數(shù)字PID控制微分作用的缺點 對于單位階躍輸入，標準PID數(shù)字控制器的微分作用僅在第一個采樣周期存在，以后就無作用。 偏差e(k) 突然變大時，U(k)在E(k)產生的那一個采樣周期內，輸出數(shù)值很大，可能使執(zhí)行機構發(fā)生飽和。對階躍輸入特別敏感。 41(2) 微分先行PID控制 結構在標準PID數(shù)字控制器算式中，加入一個慣性環(huán)節(jié)可構成微 分先行PID數(shù)字控制器。優(yōu)點不僅以平滑微分產生的瞬時脈動，減小干擾的影響，而且能 加強微分對全控制過程的影響。 42(3) 不完全微分PID控制 結構在標準PID算法的微分環(huán)節(jié)上直接加上一個一階慣性環(huán)節(jié)；優(yōu)點使得偏差發(fā)生突變時，微分作用比較平

18、緩； 其中：Kd微分增益，3Kd B 時，采用PID算法決定控制量的輸出；e B 時，設置一個固定的控制量(可以為0)；可調參數(shù)BB過大調節(jié)動作過于頻繁，達不到穩(wěn)定控制過程的目的；B過小產生很大的誤差和滯后。44(2) 砰砰PID復合控制 砰砰（Bang-Bang）控制時間最優(yōu)控制、快速控制輸出狀態(tài)開、關；磅磅控制的優(yōu)點控制速度快；磅磅控制的缺點若系統(tǒng)特性發(fā)生變化時，控制將發(fā)生失誤，從而 產生大誤差，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。e Q 時 采用砰砰控制，加快響應速度?？烧{參數(shù)Q過大砰砰控制范圍大，過渡過程時間短，超調量較大；可調參數(shù)Q過小砰砰控制范圍小，過渡過程時間長，超調量較??；砰砰PID復合控制 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（shannon）采樣定理當系統(tǒng)的采樣頻率fs2fmax，可真實 地恢復到原來的連續(xù)信號； (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象的擾動頻率擾動頻率越高，則采樣頻率也越高；對象的動態(tài)特性采樣周期T=對象純滯后時間或選為T=n；數(shù)字控制器D(z)所使用的算法及執(zhí)行機構的類型若控制算法較復雜，則應選擇較長的采樣周期以保證計算時間；快速執(zhí)行機構應選擇較短的采樣周期；慢速執(zhí)行機構則反之。 46控制回路數(shù)回路數(shù)越多，則采樣周期越長；對象所要求的控制質量通常，控制精度要求越高，采樣周期越短(4) 采樣

20、周期T的選擇方法計算法比較復雜，工程上用的比較少；經(jīng)驗法先選擇一個采樣周期T，然后送入微機控制系統(tǒng)進行試驗，根 據(jù)被控對象的實際控制效果，再反復改變采樣周期，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取純滯后時間常數(shù)成分1520優(yōu)選18s472、擴充臨界比例度法 整定步驟：(1) 選擇一個足夠短的采樣周期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 擴充

22、臨界比例度整定T,Kc,Ti,Td493、擴充響應曲線法 整定步驟：斷開數(shù)字調節(jié)器，使系統(tǒng)在手動狀態(tài)下工作。當系統(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，求得被控對象滯后時間，慣性時間常數(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 擴充響應曲線法整定T和Kp、Ti、Td514、大滯后系統(tǒng)的參數(shù)整定 (1) 被控對象為一階滯后系統(tǒng)，即其中：K=y/u為相對增益；為慣性時間常數(shù)；為純滯后時間。(2) 計算公式52例：已知某一階滯后被控對象的參數(shù)為K=1.47，=750秒，=50秒。1、按擴充響應曲線法求得當控制度=1.05時，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T=5秒時，按最小IAE 指標選擇PID控制器參數(shù)為：KP=3.1，TI=771。53仿真結果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實際的閉環(huán)運行情況、觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各調節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應的大致影響，反復湊試參數(shù)，以達到滿意的響應，從而確定PID控制器中的三個調節(jié)參數(shù)。 (1)增大比例系數(shù)KP 加快系統(tǒng)響應，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)會使系統(tǒng)有

25、較大的超調，并產生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞；(2)增大積分時間TI 有利于減小超調，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)增大微分時間TD 加快系統(tǒng)的響應，減小振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對干擾的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應；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由小調大，并觀察相應的系統(tǒng)響應趨勢，直到得到反應快、超調小的響應曲線。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，同時響應曲線已較令人滿意，那么只須用比例調節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。57 如果在比例

26、調節(jié)的基礎上系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足設計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時一般先置一個較大的積分時間系數(shù)TI，同時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%），然后減小積分時間系數(shù)使在保持系統(tǒng)較好的動態(tài)性能指標的基礎上，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到消除。在此過程中，可以根據(jù)響應曲線的變化趨勢反復地改變比例系數(shù)KP和積分時間系數(shù)TI從而實現(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，但動態(tài)過程仍不盡滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構成PID控制器。在整定時，可先置微分時間系數(shù)TD為零，在第二步整定的基礎上，增大微分時間系數(shù)TD，同時相應地改變比例系數(shù)KP和積分時間系數(shù)TI，逐步湊試，

27、以獲得滿意的調節(jié)效果和控制參數(shù)。584.2 串級控制4.2.1 基本原理1、串級控制系統(tǒng)的基本概念串級控制系統(tǒng)中有兩個控制器(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+副對象；主回路的組成副回路+主對象+主控制器；(3) 串級控制目的保證主被控量穩(wěn)定；59(4) 相關名詞主控制量主導作用的被控制量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；主對象由主被控制量表征其主要特征的生產設備；副對象 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定值u1；副控制器輸入為副被控制量與主控制器設定值的偏差e

28、2， 輸出直接操縱執(zhí)行器u2；主回路主對象、主檢測變送器、主控制器、外回路；副回路副對象、副檢測變送器、副控制器、執(zhí)行器；602、串級控制系統(tǒng)的工作原理F1作用于主回路主控制器u1根據(jù)y1改變副控制器的設定值，副控制 器u2產生校正作用使y1穩(wěn)定，縮短調整時間；(2) F1、F2同時作用于主、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613、串級控制的優(yōu)點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節(jié)過程；(1) 副回路先調、快調、粗調；(2) 主回路后調、慢調、細調；624.2.

29、2 設計舉例1、管式加熱爐溫度串級控制系統(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擾動因素燃料油方面的擾動F2；噴油用的過熱蒸汽壓力波動F4；被加熱油料方面的擾動F1；爐膛漏風和大氣溫度方面的擾動F3；(3) 串級控制系統(tǒng)主回路主被控制量1、主對象為加熱爐；副回路副被控量2(爐膛溫度)、副對象為爐膛檢測點至調節(jié)閥 之間的設備；633、串級控制系統(tǒng)的工作過程二次擾動包含于副回路的擾動；一次擾動作用于副回路之外的擾動；(1) 擾動進入副回路擾動小時副環(huán)可以完全克服此擾動的影響；擾動大時副環(huán)搶先控制，剩下少量的干擾由主、副環(huán)一起控制；(2) 擾動進入主回路原理擾

30、動進入主回路時，使主被控量波動，由主主控器先起作用， 通過改變副控制器的設定值使其發(fā)出控制信號，改變調節(jié)閥 的開度，使主被控量盡快回到設定值；優(yōu)點副回路的存在，加速控制作用；64(3) 擾動同時作用于主、副回路擾動使主、副被控量同方向變化副控制器所接受的偏差為主、副被控量兩方向作用之和，偏差值較大，此時副控制器的輸出以較大幅度改變調節(jié)閥開度，使主被控量盡快向設定值靠近；擾動使主、副被控量反方向變化副控制器所接受的偏差為主、副被控量兩方向作用之差，其值較小，此時調節(jié)閥開度只需較小變化，就可把主被控量調整回來；653、串級控制系統(tǒng)的特性分析(1) 克服二次擾動的能力強副回路具有快速作用；串級控制系

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

32、制質量；串級系統(tǒng)自適應能力分析 系統(tǒng)的副回路能自動地克服非線性因素的影響，保持或接近原有控制 質量； 系統(tǒng)操作條件或負荷改變時，主控制器將改變其輸出值，副回路能快 速跟蹤并及時精確地控制操縱量，保持系統(tǒng)的控制品質；69例：串級控制系統(tǒng)的控制效果估算結果：品質指標單回路控制系統(tǒng)串級控制系統(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0.0870.23二次擾動下的最大動態(tài)偏差0.240.011二次擾動下的最大動態(tài)偏差0.30.11704.3 大林算法準備知識：(1) 當 時，常規(guī)PID控制難以達到控制目標； Z域最少拍設計方法，不能達

33、到最少拍的預期效果， 造成系統(tǒng)較大的超調和振蕩； 大林算法或補償控制可以取得好的控制效果；(2) 純滯后系統(tǒng)特點超調量為0或較小，允許較長的調節(jié)時間；(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： 滯后時間， T1、T2時間常數(shù)，K放大系數(shù)714.3.1 大林算法的設計原理1、設計原理以大林算法設計的數(shù)字控制器，使所設計的系統(tǒng)閉環(huán)傳 函相當于一個帶有滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其滯后時間與 被控對象G0(s)滯后時間相同，即其中： 閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(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；(2) 振鈴現(xiàn)象的危害對系統(tǒng)輸出幾乎無影響，會使執(zhí)行器頻繁地調整， 加速磨損；(3) 衡量振鈴現(xiàn)象強烈程度振鈴幅度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)象的產生U(z)含Z平面內左半平面接近z=-1的極點；距離z=-1越近，振鈴幅度RA越大；U(z)中單位圓內右半平面的零點會加劇振鈴現(xiàn)象；U(z)中單位圓內右半平面的極點會消弱振鈴現(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)象的極點的因子；令因子的z=1，可消除極點；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：已知被控對象的傳函 ，采樣周期T=0.5s，所期望 的閉環(huán)傳函的時間常數(shù)為0.5s，試用大林算法設計數(shù)字控制器D(z)， 并分析是否產生振鈴現(xiàn)象，若有則消除。解: (1) 廣義被控對象的脈沖傳函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)字控制器設計方法4.4.1 連續(xù)對象的離散化方法4.4.2 數(shù)字控制器的離散設計方法4.4.3 最少拍控制81準備知

36、識：(1) 數(shù)字控制系統(tǒng)設計基于被控對象數(shù)學模型已知的情況下，用控制理 論的方法設計出數(shù)字控制器，使控制系統(tǒng)滿足一 定的性能指標；(2) 計算機控制系統(tǒng)組成連續(xù)部分(保持器、控制對象)、離散部分；(3) 計算機控制系統(tǒng)的設計方法離散設計方法將被控對象和保持器組成的連續(xù)部分離散化，直接應 用離散控制理論進行分析和綜合，設計出滿足控制指 標的離散控制器，由計算機實現(xiàn)；連續(xù)設計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)進行初步設計，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，由計算機實現(xiàn)。824.4.1 連續(xù)對象的離散化方法1、沖激響應不變法2、零階保持器法3、雙線性變

37、換法4、零極點匹配法831、沖激響應不變法(1) 定義離散環(huán)節(jié)G(z)的單位沖激響應h(kT)與連續(xù)環(huán)節(jié)G(s)的單位脈沖 響應h(t)的采樣點的值相等；(2) 設計步驟計算單位脈沖響應 ；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) 沖激響應法實質z變換法； 即s平面左半平面對應z平面單位圓內； 采樣周期的選擇滿足香農采樣定理； 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方法簡單，容易計算，適用于G(s)或G(z)分子、分母已展成多項式情形；不改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性，無混疊效應；當采樣周期T足夠小時，有較高的變換精度。894、零極點匹配法(1) 原理 利用 關系將s平面的零、極點一一對應地映射到z平面的零、極點。(2) Kz 的選擇使