常用的微機(jī)控制技術(shù)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1常用的微機(jī)控制技術(shù)常用的微機(jī)控制技術(shù)第一頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。一、數(shù)字控制器二、二、PID三量的控制作用三量的控制作用 三、三、PID控制規(guī)律的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)算法控制規(guī)律的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)算法 四、數(shù)字四、數(shù)字PID控制器的改進(jìn)控制器的改進(jìn) 五、數(shù)字五、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定 第1頁(yè)/共95頁(yè)第二頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 一般工業(yè)控制對(duì)象都是連續(xù)系統(tǒng)，而計(jì)算機(jī)是處理數(shù)字信號(hào)的，這樣的系統(tǒng)中既有連續(xù)信號(hào)又有離散信號(hào)，稱為混合系統(tǒng)。一、數(shù)字控制器見(jiàn)下頁(yè)圖示。1. 數(shù)字控制器的兩類設(shè)計(jì)方法第2頁(yè)/共95頁(yè)第三頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 從AB兩點(diǎn)向左看，即把D/A轉(zhuǎn)換器

2、、數(shù)字控制器、A/D轉(zhuǎn)換器看作一個(gè)整體，可等效成一個(gè)模擬控制器D(s)，加上對(duì)象G0(s)，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)可看作連續(xù)系統(tǒng)，見(jiàn)下頁(yè)圖a。 若從AB兩點(diǎn)向右看，即把D/A轉(zhuǎn)換器、被控對(duì)象、A/D轉(zhuǎn)換器看為一體，等效成一個(gè)離散對(duì)象G(z)，加上數(shù)字控制器D(z)，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)可看作離散系統(tǒng)，見(jiàn)下頁(yè)圖b。 第3頁(yè)/共95頁(yè)第四頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。a)r(t)G0(s)- -y(t)A/DD(z)D/AD(s)b)r(k)- -y(k)A/DD(z)D/AG0(s)G(z) 所以對(duì)于混合系統(tǒng)，控制器有兩種設(shè)計(jì)方法，一是先按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出模擬的控制器，然后再離散化。二是直接設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器。 所謂設(shè)

3、計(jì)數(shù)字控制器，就是在已知對(duì)象數(shù)學(xué)模型和要求達(dá)到的性能指標(biāo)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出滿足要求的計(jì)算機(jī)編程算法。第4頁(yè)/共95頁(yè)第五頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。2. 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)（1）按給定的對(duì)象G0(s)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D(s)；（2）選擇合適的采樣周期；（3）將D(s)離散化為D(z)； 根據(jù)選定的采樣周期，選用一種方法，由D(s)求出D(z)；（4）仿真檢查系統(tǒng)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求；（5）按算法編程 。返回本節(jié)第5頁(yè)/共95頁(yè)第六頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。1. 比例控制器 設(shè)比例控制器控制規(guī)律為 )()(teKtuP比例控制器階躍響應(yīng)曲線 比例控制能迅速

4、反映偏差，調(diào)節(jié)作用及時(shí)，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng) Kp 調(diào)得太大時(shí)，可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。第6頁(yè)/共95頁(yè)第七頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。2. 比例積分控制器 設(shè)積分控制器控制規(guī)律為 dtteTtui)(1)(積分控制器階躍響應(yīng)曲線 為積分時(shí)間常數(shù)，表示積分速度的大小， 越小，積分速度越快，作用越強(qiáng)。 iTiT第7頁(yè)/共95頁(yè)第八頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在偏差，積分控制作用就不斷地積累，積分項(xiàng)對(duì)應(yīng)的控制量不斷增大，以消除誤差。積分控制是靠對(duì)偏差積累進(jìn)行控制的，控制起作用緩慢。如果積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。第8頁(yè)/共9

5、5頁(yè)第九頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 設(shè)比例積分控制器控制規(guī)律為 )(1)()(dtteTteKtuiP比例積分控制器階躍響應(yīng)曲線 比例積分控制器可以使系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和穩(wěn)態(tài)精度得以改善。 第9頁(yè)/共95頁(yè)第十頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。3. 比例、積分、微分控制器微分控制器階躍響應(yīng)曲線 設(shè)微分控制器控制規(guī)律為 dttdeTKtuDP)()( 微分作用與偏差信號(hào)的變化率成正比，有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第10頁(yè)/共95頁(yè)第十一頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 微分控制具有預(yù)測(cè)誤差變化趨勢(shì)的作用，具有超前控制作用，可以加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

6、。缺陷是容易引入高頻噪聲，在存在嚴(yán)重干擾的情況下不宜引入微分控制作用。)()(1)()(dttdeTdtteTteKtuDiP 則PID控制器控制規(guī)律為 返回本節(jié)第11頁(yè)/共95頁(yè)第十二頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 1. 模擬PID控制器 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常采用如圖所示的單回路PID控制系統(tǒng)。r(t)D(s)被控對(duì)象- -y(t)e(t)u(t)單回路PID控制系統(tǒng) 第12頁(yè)/共95頁(yè)第十三頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。dttdeTdtteTteKtuDtIp)()(1)()(0拉氏變換并整理后可得PID控制器的傳遞函數(shù))11 ()()()(sTsTKsEsUSDDIp其控制規(guī)律為:第13頁(yè)

7、/共95頁(yè)第十四頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 即由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制律，可將模擬PID控制規(guī)律通過(guò)離散化方法獲得數(shù)字PID控制算法。對(duì)應(yīng)的差分方程為：) 1()()()()(0TkekeTieTTkeKkuDkiIp此式稱為位置式PID算式，其控制系統(tǒng)圖如下。第14頁(yè)/共95頁(yè)第十五頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。位置式PID 控制算法程序框圖PIDPI第15頁(yè)/共95頁(yè)第十六頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。由此位置式PID算式可推導(dǎo)出增量式PID算式：)2() 1()() 1() 1(10TkekeTieTTkeKkuDkiIp)2() 1(2)()()1()() 1()()(kekekeK

8、 keKkekeKkukukuDIp其中： 為比例增益， 為積分系數(shù)，TTKKDPD/為微分系數(shù)。pKIPITTKK/第16頁(yè)/共95頁(yè)第十七頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 為了編程方便，可按偏差項(xiàng)合并整理成如下形式： )2() 1()()(210keqkeqkeqku此式稱為增量式數(shù)字PID算式，其中：TTKqTTKqTTTTKqDpDPDIP210),21 (),1 (第17頁(yè)/共95頁(yè)第十八頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。增量式PID 控制算法程序框圖第18頁(yè)/共95頁(yè)第十九頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 采用增量式數(shù)字PID算式計(jì)算得到的是控制量的增量 。 增量型算法具有以下優(yōu)點(diǎn)。 (1) 不

9、需要做累加，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)。計(jì)算精度對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。而位置型算法要用到過(guò)去的偏差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差。 )(ku第19頁(yè)/共95頁(yè)第二十頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 (2) 增量型算法得出的是控制量的增量，例如閥門(mén)控制中，只輸出閥門(mén)開(kāi)度的變化部分，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。而位置型算法是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大。 (3) 采用增量型算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。在手動(dòng)到自動(dòng)切換時(shí)，增量型算法不需要知道切換時(shí)刻前的執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置，只要輸出控制增量就可以做到無(wú)擾切換。而位置型算法實(shí)現(xiàn)無(wú)擾手動(dòng)到自動(dòng)

10、切換，必須知道切換時(shí)刻前的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，無(wú)疑增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。第20頁(yè)/共95頁(yè)第二十一頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 鑒于增量型算法的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)位置型算式做下面改進(jìn)： )2() 1()() 1()2() 1(2)()()1()() 1()() 1()(210keqkeqkeqku kekekeKkeK kekeKku kukukuDIp 這是位置型PID控制算式的遞推算法，它克服了計(jì)算偏差累計(jì)和的弊端, 成為實(shí)用的位置式PID控制算式。第21頁(yè)/共95頁(yè)第二十二頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。下圖為51單片機(jī)PID增量型控制算法的流程圖，算法以子程序調(diào)用的形式出現(xiàn)。q0、q1、q2提前算好，e

11、(k-1)和e(k-2)在程序初始化階段置零。第22頁(yè)/共95頁(yè)第二十三頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 程序的入口參數(shù)： 給定值r 測(cè)量值y 偏差e(k)、e(k-1)、e(k-2) 這5個(gè)參數(shù)均為3字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)，低字節(jié)存放浮點(diǎn)數(shù)的階碼和符號(hào)，其中符號(hào)存放在最高位，階碼以補(bǔ)碼的形式存放在低7位中。尾數(shù)以原碼的形式存放在另兩個(gè)字節(jié)中。 程序見(jiàn)下頁(yè)：第23頁(yè)/共95頁(yè)第二十四頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。PID： MOV R0,#62H MOV R1，#59H LCALL SUBF ；計(jì)算e(k) MOV R1，#56H LCALL SAVE ；調(diào)用SAVE子程序， 入 56H58H MOV R1，#

12、5CH MOV R2，#06H LCALL LOAD ；調(diào)用LOAD子程序， 取出q0值存入5CH5EH MOV R0，#56H MOV R1，#5CH 第24頁(yè)/共95頁(yè)第二十五頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 LCALL MULF ；計(jì)算q0e(k) MOV Rl，#5CH LCALL SAVE ；存入5CH5EH MOV R1，#5FH MOV R2，#09H LCALL LOAD ；調(diào)用LOAD子程序，取 出q1值存入5FH61H MOV R0，#53H MOV R1，#5FH LCALL MULF ；計(jì)算q1e(k-l) MOV R1，#5FH LCALL SAVE ；存入5FH61H

13、第25頁(yè)/共95頁(yè)第二十六頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 MOV R0，#5CH MOV Rl，#5FH LCALL ADDF ；計(jì)算q0e(k)+q1e(k-1) MOV R1，#5CH LCALL SAVE ；存入5CH5EH MOV R1，#5FH MOV R2，#0CH LCALL LOAD ；調(diào)用LOAD子程序，取出q2 值存入5FH61H MOV R0，#50H MOV R1，#5FH LCALL MULF ；計(jì)算q2e(K-2) MOV R1，#5FH LCALL SAVE ；存入5FH61H 第26頁(yè)/共95頁(yè)第二十七頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 MOV R1，#5FH MOV

14、R0，#5CH LCALL ADDF ；計(jì)算u(k) MOV R1，#5CH LCALL SAVE ；存入5CH5EH MOV 50H，53H ；更新e(k-2) MOV 51H，54H MOV 52H，55H MOV 53H，56H ；更新e(k-l) MOV 54H，57H MOV 55H，58H RET第27頁(yè)/共95頁(yè)第二十八頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 3. 數(shù)字PID算法實(shí)施時(shí)的問(wèn)題 （1）算法編程 確定選擇定點(diǎn)運(yùn)算還是浮點(diǎn)運(yùn)算，采用PC工控機(jī)時(shí)，大多用浮點(diǎn)運(yùn)算，運(yùn)算精度高。應(yīng)用單片機(jī)作為數(shù)字控制器，通常采用定點(diǎn)運(yùn)算，特點(diǎn)是運(yùn)算速度快 。 （2）輸出限幅 執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有極限位置，與控

15、制器對(duì)應(yīng)有最大控制量和最小控制量。 第28頁(yè)/共95頁(yè)第二十九頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。（3）積累整量化誤差 增量型PID運(yùn)算中，積分項(xiàng)是用計(jì)算的。定點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，如果采樣周期T較小，而積分時(shí)間TI又較大時(shí)， 會(huì)認(rèn)為uI 為0，從而產(chǎn)生積分整量化誤差，實(shí)際上等于無(wú)積分作用。解決辦法是當(dāng)積分項(xiàng)很小時(shí)，不把它舍棄，而是將其累加起來(lái) ，再參與運(yùn)算。)()(keTTKkeKIuIpI返回本節(jié)第29頁(yè)/共95頁(yè)第三十頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。四、數(shù)字PID控制器的改進(jìn) 數(shù)字PID控制器，實(shí)際上是用軟件算法去模仿模擬控制器，其控制效果一般不會(huì)比模擬控制器更好。因此，必須對(duì)數(shù)字PID控制器作些改進(jìn)，才能發(fā)揮

16、計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度快、邏輯判斷功能強(qiáng)、編程靈活等優(yōu)勢(shì)。 第30頁(yè)/共95頁(yè)第三十一頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 （1）積分分離法 在一般的PID控制中，當(dāng)系統(tǒng)受到較大的擾動(dòng)或給定值大幅度改變時(shí)，由于此時(shí)出現(xiàn)較大的偏差。結(jié)合系統(tǒng)固有的慣性和滯后，在積分項(xiàng)的作用下，控制器的積分項(xiàng)出現(xiàn)很大的累計(jì)值，往往使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。為此，可采用積分分離措施，即偏差e(k)較大時(shí)，取消積分作用；當(dāng)偏差e(k)較小時(shí)才將積分作用投入。第31頁(yè)/共95頁(yè)第三十二頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 在階躍給定時(shí)，沒(méi)經(jīng)過(guò)積分分離的曲線a出現(xiàn)了比較大的超調(diào)量。而曲線b的超調(diào)量很小，因?yàn)閠時(shí)，工作在積分分離區(qū)，

17、積分不累計(jì)。積分分離閾值應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象及控制要求確定。 r積分分離算法示意圖 第32頁(yè)/共95頁(yè)第三十三頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。（2）抗積分飽和法 一般執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩個(gè)極限位置：最大和最小，例如調(diào)節(jié)閥全開(kāi)或全關(guān)。如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已到極限位置，由于積分作用，計(jì)算PID差分方程所得的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)此時(shí)已無(wú)相應(yīng)的動(dòng)作，稱該現(xiàn)象為積分飽和現(xiàn)象。 防止積分飽和的辦法有多種。最簡(jiǎn)單的是遇限停止積分法。一旦控制量進(jìn)入飽和區(qū)，將控制量u(k)限幅，同時(shí)把積分作用切除掉。即：第33頁(yè)/共95頁(yè)第三十四頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。，停止積分，停止積分minminmaxmax)(,)(,)(Uku

18、UUkuUku 克服積分飽和還可以用遇限削弱積分法、變速積分法等 。第34頁(yè)/共95頁(yè)第三十五頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 （1）不完全微分PID控制算法 標(biāo)準(zhǔn)PID控制中微分作用，雖能減小系統(tǒng)超調(diào)和縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，但對(duì)高頻擾動(dòng)響應(yīng)過(guò)于靈敏，容易引起控制過(guò)程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)。 尤其是計(jì)算機(jī)對(duì)每個(gè)控制回路輸出時(shí)間是短暫的，而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作又需要一定時(shí)間，如果輸出較大，在短暫時(shí)間內(nèi)執(zhí)行器達(dá)不到應(yīng)有的相應(yīng)開(kāi)度，會(huì)使輸出失真。第35頁(yè)/共95頁(yè)第三十六頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 為了克服這一缺點(diǎn)，同時(shí)又要使微分作用有效，可以在PID控制輸出端串聯(lián)一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，這就形成了不完全微分PID控制器，如下圖

19、所示。PIDDf(s)e(t)u(t)u(t)11)()()(sTsUsUsDff第36頁(yè)/共95頁(yè)第三十七頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。對(duì)應(yīng)的微分方程是 )()()(tutudttduTf已知模擬PID控制器輸出為 dttdeTdtteTteKtutDIP)()(1)()(0代入上式右端得dttdeTdtteTteKtudttduTtDIPf)()(1)()()(0離散化后可得不完全微分PID位置型控制算式)()1 () 1()(kuku ku第37頁(yè)/共95頁(yè)第三十八頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。不完全微分PID控制器也有增量型控制算式 ，即kiDIPTkekeTieTTkeKku0) 1()

20、()()()(TTTff)()1 () 1()(kukuku式中 )2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkuDIPIPITTKK稱為積分系數(shù) TTKKDPD稱為微分系數(shù) 第38頁(yè)/共95頁(yè)第三十九頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 標(biāo)準(zhǔn)PID控制算式中的微分作用只在第一個(gè)采樣周期內(nèi)起作用，而且作用很強(qiáng)。而不完全微分PID控制算式的輸出在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍有微分輸出，且第一次輸出也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)PID控制強(qiáng)，因此可獲得比較柔和的微分控制，帶來(lái)較好的控制效果。 第39頁(yè)/共95頁(yè)第四十頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 當(dāng)系統(tǒng)輸入給定值作階躍升降時(shí)，會(huì)引起偏差突變。微分控制對(duì)偏差突變的反應(yīng)是

21、使控制量大幅度變化，給控制系統(tǒng)帶來(lái)沖擊，如超調(diào)量過(guò)大，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作劇烈，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。采用微分先行PID控制可避免給定值升降時(shí)系統(tǒng)受到?jīng)_擊。微分先行PID控制和標(biāo)準(zhǔn)PID控制的不同之處在于，它只對(duì)被控量y(t)微分，不對(duì)偏差e(t)微分，也就是說(shuō)對(duì)給定值r(t)無(wú)微分作用。該算法對(duì)給定值頻繁升降的系統(tǒng)無(wú)疑是有效的。 第40頁(yè)/共95頁(yè)第四十一頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。微分先行PID控制器結(jié)構(gòu)圖 微分先行PID控制器的增量型控制算式為：)1()()2() 1(2)()()1()()(kykyTTK kykykyTTKkeTTK kekeKkuIDPDPIPP第41頁(yè)/共95頁(yè)第四十二

22、頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)于頻繁，引起過(guò)度磨損、疲勞以致影響使用壽命，在允許一定的穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，可采用所謂帶有死區(qū)的PID控制系統(tǒng)，如圖所示。 yy)()()(0)()()(),()(kekykrkekykrkekP當(dāng)，當(dāng)返回本節(jié)第42頁(yè)/共95頁(yè)第四十三頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。1. 采樣周期的選擇 理論上離散系統(tǒng)都有一個(gè)臨界穩(wěn)定的采樣周期Tw，要使系統(tǒng)穩(wěn)定，采樣周期T必須小于Tw，實(shí)際中還應(yīng)考慮：（1）給定值的變化頻率 給定值變化頻率越高，采樣頻率也應(yīng)越高。這樣給定值的改變可以迅速通過(guò)采樣得到反映。（2）被控對(duì)象的特性 若被控對(duì)象是慢速

23、的熱工或化工對(duì)象時(shí)，采樣周期一般取得較大；若被控對(duì)象是較快速的系統(tǒng)時(shí)，如機(jī)電系統(tǒng)，采樣周期應(yīng)取得較小。第43頁(yè)/共95頁(yè)第四十四頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型 若執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作慣性大，采樣周期也應(yīng)大一些，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。（4）控制算法的類型 采用PID算法時(shí)，采樣周期T太小，微分積分作用不明顯。T小到一定程度后，偏差e(k)會(huì)始終為零。（5）控制的回路數(shù) 控制的回路數(shù)越多，采樣周期T應(yīng)越大第44頁(yè)/共95頁(yè)第四十五頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。被調(diào)量采樣周期T/s備注被調(diào)量采樣周期T/s備注流量15優(yōu)先選用（12s）溫度1520取純滯后時(shí)間常數(shù)壓力3

24、10優(yōu)先選用（68s）成分1520 液位68 優(yōu)先選用7s優(yōu)先選18s第45頁(yè)/共95頁(yè)第四十六頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。（1）各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 增大比例系數(shù)KP， 一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差。但過(guò)大的KP會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。 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，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。 增大微分時(shí)間TD, 有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。 第46頁(yè)/共95頁(yè)第四十七頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，簡(jiǎn)單易行的參數(shù)整定方法是簡(jiǎn)易工程法。優(yōu)點(diǎn)是

25、：整定參數(shù)時(shí)不必依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。雖然粗糙一點(diǎn)，但能滿足工程需要就行，適于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。（2）擴(kuò)充臨界比例度法 擴(kuò)充臨界比例度法是基于模擬PID控制器的臨界比例度法的擴(kuò)充。整定數(shù)字控制器參數(shù)的步驟如下。 a. 選擇一個(gè)足夠短的采樣周期，具體地說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的十分之一以下。 第47頁(yè)/共95頁(yè)第四十八頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 b. 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作, 去掉積分作用（TI取很大的數(shù)）和微分作用（TD=0），僅保留比例作用。然后逐漸減小比例度( )，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度 及系統(tǒng)的臨界振蕩周期TK。 c. 選擇控制度Q，控制度是

26、以模擬控制器為基準(zhǔn)，將數(shù)字控制器的控制效果與模擬控制器的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u(píng)價(jià)函數(shù)通常用偏差平方積分表示。 KPK/1第48頁(yè)/共95頁(yè)第四十九頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 實(shí)際應(yīng)用中并不需要計(jì)算出兩個(gè)誤差平方積分，控制度是僅表示控制效果的物理概念。例如，當(dāng)控制度為 1.05時(shí)，就是指數(shù)字控制與模擬控制效果相當(dāng)；控制度為2.0時(shí)，是指數(shù)字控制比模擬控制效果差。 模擬控制數(shù)字控制控制度0202)()(dttedtteQ第49頁(yè)/共95頁(yè)第五十頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 d. 根據(jù)選定的控制度，查表5-2，求得T、Kp、TI、TD的值。 e. 在PID控制器中設(shè)定所得參數(shù)，將系統(tǒng)投入運(yùn)行

27、并觀察控制效果。根據(jù)效果可適當(dāng)微調(diào)參數(shù)，以獲得滿意的控制效果。 注意：擴(kuò)充臨界比例度法應(yīng)用時(shí)會(huì)使被控對(duì)象輸出產(chǎn)生振蕩，在被控對(duì)象不允許出現(xiàn)振蕩時(shí)，則不能使用該整定法。 第50頁(yè)/共95頁(yè)第五十一頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。表5-2擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)表 第51頁(yè)/共95頁(yè)第五十二頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 這是工程中的另一種整定法，整定Kp，TI, TD和T的步驟如下。a. 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，手動(dòng)突加階躍信號(hào)。b. 用記錄儀表記錄對(duì)象階躍輸入下的輸出飛升曲線c. 在曲線最大斜率處作切線，按圖示求得滯后時(shí)間被控對(duì)象時(shí)間常數(shù) ，以及它們的比值 ，查表5-3可得：Kp，TI, TD及采

28、樣周期T。 T/T第52頁(yè)/共95頁(yè)第五十三頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 d. 在 PID 控制器中設(shè)定所得參數(shù)，系統(tǒng)投入運(yùn)行并觀察控制效果。 微調(diào)參數(shù)，以獲得滿意的控制效果。 第53頁(yè)/共95頁(yè)第五十四頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。第54頁(yè)/共95頁(yè)第五十五頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。已知增量型PID控制的公式為 )2() 1(2)()()1()()(kekekeTT keTTkekeKkuDIp 如令k, TIk, TDk。 式中Tk為純比例作用下的臨界振蕩周期。則 )2(25. 1) 1(5 . 3)(45. 2)(kekekeKkup第55頁(yè)/共95頁(yè)第五十六頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。

29、 這樣，整個(gè)問(wèn)題便簡(jiǎn)化為只要整定一個(gè)參數(shù)KP。改變KP，觀察控制效果，直到滿意為止。該法為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的自整定PID控制帶來(lái)方便。第56頁(yè)/共95頁(yè)第五十七頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 試湊法是通過(guò)仿真或?qū)嶋H運(yùn)行觀察系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)，根據(jù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試控制器參數(shù)，直到滿足要求。 在試湊時(shí)，可參考以上影響趨勢(shì)，按先比例，后積分，再微分的整定步驟。 整定步驟： a. 先整定比例部分(TI=,TD=0) 將KP由小變大，觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，比例系數(shù)可由此確定。 第57頁(yè)/共9

30、5頁(yè)第五十八頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 b. 加入積分控制 對(duì)靜差不滿意，可加積分控制。先置TI為一較大值，并將得到的KP略為縮小一些(如縮小為原值的0.8倍)，然后逐步減小TI，使系統(tǒng)有良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可能要反復(fù)改變KP與TI，以期得到滿意的效果。 c. 加入微分控制 若用PI控制器消除了靜差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分控制，構(gòu)成PID控制器。在整定時(shí)，先置TD為零。逐步增大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變KP和TI，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。返回本章首頁(yè)第58頁(yè)/共95頁(yè)第五十九頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 串級(jí)控制是在單回路PID控

31、制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)。當(dāng)PID控制應(yīng)用于單回路控制一個(gè)被控量時(shí)，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制參數(shù)易于整定。但是當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)有多個(gè)因素控制被控量時(shí)，如果只控制其中一個(gè)因素，很難滿足系統(tǒng)的控制性能。這時(shí)采用串級(jí)控制技術(shù)，在原控制回路中，增加一個(gè)或幾個(gè)控制回路，可以提高系統(tǒng)的控制性能。第59頁(yè)/共95頁(yè)第六十頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 如圖為爐溫控制系統(tǒng)原理圖。其中主回路為爐溫控制，副回路為煤氣流量控制。D1(s)為主控制器， D2(s)為副控制器，副對(duì)象為閥門(mén)，主對(duì)象為加熱爐。爐溫串級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖爐溫串級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖 第60頁(yè)/共95頁(yè)第六十一頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 不管串級(jí)控制有多少級(jí)，計(jì)

32、算的順序總是從最外面的回路向內(nèi)進(jìn)行 。 下圖為爐溫計(jì)算機(jī)串級(jí)控制系統(tǒng)圖，其中下圖為爐溫計(jì)算機(jī)串級(jí)控制系統(tǒng)圖，其中H(S)為零為零階保持器，階保持器，T為采樣周期，為采樣周期， D1(z) 、D2(z) 通常是通常是PID控制器?？刂破?。爐溫計(jì)算機(jī)串級(jí)控制系統(tǒng)爐溫計(jì)算機(jī)串級(jí)控制系統(tǒng) 第61頁(yè)/共95頁(yè)第六十二頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 爐溫控制系統(tǒng)的計(jì)算順序?yàn)椋海?）計(jì)算主回路的偏差e1(k)；（2）計(jì)算主回路控制器D1(Z)的輸出u1(k)；（3）計(jì)算副回路的偏差e2(k)；（4）計(jì)算副回路控制器D2(Z)的輸出u2(k)；（5）計(jì)算副回路的輸出y2(t)；（6）計(jì)算主回路的輸出y1(t)。

33、第62頁(yè)/共95頁(yè)第六十三頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 為了防止主控制器的輸出過(guò)大而引起的副回路的不穩(wěn)定，同時(shí)也為了克服副對(duì)象慣性過(guò)大而引起的品質(zhì)惡化，在副回路的反饋通道中加入微分控制，稱為副回路微分先行串級(jí)控制。如圖所示。副回路微分先行串級(jí)控制系統(tǒng)副回路微分先行串級(jí)控制系統(tǒng)第63頁(yè)/共95頁(yè)第六十四頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。副回路微分先行串級(jí)控制的計(jì)算順序?yàn)椋海?）計(jì)算主回路的偏差e1(k)；（2）計(jì)算主回路控制器D1(Z)的輸出u1(k)；（3）計(jì)算微分先行部分的輸出y2d(k)；（4）計(jì)算副回路的偏差e2(k)；（5）計(jì)算副回路控制器D2(Z)的輸出u2(k)；（6）計(jì)算副回路的輸出y

34、2(t)；（7）計(jì)算主回路的輸出y1(t)。返回本章首頁(yè)第64頁(yè)/共95頁(yè)第六十五頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 反饋控制是在擾動(dòng)的作用下，對(duì)設(shè)定值與實(shí)際值的偏差進(jìn)行控制，以抵消干擾的影響。如果干擾不斷增加，則系統(tǒng)總是跟在干擾作用之后波動(dòng)。前饋控制是按擾動(dòng)量進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，前饋控制就按擾動(dòng)量直接產(chǎn)生校正作用，以抵消擾動(dòng)的影響。 前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制形式，因此，很少只采用前饋控制，而常常前饋-反饋控制。第65頁(yè)/共95頁(yè)第六十六頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 前饋控制的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。其中Gn(S)為被控對(duì)象擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)， Dn(S)為前饋控制器的傳遞函數(shù)， G(S)被控對(duì)象控

35、制通道的傳遞函數(shù)。前饋控制結(jié)構(gòu)圖前饋控制結(jié)構(gòu)圖 第66頁(yè)/共95頁(yè)第六十七頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 采用前饋與反饋控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮前饋控制對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償作用，又能保留反饋控制對(duì)偏差的控制作用。前饋前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)圖反饋控制結(jié)構(gòu)圖 第67頁(yè)/共95頁(yè)第六十八頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 在實(shí)際應(yīng)用中，還常采用前饋-串級(jí)控制結(jié)構(gòu)如圖所示。前饋前饋-串級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖串級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖 第68頁(yè)/共95頁(yè)第六十九頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 例如鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，如圖所示。鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)示意圖給水流量蒸汽流量給定水位第69頁(yè)/共95頁(yè)第七十頁(yè)，編輯于星期

36、二：一點(diǎn) 分。 采用前饋-串級(jí)反饋控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，以前饋控制蒸汽流量G，以串級(jí)控制的內(nèi)環(huán)控制給水量D，水位H作為系統(tǒng)的最終輸出量。如圖所示。第70頁(yè)/共95頁(yè)第七十一頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 計(jì)算機(jī)前饋-反饋控制系統(tǒng)方框圖如圖所示。計(jì)算機(jī)前饋計(jì)算機(jī)前饋-反饋控制系統(tǒng)方框圖反饋控制系統(tǒng)方框圖第71頁(yè)/共95頁(yè)第七十二頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。計(jì)算機(jī)前饋-反饋控制的計(jì)算順序?yàn)椋海?）計(jì)算反饋控制偏差e(k)；（2）計(jì)算反饋控制器D(z) （PID）的輸出u1(k)；（3）計(jì)算前饋調(diào)節(jié)器Dn(Z)的輸出un(k)；（4）計(jì)算前饋-反饋調(diào)節(jié)器的輸出u2(k)。返回本章首頁(yè)第72

37、頁(yè)/共95頁(yè)第七十三頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 順序控制是生產(chǎn)過(guò)程中常用的一種控制技術(shù)，它按照預(yù)先確定好的程序及時(shí)間控制某一過(guò)程從一個(gè)工序向下一個(gè)工序依次執(zhí)行。 順序控制是生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)則，通過(guò)事先編好的程序，在輸入信號(hào)的作用下，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照預(yù)定程序動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)以開(kāi)關(guān)為主的自動(dòng)控制。一、順序控制概述一、順序控制概述 第73頁(yè)/共95頁(yè)第七十四頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 一般來(lái)說(shuō)，為實(shí)現(xiàn)一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程而對(duì)出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)量按時(shí)間或條件進(jìn)行操作都屬于順序控制。如繼電器的接通與斷開(kāi)、電磁閥的開(kāi)閉、電動(dòng)機(jī)的啟停、定時(shí)器預(yù)定時(shí)間是否到達(dá)、計(jì)數(shù)器預(yù)定計(jì)數(shù)值是否計(jì)滿等。 按照順

38、序控制輸入元器件及邏輯控制器件的特點(diǎn)可將順序控制器分為繼電器控制裝置、半導(dǎo)體邏輯控制裝置、可編程控制器三大類型。第74頁(yè)/共95頁(yè)第七十五頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 繼電器控制裝置是根據(jù)控制對(duì)象的特點(diǎn)及工藝要求，先算出輸出與輸入條件的邏輯關(guān)系式，再按照該邏輯關(guān)系式把一定數(shù)量的繼電器、接觸器、開(kāi)關(guān)及其他電器的相關(guān)觸點(diǎn)用導(dǎo)線連接成相應(yīng)的控制電路，從而達(dá)到自動(dòng)順序控制的目的。 繼電器控制裝置主要適用于簡(jiǎn)單的機(jī)床電器控制、化工、包裝等控制邏輯不太復(fù)雜、工作電流較大的領(lǐng)域。第75頁(yè)/共95頁(yè)第七十六頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 將半導(dǎo)體邏輯器件按一定的邏輯運(yùn)算關(guān)系在印制電路板上連接成順序控制系統(tǒng)，即稱為半導(dǎo)體邏輯控制裝置。 半導(dǎo)體邏輯控制裝置可以構(gòu)成邏輯功能極強(qiáng)、控制方式和種類非常豐富的系統(tǒng)，也是現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域常用的控制方法之一。但該類控制裝置往往專門(mén)為某一控制對(duì)象而研發(fā)，一旦控制對(duì)象或生產(chǎn)流程改變，需要對(duì)系統(tǒng)電路板進(jìn)行更改。第76頁(yè)/共95頁(yè)第七十七頁(yè)，編輯于星期二：一點(diǎn) 分。 可編程控制器把CPU、I/O、程序存儲(chǔ)器、數(shù)字存儲(chǔ)器等元件集成在同一個(gè)控制器中，強(qiáng)化了I/O口的數(shù)量、種類及功能，使控制器不需擴(kuò)展就具有帶多種負(fù)載的能力，有的控制器內(nèi)還集成了光耦、電子看門(mén)狗等抗干擾電路，提高了抗干擾能力。應(yīng)用時(shí)，操作人員只要將程序指令存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中，控制器便能根據(jù)程序的設(shè)置和