SS第十三章調(diào)節(jié)控制單元

1、第十三章第十三章 調(diào)節(jié)控制單元調(diào)節(jié)控制單元13.1常規(guī)控制規(guī)律常規(guī)控制規(guī)律l13.1.1.典型控制系統(tǒng)13.1.2.基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律l比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Differential)是調(diào)節(jié)器的基本控制規(guī)律。l13.1.2.1.比例（P）控制規(guī)律 具有比例控制規(guī)律的 調(diào)節(jié)器其輸出信號的 變化量與偏差信號之 間存在比例關(guān)系，用微 分方程形式表示可為：13.1.2.2.積分（積分（I）控制規(guī)律）控制規(guī)律l 具有積分控制規(guī)律的 調(diào)節(jié)器其輸出信號的 變化量與偏差信號的 積分成正比，用微分 方程形式表示可為：13.1.2.3.微分（微分（D）控制規(guī)律）控

2、制規(guī)律l 具有微分控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器其鈴出信號的變化量與偏差信號的變化速度成正比，用微分方程形式表示可為：13.1.3.常規(guī)控制規(guī)律常規(guī)控制規(guī)律l 將比例、積分和微分三種基本控制規(guī)律進行適當?shù)慕M合，即可構(gòu)成多種工業(yè)適用的常規(guī)控制規(guī)律，包括比例積分(PI)、比例微分(PD)和比例積分微分(PID)控制規(guī)律。l13.1.3.1.微分方程表示法 比例積分（PI）控制規(guī)律 比例微分（PD）控制規(guī)律 理想比例積分微分（PID）控制規(guī)律13.1.3.2.傳遞函數(shù)表示法傳遞函數(shù)表示法13.1.3.3.圖示法圖示法13.1.3.4.頻率特性表示法頻率特性表示法l比例積分（PI）控制規(guī)律l比例微分（PD）控制規(guī)律

3、l理想比例積分微分（PID）控制規(guī)律13.1.4.實用實用PID控制規(guī)律的構(gòu)成控制規(guī)律的構(gòu)成l13.1.4.1.由反饋回路PID環(huán)節(jié)構(gòu)成的PID運算電路l運算電路的傳遞函數(shù)可表示為：l當K足夠大時13.1.4.2.由由PD和和PI串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)構(gòu)成的PID運算電路運算電路l在這種方式中，參數(shù)的相互干擾小。但由于電路串聯(lián)的各級誤差會被積累和放大，對各部分電路的精度要求較高。 它們通常由集成運算放 大器及RC電路組成，如 DDZ皿型調(diào)節(jié)器的 PID控制規(guī)律運算電路。13.1.4.3.由由P、I和和D并聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)構(gòu)成的PID運算電路運算電路l由于三個運算電路相并聯(lián)，避免了級間誤差累積的放大，有利于

4、保證整機的精度，并可消除了T1和TD變化對整機實際整定參數(shù)的影響。但是，Kp的變化仍然會對實際積分時間和微分時間產(chǎn)生干擾。13.1.4.4.由由P、I和和D串并聯(lián)混合構(gòu)成的串并聯(lián)混合構(gòu)成的PID運算電路運算電路l 為消除KP、TI和TD之間的相互干擾，可采用P、I和D串并聯(lián)混合的電路如圖1310所示，構(gòu)成實用的PID運算電路。這種構(gòu)成方式不僅可以避免級間的誤差累積，也可消除調(diào)節(jié)器整定參數(shù)間的相互干擾。l實際應(yīng)用過程中的PID 控制規(guī)律運算電路的表 達式采用傳遞函數(shù)表達 式可表示為：13.2.調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn)l13.2.1. DDZ型調(diào)節(jié)器PID控制規(guī)律的實現(xiàn)l調(diào)節(jié)運算電

5、路動 態(tài)響應(yīng)曲線分析l等效電路圖l 用傳遞函數(shù)方式表示圖1312所示運算電路的控制規(guī)律，則由無源電路形成的反饋回路的傳遞函數(shù)為：13.2.2. DDZ型調(diào)節(jié)器型調(diào)節(jié)器PID控制規(guī)律的實現(xiàn)控制規(guī)律的實現(xiàn)l13.2.2.1.比例微分電路l即一般形式的比例微分電路傳遞函數(shù)為：l13.2.2.2.比例積分電路l比例積分電路傳遞函數(shù)為：l規(guī)定積分時間為TI=mRICI,則上式簡化為：l13.2.2.3. PID控制規(guī)律傳遞函數(shù) 如前所述，由于型調(diào)節(jié)器的PID控制規(guī)律是由PD環(huán)節(jié)和PI環(huán)節(jié)串聯(lián)而成因而PID控制規(guī)律的傳遞函數(shù)應(yīng)是兩者的乘積，即l由以上分析可知，型調(diào)節(jié)器與型調(diào)節(jié)器相比有如下特點： (1)相互

6、干擾系數(shù)小 (2)可以用較小的 RC獲得較大的TD和TI (3)積分增益高，調(diào)節(jié)精度高。l因為積分增益是有限的，所以PID調(diào)節(jié)器積分作用終了時的靜態(tài)誤差可表示為：13.2.3.數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn)現(xiàn)l 同數(shù)字式調(diào)節(jié)器可采用理想的PID調(diào)節(jié)算法，也可采用實際的PID調(diào)節(jié)算法，在此分別稱為完全微分型和不完全微分型。對每種算法都有位置型、增量型、速度型和偏差系數(shù)型4種實現(xiàn)形式。l13.2.3.1.完全微分型算法l(1)位置型算式 式(1359)即是位置型算式的具體形式。l(2)增量型算式 增量型PID算式的核心是在前一采樣周期輸出值的基礎(chǔ)上，計算本采樣周期的增量。l(3

7、)速度型算式 將調(diào)節(jié)器的增量值除以采樣間隔時間T，即可得調(diào)節(jié)器輸出飽和速度為；l(4)偏差系數(shù)型算式 將式(1361)展開并合并同類項可得如下算式：13.2.3.2.不完全微分型算法不完全微分型算法l考慮下式所示的實際PID控制規(guī)律連續(xù)算式：l則經(jīng)離散化后的不完全微分型PID算式為：13.3常規(guī)調(diào)節(jié)器基本電路分析常規(guī)調(diào)節(jié)器基本電路分析l13.3.1DDZ型調(diào)節(jié)器基本電路分析13.3.2. DDZ型調(diào)節(jié)器基本電路分析型調(diào)節(jié)器基本電路分析l圖1322 基型調(diào)節(jié)器基本電路結(jié)構(gòu)圖13.3.3.數(shù)字式調(diào)節(jié)器基本電路分析數(shù)字式調(diào)節(jié)器基本電路分析l圖1323 基型調(diào)節(jié)器輸出電路示意圖l 從數(shù)字式調(diào)節(jié)器出現(xiàn)以

8、來， 目前國內(nèi)外已有不同種類 的調(diào)節(jié)器產(chǎn)品，且其種類 繁多。但無論是哪種調(diào)節(jié) 器，其設(shè)計思想都大同小 異，基本類似。這些設(shè)計 思想包括以下幾種。 (1)具有與常規(guī)模擬式調(diào) 節(jié)器同樣的外特性 (2)保持常規(guī)模擬式調(diào)節(jié) 器的操作方式 (3)功能價格比較高 (4)功能的模塊化 (5)具有自診斷的異常報警功能 (6)提供通訊功能13.4.可編程序調(diào)節(jié)器可編程序調(diào)節(jié)器l13.4.1.可編程序調(diào)節(jié)器的工作原理 可編程序調(diào)節(jié)器就是在控制程序固定的數(shù)字式調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，將原有的控制程序模塊化，然后將這些模塊的連接順序留給用戶來定義，并依靠事先定義好的可看作是數(shù)據(jù)接口的各種寄存器，將用戶編制的用戶程序組態(tài)在一起

9、，從而可以根據(jù)實際過程控制的需要，由用戶自行設(shè)計控制規(guī)律并加以實現(xiàn)。13.4.2.程序控制規(guī)律的構(gòu)成和實現(xiàn)程序控制規(guī)律的構(gòu)成和實現(xiàn)l每個模塊在組態(tài)過程中都要求使用一定的代碼來描述模塊間的組態(tài)關(guān)系。一般地用于可編程序調(diào)節(jié)器的代碼分兩類，一類是數(shù)字式的代碼，其形式接近機器語言，便于計算機組織和維護，但難以表示其應(yīng)用含義；另一類是類似助記符號的英文字符串或其他符號，其形式接近匯編語言，有一定的可視性有助于用戶理解。l程序控制規(guī)律的實現(xiàn)是由控制語句完成的。13.5.先進調(diào)節(jié)器淺析先進調(diào)節(jié)器淺析l13.5.1.增強型PID控制規(guī)律分析l對具有兩個以上干擾源及較大慣性滯后時間常數(shù)的被控對象來說，當用簡單的

10、單回路控制系統(tǒng)難以達到較好的控制效果時，可采用串級控制策略與前饋加反饋控制策略。l圖13-28 前饋加反饋控制系統(tǒng)原理圖13.5.2.改進型改進型PID控制算法控制算法l13.5.2.1.微分先行PID控制l其傳遞函數(shù)可表示為：13.5.2.2.比例微分先行比例微分先行PID控制控制l比例微分先行PID控制的傳遞函數(shù)可表示為：13.5.2.3.非線性非線性PID控制控制l 最簡單的分段 PID控制 就是積分分離PID控制， 即在比例和微分不變的 前提下，分段啟動積分 作用，以達到抗積分飽 和的作用。其基本工作 原理是在偏差較小時加入積分作用而當偏差較大時則取消積分作用。該方法實際上是通過減輕積分累計的飽和程度來達到抗積分飽和的作用的，其作用的動態(tài)特性曲線如圖1331所示。l因而調(diào)節(jié)器在理想PID控制規(guī)律狀態(tài)下輸出的增量表達式為：l在實際應(yīng)用中也存在與上述要求相反的情況，13.5.3.虛擬調(diào)節(jié)儀表發(fā)展趨勢虛擬調(diào)節(jié)儀表發(fā)展趨勢l與單元組合式調(diào)節(jié)器一樣，虛擬調(diào)節(jié)儀表也需要提供輸入輸出通道，而且輸入輸出信號均采用標準制式，具有標準接口。 由于調(diào)節(jié)儀表完全由個人計算機所代替，因而除受輸