DCS基礎(chǔ)學(xué)習(xí)課程課件（二）12

§4集散控制系統(tǒng)的控制算法

1控制作用：

比例控制：比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分控制：積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。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。

微分控制：微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)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。

應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)KP，積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD，使整個(gè)控制系統(tǒng)得到良好的性能。

為了求和，必須將系統(tǒng)的偏差的全部過去值都儲(chǔ)存起來，這種算法得出的全量U(K)是控制量的絕對(duì)值。在控制系統(tǒng)中，這種控制量確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，是一一對(duì)應(yīng)的。缺點(diǎn)是每時(shí)刻計(jì)算機(jī)都要重復(fù)計(jì)算閥位的位置，必須把偏差的全部過去數(shù)據(jù)都積累起來，容易產(chǎn)生積分飽和.1

3、速度算法它是增量算法除以采樣周期，是增量算法的變形，沒有累加和項(xiàng)，不會(huì)出現(xiàn)積分飽和，避免了大的超調(diào)和震蕩

三種算法的選擇：一是要考慮執(zhí)行器的形式，另一方面要分析應(yīng)用時(shí)的方便性1、從執(zhí)行器看：位置算法的輸出除用數(shù)字式控制閥可直接連接外，一般須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為模擬量，還要有保持電路。而增量算法可通過步進(jìn)電機(jī)等累積機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為模擬量。速度算法的輸出采用積分式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2、從應(yīng)用方面看：增量和速度手自動(dòng)切換較方便；不產(chǎn)生積分飽和。位置算法正好相反。三、參數(shù)整定1、實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分。

（1）整定比例控制

預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期TS。一般說TS應(yīng)小于受控對(duì)象純延遲時(shí)間的十分之一。用選定的TS使系統(tǒng)工作。這時(shí)去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行。逐漸加大比例放大系數(shù)KP，即將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線，即系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍信號(hào)的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣）。（2）整定積分環(huán)節(jié)

若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)

若經(jīng)過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。

先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。參數(shù)整定法：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查

先是比例后積分，最后再把微分加

曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大

曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳

曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降

曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來

動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)

理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1

一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低

(4)離散散PID控制制算算法法的的優(yōu)優(yōu)缺缺點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：：離離散散PID的P、、I、、D三個(gè)個(gè)作作用用是是獨(dú)獨(dú)立立的的，，可可以以分分別別整整定定，，計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)實(shí)實(shí)施施時(shí)時(shí)，，等等效效的的TiTd可以以在在更更大大范范圍圍內(nèi)內(nèi)自自由由選選擇擇；；積積分分微微分分作作用用的的某某些些改改進(jìn)進(jìn)更更為為靈靈活活多多變變。。缺點(diǎn)點(diǎn)：：如如果果采采用用等等效效的的PID參數(shù)數(shù)，，離離散散PID控制制往往往往差差于于連連續(xù)續(xù)的的控控制制，，滯滯后后1/2Ts（（畫圖圖展展示示））四、、控控制制度度和和采采樣樣周周期期1、、采采樣樣周周期期：：采樣樣一一數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，設(shè)設(shè)采采樣樣周周期期為為TS，采樣樣速速率率為為ws=2π/TS，采樣樣角角頻頻率率為為采采樣樣周周期期TS是設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)者者要要精精心心選選擇擇的的重重要要參參數(shù)數(shù)，，系系統(tǒng)統(tǒng)的的性性能能與與采采樣樣周周期期的的選選擇擇有有密密切切關(guān)關(guān)系系考慮慮因因素素：：采樣樣周周期期的的選選擇擇受受多多方方面面因因素素的的影影響響,主主要要考考慮慮的的因因素素分分析析如如下下。。（1））香香農(nóng)農(nóng)（（Shannon））采樣樣定定理理Ts≤π/ωωmax（ωmax--被采采樣樣信信號(hào)號(hào)的的上上限限角角頻頻率率））給出出了了采采樣樣周周期期的的上上限限。。滿滿足足這這一一定定理理，，采采樣樣信信號(hào)號(hào)方方可可恢恢復(fù)復(fù)或或近近似似地地恢恢復(fù)為為原原模模擬擬信信號(hào)號(hào)，，而而不不丟丟失失主主要要信信息息。。在在這這個(gè)個(gè)限限制制范范圍圍內(nèi)內(nèi)，，采采樣樣周周期期越越小小，，采采樣樣-數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的性性能能越越接接近近于于連連續(xù)續(xù)-時(shí)時(shí)間間控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)。。（2））閉閉環(huán)環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)對(duì)對(duì)給給定定信信號(hào)號(hào)的的跟跟蹤蹤，，要要求求采采樣樣周周期期要要小小。。（3））從從抑抑制制擾擾動(dòng)動(dòng)的的要要求求來來說說，，采采樣樣周周期期應(yīng)應(yīng)該該選選擇擇得得小小些些。。（4））從從執(zhí)執(zhí)行行元元件件的的要要求求來來看看，，有有時(shí)時(shí)要要求求輸輸入入控控制制信信號(hào)號(hào)要要保保持持一一定定的的寬寬度度。。（5））從從計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)精精度度考考慮慮，，采采樣樣周周期期不不宜宜過過短短。。（6））從從系系統(tǒng)統(tǒng)成成本本上上考考慮慮，，希希望望采采樣樣周周期期越越長(zhǎng)長(zhǎng)越越好好綜合上述各因因素，選擇采采樣周期，應(yīng)應(yīng)在滿足控制制系統(tǒng)的性能能要求的條件件下，盡可可能地選擇低低的采樣速率率。2、選擇控制度?？刂贫?，就是是以連續(xù)-時(shí)時(shí)間PID控制器為基準(zhǔn)準(zhǔn)，將數(shù)字PID控制效果通與與之相比較，，常采用誤差差平方積分作為控制效果果的評(píng)價(jià)函數(shù)數(shù)?？刂贫?/p>

=（3-25））采樣周期TS的長(zhǎng)短會(huì)影響響采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)統(tǒng)的品質(zhì)，同樣樣是最佳整定定，采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)統(tǒng)的控制品質(zhì)質(zhì)要低于連續(xù)續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)統(tǒng)。因而，控制度總是大于1的，而且控制制度越大，相相應(yīng)的采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)統(tǒng)的品質(zhì)越差差?？刂贫鹊牡倪x擇要從所所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)統(tǒng)的控制品質(zhì)質(zhì)要求出發(fā).二、理想PID控制算法的改改進(jìn)1、積分算法法的改進(jìn)A、圓整誤差法B、積分分離積分分離法是是在誤差量較較大時(shí)，不進(jìn)進(jìn)行積分，直直至誤差達(dá)到到一定值之后后，才在控制量的的計(jì)算中加入入積分累積。。PI控制過程圖例例2、微分算法的改改進(jìn)①微分先行②不完全微分分③四四點(diǎn)點(diǎn)中中值值差差分分（（