過(guò)程儀表第5章數(shù)字調(diào)節(jié)器課件

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： 概述概述 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2數(shù)字式調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字式調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)： 開(kāi)發(fā)周期短，性能價(jià)格比高；開(kāi)發(fā)周期短，性能價(jià)格比高； 具有自檢自診斷的異常報(bào)警功能和通信功能；具有自檢自診斷的異常報(bào)警功能和通信功能； 控制精度高，性能穩(wěn)定，工作可靠；控制精度高，性能穩(wěn)定，工作可靠； 使用和維護(hù)方便。使用和維護(hù)方便。 數(shù)字式調(diào)節(jié)器目前已在各行各業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中得數(shù)字式調(diào)節(jié)器目前已在各行各業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。到廣泛的應(yīng)用。 5.1 概述

2、概述 31、數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成：、數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成： 4 由圖可見(jiàn)，在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，除生產(chǎn)過(guò)程及現(xiàn)場(chǎng)由圖可見(jiàn)，在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，除生產(chǎn)過(guò)程及現(xiàn)場(chǎng)儀表外的部分即為數(shù)字調(diào)節(jié)器，它由主機(jī)、過(guò)程通道、鍵盤(pán)儀表外的部分即為數(shù)字調(diào)節(jié)器，它由主機(jī)、過(guò)程通道、鍵盤(pán)及顯示器等基本部分構(gòu)成。當(dāng)要求與操作站或上位機(jī)通信聯(lián)及顯示器等基本部分構(gòu)成。當(dāng)要求與操作站或上位機(jī)通信聯(lián)絡(luò)時(shí)，需配通信接口，當(dāng)需打印記錄信息時(shí)另配打印機(jī)接口。絡(luò)時(shí)，需配通信接口，當(dāng)需打印記錄信息時(shí)另配打印機(jī)接口。 主機(jī)是整個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)器的核心，由它存儲(chǔ)程序和執(zhí)行程主機(jī)是整個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)器的核心，由它存儲(chǔ)程序和執(zhí)行程序，以配合其它硬件組成和程

3、序完成數(shù)字調(diào)節(jié)器的預(yù)定功能。序，以配合其它硬件組成和程序完成數(shù)字調(diào)節(jié)器的預(yù)定功能。采用不同機(jī)型的主機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)不同，將會(huì)影采用不同機(jī)型的主機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)不同，將會(huì)影響數(shù)字調(diào)節(jié)器的構(gòu)成、功能和性能。響數(shù)字調(diào)節(jié)器的構(gòu)成、功能和性能。 5 過(guò)程通道是數(shù)字調(diào)節(jié)器的重要組成部分，輸入通道用于過(guò)程通道是數(shù)字調(diào)節(jié)器的重要組成部分，輸入通道用于將現(xiàn)場(chǎng)儀表檢測(cè)到的被控參數(shù)變?yōu)橹鳈C(jī)能夠識(shí)別和接收的將現(xiàn)場(chǎng)儀表檢測(cè)到的被控參數(shù)變?yōu)橹鳈C(jī)能夠識(shí)別和接收的信息，以便進(jìn)行處理。輸出通道用于將主機(jī)輸出的信息變信息，以便進(jìn)行處理。輸出通道用于將主機(jī)輸出的信息變?yōu)楝F(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器所需的信號(hào)形式。輸入通道和輸出通道又

4、都為現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器所需的信號(hào)形式。輸入通道和輸出通道又都包括模擬量通道和開(kāi)關(guān)量通道兩種類(lèi)型。鍵盤(pán)、顯示器也包括模擬量通道和開(kāi)關(guān)量通道兩種類(lèi)型。鍵盤(pán)、顯示器也是數(shù)字調(diào)節(jié)器的重要組成部分，它是一種簡(jiǎn)單的人機(jī)接是數(shù)字調(diào)節(jié)器的重要組成部分，它是一種簡(jiǎn)單的人機(jī)接口?？?。2、數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件構(gòu)成：、數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件構(gòu)成： 數(shù)字調(diào)節(jié)器的全部工作都是在硬件環(huán)境下，由微處理器數(shù)字調(diào)節(jié)器的全部工作都是在硬件環(huán)境下，由微處理器執(zhí)行程序完成。數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件包括監(jiān)控管理程序和應(yīng)執(zhí)行程序完成。數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件包括監(jiān)控管理程序和應(yīng)用程序兩大部分。用程序兩大部分。65.2 模擬量輸入模擬量輸入/輸出通道輸出通道 過(guò)程輸入過(guò)程輸

5、入/輸出通道是計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間的紐帶，連續(xù)輸出通道是計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間的紐帶，連續(xù)變化的工程量經(jīng)傳感器或變送器后變?yōu)槟M電流或電壓信號(hào)，變化的工程量經(jīng)傳感器或變送器后變?yōu)槟M電流或電壓信號(hào)，必須經(jīng)數(shù)字調(diào)節(jié)器中輸入通道的必須經(jīng)數(shù)字調(diào)節(jié)器中輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換器后才能由轉(zhuǎn)換器后才能由CPU采入，采入，并進(jìn)行運(yùn)算處理及控制算法運(yùn)算，計(jì)算得出的控制量需經(jīng)模擬并進(jìn)行運(yùn)算處理及控制算法運(yùn)算，計(jì)算得出的控制量需經(jīng)模擬輸出通道的輸出通道的D/A轉(zhuǎn)換器后送出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)去控制執(zhí)行器，對(duì)轉(zhuǎn)換器后送出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)去控制執(zhí)行器，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。模擬量輸入通道模擬量輸入通道 1、分類(lèi)：、分類(lèi)

6、： 從接受電信號(hào)的電平分：高電平和低電平輸入通道；從接受電信號(hào)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通道； 從結(jié)構(gòu)上可按共用一個(gè)放大器或從結(jié)構(gòu)上可按共用一個(gè)放大器或A/D轉(zhuǎn)換器及不共用多種組合。轉(zhuǎn)換器及不共用多種組合。7（1）共用一個(gè)采樣）共用一個(gè)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）。8（2）各通道分用采樣保持器，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

7、入通道（如下圖所示）9（3）低電平模擬量輸入通道）低電平模擬量輸入通道 有的數(shù)字調(diào)節(jié)器具有低電平模擬量輸入通道，它能直有的數(shù)字調(diào)節(jié)器具有低電平模擬量輸入通道，它能直接接受由傳感器輸出的毫伏級(jí)信號(hào)或直接連接熱電阻等傳接接受由傳感器輸出的毫伏級(jí)信號(hào)或直接連接熱電阻等傳感器。由于各種不同的傳感器輸出信號(hào)范圍各異，如共用感器。由于各種不同的傳感器輸出信號(hào)范圍各異，如共用一個(gè)不變?cè)鲆娴姆糯笃?，采集模擬量輸入通道將信號(hào)放大一個(gè)不變?cè)鲆娴姆糯笃鳎杉M量輸入通道將信號(hào)放大后送后送A/D轉(zhuǎn)換器，就會(huì)降低轉(zhuǎn)換精度。為解決此問(wèn)題，可轉(zhuǎn)換器，就會(huì)降低轉(zhuǎn)換精度。為解決此問(wèn)題，可以有兩種結(jié)構(gòu)供選擇。以有兩種結(jié)構(gòu)供選擇

8、。 1）各通道分別設(shè)置放大器，將輸出放大到同一電平）各通道分別設(shè)置放大器，將輸出放大到同一電平后再送模擬多路開(kāi)關(guān)。這實(shí)際上與高電平模擬輸入通道在后再送模擬多路開(kāi)關(guān)。這實(shí)際上與高電平模擬輸入通道在結(jié)構(gòu)上并無(wú)區(qū)別，只是將變送器中的放大器移入了輸入通結(jié)構(gòu)上并無(wú)區(qū)別，只是將變送器中的放大器移入了輸入通道中。道中。 2）各通道共用一個(gè)程控放大器，對(duì)不同通道控制其）各通道共用一個(gè)程控放大器，對(duì)不同通道控制其有不同增益，以使各通道輸出范圍在有不同增益，以使各通道輸出范圍在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換器前取得一轉(zhuǎn)換器前取得一致。致。10（4）高抗干擾模入通道）高抗干擾模入通道 輸入通道的干擾從形式上可分為串模干擾和共模干擾輸入

9、通道的干擾從形式上可分為串模干擾和共模干擾兩種類(lèi)型。兩種類(lèi)型。 串模干擾抑制：串模干擾抑制：串模干擾是指與被測(cè)信號(hào)相串聯(lián)的干串模干擾是指與被測(cè)信號(hào)相串聯(lián)的干擾，它可能產(chǎn)生于信號(hào)源內(nèi)部，也可能來(lái)自外部，如信號(hào)擾，它可能產(chǎn)生于信號(hào)源內(nèi)部，也可能來(lái)自外部，如信號(hào)傳輸線(xiàn)沿途受到干擾產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。傳輸線(xiàn)沿途受到干擾產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 由于串模干擾是迭加在被測(cè)信號(hào)上的，只能利用干擾由于串模干擾是迭加在被測(cè)信號(hào)上的，只能利用干擾與有用信號(hào)的不同頻譜特性通過(guò)濾波來(lái)加以消除或減小。與有用信號(hào)的不同頻譜特性通過(guò)濾波來(lái)加以消除或減小。在過(guò)程控制中，一般被測(cè)信號(hào)變化都較緩慢，而干擾信號(hào)在過(guò)程控制中，一般被測(cè)信號(hào)變

10、化都較緩慢，而干擾信號(hào)頻率都較高，可采用低通濾波器減小干擾信號(hào)，在模擬量頻率都較高，可采用低通濾波器減小干擾信號(hào)，在模擬量輸入的入口處必須接入低通模擬濾波器。輸入的入口處必須接入低通模擬濾波器。11 對(duì)頻率特別低的干擾和尖峰干擾等，可以在其經(jīng)過(guò)對(duì)頻率特別低的干擾和尖峰干擾等，可以在其經(jīng)過(guò)輸入通道進(jìn)入主機(jī)后，用數(shù)字濾波進(jìn)行處理。更重要的輸入通道進(jìn)入主機(jī)后，用數(shù)字濾波進(jìn)行處理。更重要的抗干擾措施是消除干擾源對(duì)輸入回路的影響，如對(duì)信號(hào)抗干擾措施是消除干擾源對(duì)輸入回路的影響，如對(duì)信號(hào)源與微計(jì)算機(jī)之間的信號(hào)傳輸線(xiàn)采用帶屏蔽的雙絞線(xiàn)或源與微計(jì)算機(jī)之間的信號(hào)傳輸線(xiàn)采用帶屏蔽的雙絞線(xiàn)或同軸電纜。同軸電纜。 共

11、模干擾抑制：共模干擾抑制：共模干擾是指同時(shí)作用于兩個(gè)輸入共模干擾是指同時(shí)作用于兩個(gè)輸入端的干擾。由于數(shù)字調(diào)節(jié)器的信號(hào)源分布在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，端的干擾。由于數(shù)字調(diào)節(jié)器的信號(hào)源分布在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，一般引線(xiàn)都很長(zhǎng)，使被測(cè)信號(hào)端的地線(xiàn)與主機(jī)地線(xiàn)間存一般引線(xiàn)都很長(zhǎng)，使被測(cè)信號(hào)端的地線(xiàn)與主機(jī)地線(xiàn)間存在一定電位差在一定電位差Vcm，在輸入通道的兩個(gè)輸入端上形成同，在輸入通道的兩個(gè)輸入端上形成同向、等量的干擾電壓，這即為共模干擾。它可能是直流向、等量的干擾電壓，這即為共模干擾。它可能是直流電壓，也可能為交流電壓，數(shù)值可達(dá)幾伏至幾十伏，由電壓，也可能為交流電壓，數(shù)值可達(dá)幾伏至幾十伏，由產(chǎn)生干擾的周?chē)h(huán)境條件及接地情況而定

12、。對(duì)微弱信號(hào)產(chǎn)生干擾的周?chē)h(huán)境條件及接地情況而定。對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大需使用共模抑制比極高的差動(dòng)輸入放大器。進(jìn)行放大需使用共模抑制比極高的差動(dòng)輸入放大器。1213二、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(yùn)算處理后得到的控制信號(hào)仍是數(shù)字在數(shù)字調(diào)節(jié)器中，運(yùn)算處理后得到的控制信號(hào)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(dòng)執(zhí)行器的信號(hào)。量，需經(jīng)模擬量輸出通道變換為能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的信號(hào)。 進(jìn)行閉環(huán)連續(xù)控制的執(zhí)行器大致有以下幾類(lèi)：進(jìn)行閉環(huán)連續(xù)控制的執(zhí)行器大致有以下幾類(lèi)： 1）由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)執(zhí)行器。）由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)執(zhí)行器。 2）由電氣轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行器。）由電氣轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)的

13、氣動(dòng)執(zhí)行器。 3）由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)執(zhí)行器。）由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)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。 14多個(gè)輸出通道共用一個(gè)多個(gè)輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。示。 多通道共享一個(gè)多通道共享一個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器的輸出通道適用于輸出通道較轉(zhuǎn)換器的輸出通道適用于輸出通道較多或多或 D/A轉(zhuǎn)換器要求高的數(shù)字調(diào)節(jié)器中。由于采用模擬保持器，轉(zhuǎn)換器要求高的數(shù)字調(diào)節(jié)器中。由于采用模擬保持器，保持時(shí)間有限，故需在一個(gè)采樣周期內(nèi)頻繁地用

14、已計(jì)算出的控保持時(shí)間有限，故需在一個(gè)采樣周期內(nèi)頻繁地用已計(jì)算出的控制量進(jìn)行輸出掃描。輸出掃描方式有硬件掃描和軟件掃描兩種，制量進(jìn)行輸出掃描。輸出掃描方式有硬件掃描和軟件掃描兩種，硬件掃描電路較復(fù)雜，軟件掃描則將占用相當(dāng)多的硬件掃描電路較復(fù)雜，軟件掃描則將占用相當(dāng)多的CPU時(shí)間。時(shí)間。15每個(gè)通道各用一個(gè)每個(gè)通道各用一個(gè) 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。 這種輸出通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，一路出現(xiàn)故障這種輸出通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，一路出現(xiàn)故障不會(huì)影響其它路的工作，且不需其它硬件掃描電路或程序不會(huì)影響其它路的工作，且不需其它硬件掃描電路或程序掃描，但它使用掃描，但它

15、使用 D/A轉(zhuǎn)換器較多。轉(zhuǎn)換器較多。16一、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)一、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實(shí)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(jìn)調(diào)節(jié)器是模擬式調(diào)節(jié)器，它利用電子電路進(jìn)行連續(xù)的行連續(xù)的PID運(yùn)算。運(yùn)算。 數(shù)字式調(diào)節(jié)器以微計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行有關(guān)控制規(guī)律數(shù)字式調(diào)節(jié)器以微計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行有關(guān)控制規(guī)律的運(yùn)算，所有控制規(guī)律的運(yùn)算都是周期性的進(jìn)行，即數(shù)的運(yùn)算，所有控制規(guī)律的運(yùn)算都是周期性的進(jìn)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(jìn)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

16、進(jìn)行離散化后方可應(yīng)用于數(shù)字式調(diào)節(jié)器?？刂扑惴ǎ和耆⒎挚刂扑惴ǎ和耆⒎諴ID算法算法(理想理想PID算法算法 ) 不完全微分不完全微分PID算法算法(實(shí)際實(shí)際PID算法算法 ) 實(shí)現(xiàn)形式：位置型、增量型、速度型和偏差型實(shí)現(xiàn)形式：位置型、增量型、速度型和偏差型 17二、數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法二、數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法 數(shù)字調(diào)節(jié)器控制算法的設(shè)計(jì)有模擬化設(shè)計(jì)方法和數(shù)字化數(shù)字調(diào)節(jié)器控制算法的設(shè)計(jì)有模擬化設(shè)計(jì)方法和數(shù)字化設(shè)計(jì)方法兩種。設(shè)計(jì)方法兩種。 數(shù)字調(diào)節(jié)器的模擬化設(shè)計(jì)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(jì)方法是基于將數(shù)字控制系統(tǒng)看一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，如下圖所示。一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，如下圖所示。18 直接

17、數(shù)字化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器的另一種方法，它直接數(shù)字化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器的另一種方法，它是將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)看成一個(gè)離散系統(tǒng)，如下圖所示。它是將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)看成一個(gè)離散系統(tǒng)，如下圖所示。它實(shí)際上是通過(guò)零階保持器和采樣器將連續(xù)對(duì)象離散化了。實(shí)際上是通過(guò)零階保持器和采樣器將連續(xù)對(duì)象離散化了。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）。）。19三、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

18、達(dá)式進(jìn)行的模擬表達(dá)式進(jìn)行離散化而得到的。離散化而得到的。PID的模擬表達(dá)式為的模擬表達(dá)式為式中式中 p調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)； e調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號(hào)，是測(cè)量值調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號(hào)，是測(cè)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(shí)間分別為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、再調(diào)時(shí)間（也稱(chēng)積分時(shí)間）、預(yù)調(diào)時(shí)間（也稱(chēng)微分時(shí)間）。（也稱(chēng)積分時(shí)間）、預(yù)調(diào)時(shí)間（也稱(chēng)微分時(shí)間）。 )1(1dtdeTedtTeKpDP 20ninnsDiIsnPneeTTeTTeKp01 因?yàn)椴蓸又芷谝驗(yàn)椴蓸又芷赥s相對(duì)于信號(hào)變化周期是很小的，這相對(duì)于信號(hào)變化周期是很小的，這

19、樣可用矩形法計(jì)算積分，用向后差分代替微分，則上式樣可用矩形法計(jì)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(shí)調(diào)節(jié)器的輸出；次采樣時(shí)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(hào)。采樣序號(hào)。21 上式為位置式算式，其計(jì)算出的輸出量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥上式為位置式算式，其計(jì)算出的輸出量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門(mén)）的位置相對(duì)應(yīng)。門(mén)）的位置相對(duì)應(yīng)。 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(dá)式）次采樣的輸出表達(dá)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(dá)式調(diào)節(jié)

20、器輸出增量的表達(dá)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)控制算式的微分系數(shù)KD=KPTD/TS。22 上式運(yùn)算結(jié)果上式運(yùn)算結(jié)果p表示了執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門(mén)）位置應(yīng)改變的表示了執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門(mén)）位置應(yīng)改變的增量，為增量式算式。增量，為增量式算式。 位置式和增量式兩種控制算式在本質(zhì)上并無(wú)多少區(qū)別，只位置式和增量式兩種控制算式在本質(zhì)上并無(wú)多少區(qū)別，只不過(guò)在用位置式算式時(shí)，不

21、過(guò)在用位置式算式時(shí)，pn=pi的任務(wù)由軟件完成，而在用的任務(wù)由軟件完成，而在用增量式控制算式時(shí)，則需由硬件中的輸出通道來(lái)完成。采用增量式控制算式時(shí)，則需由硬件中的輸出通道來(lái)完成。采用位置式和增量式算式時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示。位置式和增量式算式時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示。23 注意：注意： 由于控制算法不同，輸出控制量不同，兩種系統(tǒng)中所用由于控制算法不同，輸出控制量不同，兩種系統(tǒng)中所用輸出通道結(jié)構(gòu)也就不同。用位置算式時(shí)，輸出通道只起保持輸出通道結(jié)構(gòu)也就不同。用位置算式時(shí)，輸出通道只起保持器和器和D/A轉(zhuǎn)換器的作用，因而常用數(shù)碼寄存器和轉(zhuǎn)換器的作用，因而常用數(shù)碼寄存器和 DA轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)

22、換器，它接受位置輸出信號(hào)，并將它轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)，直器，它接受位置輸出信號(hào)，并將它轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)，直接送去控制執(zhí)行器；當(dāng)用增量式控制算式時(shí)，輸出通道要承接送去控制執(zhí)行器；當(dāng)用增量式控制算式時(shí)，輸出通道要承擔(dān)累加增量輸出的任務(wù)，并將累加量變?yōu)槟M輸出量，現(xiàn)在擔(dān)累加增量輸出的任務(wù)，并將累加量變?yōu)槟M輸出量，現(xiàn)在常用的輸出通道有可逆計(jì)數(shù)器加并行常用的輸出通道有可逆計(jì)數(shù)器加并行DA轉(zhuǎn)換器，或采用轉(zhuǎn)換器，或采用步進(jìn)電機(jī)，這兩種增量式輸出通道前面都必須有并串轉(zhuǎn)換步進(jìn)電機(jī)，這兩種增量式輸出通道前面都必須有并串轉(zhuǎn)換器，將計(jì)算機(jī)輸出的并行碼變?yōu)榇写a，可逆計(jì)數(shù)器或步進(jìn)器，將計(jì)算機(jī)輸出的并行碼變?yōu)榇写a，可

23、逆計(jì)數(shù)器或步進(jìn)電機(jī)才能接受。電機(jī)才能接受。 24 由上述可見(jiàn)，兩種算式在本質(zhì)上是一樣的，但增量式由上述可見(jiàn)，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(diǎn)，使它的應(yīng)用更廣泛。這些優(yōu)點(diǎn)主要有：算式卻有一些優(yōu)點(diǎn)，使它的應(yīng)用更廣泛。這些優(yōu)點(diǎn)主要有： 1）計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，）計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，誤動(dòng)作時(shí)影響小。必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷進(jìn)行保護(hù)，不會(huì)嚴(yán)誤動(dòng)作時(shí)影響小。必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷進(jìn)行保護(hù)，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)狀態(tài)。重影響系統(tǒng)狀態(tài)。 2）易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)一自動(dòng)的無(wú)擾切換。）易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)一自動(dòng)的無(wú)擾切換。25增量式輸出增量式輸出PID控制系統(tǒng)手動(dòng)控制系統(tǒng)

24、手動(dòng)自動(dòng)切換示意圖自動(dòng)切換示意圖26增量運(yùn)算、位置輸出增量運(yùn)算、位置輸出PID控制系統(tǒng)原理示意圖控制系統(tǒng)原理示意圖27（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(duì)不同對(duì)象，為了改善控制質(zhì)量，針對(duì)不同對(duì)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(gè)例子。許多新內(nèi)容，我們僅舉以下幾個(gè)例子。（1）完全微分）完全微分PID算法算法位置型：位置型：ninnDiInPnTTTTKy01)()2()(211nnnDnInnPnnTTTTTKTy增量型：增量型：)2()(2111nnnDnInnPnnnTTTTKyyy速度型：速度型：)21 ()1 (21nDnDnD

25、IPnTTTTTTTTKy偏差型：偏差型：28（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(diǎn)：算法的缺點(diǎn)： 微分作用過(guò)于靈敏，微分作用持續(xù)時(shí)間短，容易引起控制微分作用過(guò)于靈敏，微分作用持續(xù)時(shí)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(mén)開(kāi)度時(shí)間與調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)時(shí)間不相對(duì)應(yīng)閥門(mén)開(kāi)度時(shí)間與調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)時(shí)間不相對(duì)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)( )()(sTsYsYsWff29

26、 不完全微分不完全微分PID算法的輸出在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍有微分作用，可獲得算法的輸出在較長(zhǎng)時(shí)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 (nnnyyay)2()(211nnnDnInnPnTTTTKy30（3） 抗積分飽和算法抗積分飽和算法 數(shù)字調(diào)節(jié)器最簡(jiǎn)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(jiǎn)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

27、，在偏差 較較小時(shí)加入積分作用；而小時(shí)加入積分作用；而 較大時(shí)取消積分作用。這樣較大時(shí)取消積分作用。這樣便減輕積分累計(jì)的飽和程度，以達(dá)到抗積分飽和的目的。便減輕積分累計(jì)的飽和程度，以達(dá)到抗積分飽和的目的。 對(duì)于理想對(duì)于理想PID算法的增量形式：算法的增量形式：)2()(211nnnDnILnnPKKKKMV首先判斷偏差首先判斷偏差 的絕對(duì)值的絕對(duì)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)1031（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

28、聯(lián)，只對(duì)測(cè)量量串聯(lián)，只對(duì)測(cè)量量M進(jìn)行微分，而不是對(duì)偏差進(jìn)行微分，而不是對(duì)偏差進(jìn)行微分，這樣在給定值進(jìn)行微分，這樣在給定值R變化時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生輸出的大幅度變化時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生輸出的大幅度變化，即可避免給定值擾動(dòng)，這種算式適用于給定值變化，即可避免給定值擾動(dòng)，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。32（5）積分分離）積分分離 PID控制控制 積分分離的積分分離的PID算法為算法為 101nnDniiInPneeKeKKeKp 式中式中 當(dāng)當(dāng)eiA時(shí)，時(shí)，K1=1 當(dāng)當(dāng)eiA時(shí)，時(shí)，K1=0。 顯然當(dāng)顯然當(dāng)eiA時(shí)，積分不起作用，只有當(dāng)偏差時(shí)，積分不起作用，只有當(dāng)偏差eiA時(shí)，積時(shí)，積分才

29、引入。在積分分離分才引入。在積分分離PID算法中，也可用增量式算式。算法中，也可用增量式算式。（6）帶有死區(qū)的）帶有死區(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) en B時(shí)，時(shí)， pn =0 當(dāng)當(dāng) en B時(shí)，時(shí)， pn= pn 當(dāng)偏差絕對(duì)值當(dāng)偏差絕對(duì)值 en B時(shí)，本次不進(jìn)行計(jì)算和輸出，即時(shí)，本次不進(jìn)行計(jì)算和輸出，即本次輸出本次輸出 pn =0；當(dāng)偏差絕對(duì)值；當(dāng)偏差絕對(duì)值 en B時(shí)，進(jìn)行時(shí)，進(jìn)行PID運(yùn)運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果算，計(jì)算結(jié)果pn作為本次輸出。作為本次輸出。33對(duì)于數(shù)字式完全微分對(duì)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()(211nnnDnI

30、nnPLKKKKMV式中，式中，LK為邏輯系數(shù)為邏輯系數(shù) BBKL當(dāng)當(dāng)10（7） 數(shù)字式非線(xiàn)性控制數(shù)字式非線(xiàn)性控制34四、四、PID控制程序控制程序 PID數(shù)字調(diào)節(jié)器是利用微計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)輸入信號(hào)的數(shù)字調(diào)節(jié)器是利用微計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)輸入信號(hào)的采集、采集、PID控制算式運(yùn)算、控制量輸出以及其它運(yùn)算或判斷控制算式運(yùn)算、控制量輸出以及其它運(yùn)算或判斷功能的。功能的。PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的主要應(yīng)用程序就是數(shù)字調(diào)節(jié)器的主要應(yīng)用程序就是PID控制程序。控制程序。 PID控制程序是一個(gè)按照控制程序是一個(gè)按照PID控制算式進(jìn)行運(yùn)算的程序，控制算式進(jìn)行運(yùn)算的程序，因此可用定點(diǎn)運(yùn)算，也可用浮點(diǎn)運(yùn)算。因此可用定點(diǎn)運(yùn)算，

31、也可用浮點(diǎn)運(yùn)算。 1定點(diǎn)運(yùn)算的定點(diǎn)運(yùn)算的PID程序程序 定點(diǎn)運(yùn)算比較快，但由于其表示數(shù)的范圍比較小，因定點(diǎn)運(yùn)算比較快，但由于其表示數(shù)的范圍比較小，因此編程前需對(duì)算式進(jìn)行一些處理，既使每一步運(yùn)算都不會(huì)此編程前需對(duì)算式進(jìn)行一些處理，既使每一步運(yùn)算都不會(huì)產(chǎn)生溢出，同時(shí)運(yùn)算所得最后結(jié)果數(shù)值正確。產(chǎn)生溢出，同時(shí)運(yùn)算所得最后結(jié)果數(shù)值正確。PID控制程序控制程序流程如下圖所示。流程如下圖所示。 3536編程中幾個(gè)要注意的問(wèn)題：編程中幾個(gè)要注意的問(wèn)題： （1）關(guān)于運(yùn)算數(shù)字的表示）關(guān)于運(yùn)算數(shù)字的表示 為了提高運(yùn)算精度，在程為了提高運(yùn)算精度，在程序中采用兩字節(jié)（序中采用兩字節(jié)（16位二進(jìn)制數(shù)）運(yùn)算。一般輸入通道的

32、位二進(jìn)制數(shù)）運(yùn)算。一般輸入通道的ADC可選可選8位、位、10位或位或12位，相應(yīng)地輸入信號(hào)為位，相應(yīng)地輸入信號(hào)為8位、位、10位位或或12位數(shù)字量，將所得數(shù)字量化為位數(shù)字量，將所得數(shù)字量化為16位字長(zhǎng)的百分量，可位字長(zhǎng)的百分量，可以提高運(yùn)算精度。以提高運(yùn)算精度。 由于采用雙字節(jié)運(yùn)算，因此輸入、輸出參數(shù)范圍和由于采用雙字節(jié)運(yùn)算，因此輸入、輸出參數(shù)范圍和PID參數(shù)范圍及它們?cè)跈C(jī)器中的表示法如參數(shù)范圍及它們?cè)跈C(jī)器中的表示法如P95 表表 52中所示。中所示。PID運(yùn)算結(jié)果為百分量，為了將輸出控制量經(jīng)運(yùn)算結(jié)果為百分量，為了將輸出控制量經(jīng) DAC輸出，輸出，需將百分量化為與需將百分量化為與 DAC位數(shù)相

33、應(yīng)的數(shù)字量。位數(shù)相應(yīng)的數(shù)字量。37（2）關(guān)于積分精度）關(guān)于積分精度 在數(shù)字調(diào)節(jié)器中引入積分作用同樣是在數(shù)字調(diào)節(jié)器中引入積分作用同樣是為了消除系統(tǒng)的靜差，但由于采用有限字長(zhǎng)運(yùn)算，當(dāng)積分作為了消除系統(tǒng)的靜差，但由于采用有限字長(zhǎng)運(yùn)算，當(dāng)積分作用的輸出小于機(jī)器字長(zhǎng)所能表示的范圍時(shí)，就被視為機(jī)器零用的輸出小于機(jī)器字長(zhǎng)所能表示的范圍時(shí)，就被視為機(jī)器零而將數(shù)丟掉。這樣積分就不能再進(jìn)行，使偏差而將數(shù)丟掉。這樣積分就不能再進(jìn)行，使偏差en始終存在。始終存在。 為了減小系統(tǒng)靜差，可以采用以下方法：為了減小系統(tǒng)靜差，可以采用以下方法： l）增加積分）增加積分運(yùn)算的字長(zhǎng)。運(yùn)算的字長(zhǎng)。 2）先累加偏差，后進(jìn)行乘除運(yùn)算。

34、）先累加偏差，后進(jìn)行乘除運(yùn)算。（3）關(guān)于調(diào)節(jié)器的正、反作用）關(guān)于調(diào)節(jié)器的正、反作用 作為一個(gè)通用的數(shù)字調(diào)節(jié)作為一個(gè)通用的數(shù)字調(diào)節(jié)器，與模擬調(diào)節(jié)器一樣也必須設(shè)置正反作用切換功能。器，與模擬調(diào)節(jié)器一樣也必須設(shè)置正反作用切換功能。 根據(jù)用戶(hù)需要，對(duì)根據(jù)用戶(hù)需要，對(duì)“正反作用狀態(tài)字正反作用狀態(tài)字”置數(shù)，當(dāng)要求調(diào)置數(shù)，當(dāng)要求調(diào)節(jié)器為正作用時(shí)，將其置為節(jié)器為正作用時(shí)，將其置為00H；要求為反作用時(shí)，則置為；要求為反作用時(shí)，則置為01H。在執(zhí)行。在執(zhí)行PI運(yùn)算子程序時(shí)，調(diào)節(jié)器根據(jù)此狀態(tài)字自動(dòng)對(duì)運(yùn)算子程序時(shí)，調(diào)節(jié)器根據(jù)此狀態(tài)字自動(dòng)對(duì)pn進(jìn)行不同的處理，即正作用時(shí)直接加進(jìn)行不同的處理，即正作用時(shí)直接加pn ；反

35、作用時(shí)；反作用時(shí)pn變補(bǔ)后再與變補(bǔ)后再與pn-1相加。相加。38（4）輸出限幅和抗積分飽和）輸出限幅和抗積分飽和 積分調(diào)節(jié)的一個(gè)特點(diǎn)是：只要積分調(diào)節(jié)的一個(gè)特點(diǎn)是：只要有偏差存在，輸出就不斷向兩個(gè)極端之一變化，以致超過(guò)極限有偏差存在，輸出就不斷向兩個(gè)極端之一變化，以致超過(guò)極限值。若采用單純的輸出限幅措施，會(huì)產(chǎn)生積分飽和，當(dāng)輸入值。若采用單純的輸出限幅措施，會(huì)產(chǎn)生積分飽和，當(dāng)輸入 一一旦變號(hào)，輸出需從深飽和區(qū)逐漸退出，造成調(diào)節(jié)滯后，使調(diào)節(jié)旦變號(hào)，輸出需從深飽和區(qū)逐漸退出，造成調(diào)節(jié)滯后，使調(diào)節(jié)品質(zhì)惡化，數(shù)字品質(zhì)惡化，數(shù)字PID調(diào)節(jié)也有同樣問(wèn)題。但在數(shù)字調(diào)節(jié)也有同樣問(wèn)題。但在數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器

36、中，很容易實(shí)現(xiàn)抗積分飽和的功能，使得在輸出達(dá)到限幅值時(shí)，即很容易實(shí)現(xiàn)抗積分飽和的功能，使得在輸出達(dá)到限幅值時(shí)，即中斷積分動(dòng)作，調(diào)節(jié)器輸出維持在飽和線(xiàn)上，保持原有的狀態(tài)中斷積分動(dòng)作，調(diào)節(jié)器輸出維持在飽和線(xiàn)上，保持原有的狀態(tài)數(shù)據(jù)。這樣就可在偏差反向時(shí)，輸出立即呈現(xiàn)出反向積分作用。數(shù)據(jù)。這樣就可在偏差反向時(shí)，輸出立即呈現(xiàn)出反向積分作用。抗積分飽和系統(tǒng)與單純的輸出限幅系統(tǒng)輸入輸出特性比較如抗積分飽和系統(tǒng)與單純的輸出限幅系統(tǒng)輸入輸出特性比較如下圖所示。下圖所示。392浮點(diǎn)運(yùn)算的浮點(diǎn)運(yùn)算的PID程序程序 整個(gè)整個(gè) PID程序流程圖也如前圖所示，只是程序流程圖也如前圖所示，只是pn的編程公的編程公式不同。由

37、于浮點(diǎn)數(shù)可表示很大的數(shù)值范圍，因此在編程時(shí)式不同。由于浮點(diǎn)數(shù)可表示很大的數(shù)值范圍，因此在編程時(shí)一般不用考慮溢出問(wèn)題。將一般不用考慮溢出問(wèn)題。將KP、KI、 KD、en-2、en-1及及en都都用浮點(diǎn)數(shù)表示后，即可直接按下式所示用浮點(diǎn)數(shù)表示后，即可直接按下式所示PID算式編程。算式編程。 pn=pn-1+KP(en-en-1)+KIen+KD(en-2en-1+en-2) 程序中多次調(diào)用浮點(diǎn)數(shù)加、減、乘運(yùn)算子程序，得到以程序中多次調(diào)用浮點(diǎn)數(shù)加、減、乘運(yùn)算子程序，得到以浮點(diǎn)數(shù)表示的百分量輸出浮點(diǎn)數(shù)表示的百分量輸出pn。在輸出程序中需進(jìn)行以下運(yùn)算。在輸出程序中需進(jìn)行以下運(yùn)算（以（以8位位DAC為例）

38、：為例）： 輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量 pn FFH 上式中上式中FFH應(yīng)化為浮點(diǎn)數(shù)，計(jì)算出的輸出數(shù)字量也為應(yīng)化為浮點(diǎn)數(shù)，計(jì)算出的輸出數(shù)字量也為浮點(diǎn)數(shù)，需通過(guò)浮點(diǎn)浮點(diǎn)數(shù)，需通過(guò)浮點(diǎn)定點(diǎn)轉(zhuǎn)換程序變?yōu)槎c(diǎn)數(shù)后輸出，送定點(diǎn)轉(zhuǎn)換程序變?yōu)槎c(diǎn)數(shù)后輸出，送給給D/A轉(zhuǎn)換器變換為模擬控制信號(hào)。轉(zhuǎn)換器變換為模擬控制信號(hào)。405.4 PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器 PID參數(shù)自整定是對(duì)于一個(gè)正在運(yùn)行的控制系統(tǒng)，特別是參數(shù)自整定是對(duì)于一個(gè)正在運(yùn)行的控制系統(tǒng)，特別是定值改變的控制系統(tǒng)自動(dòng)整定控制回路中的定值改變的控制系統(tǒng)自動(dòng)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(lèi)。參數(shù)自

39、整定的方法有多種，大致可分為兩大類(lèi)。 1.波形識(shí)別法波形識(shí)別法 這類(lèi)方法有兩種類(lèi)型：一種是在系統(tǒng)中加入具有繼電特性這類(lèi)方法有兩種類(lèi)型：一種是在系統(tǒng)中加入具有繼電特性性的非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激等幅振蕩，通過(guò)測(cè)取振蕩波性的非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激等幅振蕩，通過(guò)測(cè)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，求取系統(tǒng)的臨界振蕩參數(shù)，再利用Ziegler-Nichols規(guī)則對(duì)規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。另一種是根據(jù)過(guò)程輸出曲線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行整定。另一種是根據(jù)過(guò)程輸出曲線(xiàn)形狀判別來(lái)整定形狀判別來(lái)整定PID參數(shù)。參數(shù)。41 在系統(tǒng)正常運(yùn)行中，對(duì)由給定值變化或由擾動(dòng)產(chǎn)生的輸在系統(tǒng)正常運(yùn)行中

40、，對(duì)由給定值變化或由擾動(dòng)產(chǎn)生的輸出波形進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，再由參數(shù)自校正機(jī)構(gòu)確定出新的出波形進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，再由參數(shù)自校正機(jī)構(gòu)確定出新的PID參數(shù)值，系統(tǒng)按修正后的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)值，系統(tǒng)按修正后的參數(shù)進(jìn)行PID控制，其構(gòu)成圖如下控制，其構(gòu)成圖如下圖所示。圖所示。 波形識(shí)別法的優(yōu)點(diǎn)是不要求辨識(shí)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，控制波形識(shí)別法的優(yōu)點(diǎn)是不要求辨識(shí)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，控制指標(biāo)與常規(guī)指標(biāo)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)完全一致，非常直觀(guān)，因此這是目控制系統(tǒng)完全一致，非常直觀(guān)，因此這是目前使用較多的一種參數(shù)自整定方法。前使用較多的一種參數(shù)自整定方法。42 2以對(duì)象數(shù)學(xué)模型辨識(shí)為基礎(chǔ)的自整定方法以對(duì)象數(shù)學(xué)模型辨識(shí)為基礎(chǔ)的自整定方法 對(duì)

41、象數(shù)學(xué)模型的辨識(shí)方法有施加擾動(dòng)和不施加擾動(dòng)兩類(lèi)。對(duì)象數(shù)學(xué)模型的辨識(shí)方法有施加擾動(dòng)和不施加擾動(dòng)兩類(lèi)。在施加擾動(dòng)的自整定控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器定時(shí)或按工況變化的在施加擾動(dòng)的自整定控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器定時(shí)或按工況變化的信息斷開(kāi)反饋回路，給對(duì)象施加一擾動(dòng)，根據(jù)對(duì)象響應(yīng)信息進(jìn)信息斷開(kāi)反饋回路，給對(duì)象施加一擾動(dòng)，根據(jù)對(duì)象響應(yīng)信息進(jìn)行運(yùn)算處理，識(shí)別出對(duì)象特性，如行運(yùn)算處理，識(shí)別出對(duì)象特性，如K、T、特性參數(shù)。在不特性參數(shù)。在不施加擾動(dòng)的自整定控制系統(tǒng)中，是通過(guò)測(cè)試在線(xiàn)運(yùn)行的對(duì)象輸施加擾動(dòng)的自整定控制系統(tǒng)中，是通過(guò)測(cè)試在線(xiàn)運(yùn)行的對(duì)象輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)象特性的閉環(huán)辨識(shí)。系統(tǒng)框圖如下所示。辨入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)象特性的閉環(huán)

42、辨識(shí)。系統(tǒng)框圖如下所示。辨識(shí)方法有遞推最小二乘法、極大似然法等多種，可參閱有關(guān)系識(shí)方法有遞推最小二乘法、極大似然法等多種，可參閱有關(guān)系統(tǒng)辨識(shí)的專(zhuān)門(mén)文獻(xiàn)。統(tǒng)辨識(shí)的專(zhuān)門(mén)文獻(xiàn)。43 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(jìn)型臨界比例度法（繼電限幅自整定法）一、改進(jìn)型臨界比例度法（繼電限幅自整定法） 這是波形識(shí)別法中的一種參數(shù)自整定方法。用改進(jìn)型臨這是波形識(shí)別法中的一種參數(shù)自整定方法。用改進(jìn)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

43、圖中 G（j）為控制對(duì)象，）為控制對(duì)象，N為具有繼電特性的非線(xiàn)性環(huán)為具有繼電特性的非線(xiàn)性環(huán)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于自整定狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于自整定狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)S置于位置置于位置2，S置于位置置于位置1時(shí)為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進(jìn)行時(shí)為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進(jìn)行PID控制?？刂?。44 改進(jìn)型臨界比例度法整定改進(jìn)型臨界比例度法整定PID參數(shù)的運(yùn)行步驟：參數(shù)的運(yùn)行步驟： 1）使系統(tǒng)工作在有繼電特性的非線(xiàn)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(xiàn)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(jì)算出規(guī)則計(jì)

44、算出PID參數(shù)參數(shù)KP、TI、TD的的值。值。 改進(jìn)型臨界比例度自整定方法的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、整定改進(jìn)型臨界比例度自整定方法的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)工時(shí)大量的回路整定。將用改進(jìn)型臨界比例度自整定方法求出時(shí)大量的回路整定。將用改進(jìn)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(shí)時(shí)運(yùn)行中再應(yīng)用其它方法對(duì)參數(shù)參數(shù)作為初值，在實(shí)時(shí)運(yùn)行中再應(yīng)用其它方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。實(shí)時(shí)修正參數(shù)可用迭代法或?qū)＜曳ā?/p>

45、進(jìn)行修正。實(shí)時(shí)修正參數(shù)可用迭代法或?qū)＜曳ā?5二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(guò)推導(dǎo)出數(shù)，通過(guò)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(jìn)型臨界比例度整定算式可用于確定初始整定前述改進(jìn)型臨界比例度整定算式可用于確定初始整定參數(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(jìn)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(jìn)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(lái)進(jìn)行來(lái)進(jìn)行

46、PID參數(shù)自整定。參數(shù)自整定。三、專(zhuān)家法三、專(zhuān)家法PID參數(shù)自整定參數(shù)自整定 用專(zhuān)家法自整定用專(zhuān)家法自整定PID參數(shù)的調(diào)節(jié)器稱(chēng)為專(zhuān)家自整定調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)節(jié)器稱(chēng)為專(zhuān)家自整定調(diào)節(jié)器。這種器。這種PID參數(shù)自整定的過(guò)程實(shí)際上是模擬操作人員整定參數(shù)自整定的過(guò)程實(shí)際上是模擬操作人員整定PID參數(shù)的判斷和決策過(guò)程。專(zhuān)家參數(shù)的判斷和決策過(guò)程。專(zhuān)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)的基礎(chǔ)上，增加了由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)組成的參數(shù)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)組成的參數(shù)自整定專(zhuān)家系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如下圖所示。自整定專(zhuān)家系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如下圖所示。4647l知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù) 知識(shí)庫(kù)是將控制工程師整定系

47、統(tǒng)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整知識(shí)庫(kù)是將控制工程師整定系統(tǒng)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整理歸納后，以一定表示法存入計(jì)算機(jī)中。參數(shù)自整定專(zhuān)家理歸納后，以一定表示法存入計(jì)算機(jī)中。參數(shù)自整定專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)主要包括以下幾方面的內(nèi)容：過(guò)程響應(yīng)曲線(xiàn)系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)主要包括以下幾方面的內(nèi)容：過(guò)程響應(yīng)曲線(xiàn)類(lèi)型、控制目標(biāo)類(lèi)型及整定規(guī)則。下面分別加以說(shuō)明。類(lèi)型、控制目標(biāo)類(lèi)型及整定規(guī)則。下面分別加以說(shuō)明。 （1）過(guò)程響應(yīng)曲線(xiàn)類(lèi)型）過(guò)程響應(yīng)曲線(xiàn)類(lèi)型 由于實(shí)際控制系統(tǒng)多種多樣，由于實(shí)際控制系統(tǒng)多種多樣，因此系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)也可能是各種各樣的，在構(gòu)成知識(shí)庫(kù)時(shí)因此系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)也可能是各種各樣的，在構(gòu)成知識(shí)庫(kù)時(shí)盡量考慮周全又不能過(guò)于繁雜。根據(jù)給定值變化

48、和負(fù)荷變盡量考慮周全又不能過(guò)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(xiàn)分為給定值變化時(shí)和負(fù)化兩種情況，將系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線(xiàn)分為給定值變化時(shí)和負(fù)荷擾動(dòng)下的輸出響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖所示。荷擾動(dòng)下的輸出響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖所示。48 圖中所示波形僅是按照響應(yīng)曲線(xiàn)峰值個(gè)數(shù)分類(lèi)，而對(duì)于每一類(lèi)圖中所示波形僅是按照響應(yīng)曲線(xiàn)峰值個(gè)數(shù)分類(lèi)，而對(duì)于每一類(lèi)波形，由于其超調(diào)量、衰減比及振蕩周期的不同，又可分為多種子波形，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(lèi)型。由于調(diào)節(jié)器整定參數(shù)時(shí)，是將實(shí)際觀(guān)測(cè)的曲線(xiàn)與知識(shí)庫(kù)中的類(lèi)型。由于調(diào)節(jié)器整定參數(shù)時(shí)，是將實(shí)際觀(guān)測(cè)的曲線(xiàn)與知識(shí)庫(kù)中的曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)照，按照最佳條件進(jìn)

49、行整定。因此，知識(shí)庫(kù)中存入的響曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)照，按照最佳條件進(jìn)行整定。因此，知識(shí)庫(kù)中存入的響應(yīng)曲線(xiàn)類(lèi)型完善與否，對(duì)參數(shù)整定是否理想至關(guān)重要。一般需存幾應(yīng)曲線(xiàn)類(lèi)型完善與否，對(duì)參數(shù)整定是否理想至關(guān)重要。一般需存幾十種類(lèi)型的曲線(xiàn)。十種類(lèi)型的曲線(xiàn)。49（2）控制目標(biāo)）控制目標(biāo) 下表列出幾種控制目標(biāo)類(lèi)型。下表列出幾種控制目標(biāo)類(lèi)型。50（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(yàn)性的，它是參數(shù)的整定規(guī)則都是經(jīng)驗(yàn)性的，它是建立于控制工程師經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(duì)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(duì)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(gè)作用中，三個(gè)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(guò)大及衰減比過(guò)小時(shí)，減小響應(yīng)的超調(diào)量過(guò)大及衰減比過(guò)小時(shí)，減小KP。若最大偏差大，。若最大偏差大，且趨于非周