過(guò)程控制儀表第5章數(shù)字調(diào)節(jié)器課件

5.1數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成

模擬式調(diào)節(jié)器的局限性越來(lái)越明顯：1）功能單一，靈活性差；2）信息分散，所用儀表多，且監(jiān)視操作不方便；3）接線過(guò)多，系統(tǒng)維護(hù)難度大。

數(shù)字式控制器的硬件電路由主機(jī)電路、過(guò)程輸入通道、過(guò)程輸出通道、人/機(jī)接口電路以及通信接口電路等構(gòu)成。

1.數(shù)字式控制器的硬件電路

5.1數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成模擬式調(diào)節(jié)器的局限性越來(lái)越1數(shù)字式控制器的硬件電路數(shù)字式控制器的硬件電路2（1）主機(jī)電路主要由微處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM和EPROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器CTC以及輸入/輸出接口等組成，它是數(shù)字控制器的核心，用于數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和各組成部分的管理。（2）過(guò)程輸入通道包括模擬量輸入通道和開(kāi)關(guān)量輸入通道兩部分，其中模擬量輸入通道主要由多路模擬開(kāi)關(guān)、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將模擬量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量；而開(kāi)關(guān)量輸入通道則將多個(gè)開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)通過(guò)輸入緩沖器將其轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

（3）過(guò)程輸出通道主要包括模擬量輸出通道和開(kāi)關(guān)量輸出通道兩部分，其中模擬量輸出通道由D/A轉(zhuǎn)換器、多路模擬開(kāi)關(guān)輸出保持器和V/I轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為1～5V模擬電壓或4～20mA模擬電流信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸出通道則通過(guò)輸出緩沖器輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，以便控制繼電器觸點(diǎn)或無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。

（1）主機(jī)電路主要由微處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM和3（4）人/機(jī)聯(lián)系部件主要包括顯示儀表或顯示器、手動(dòng)操作裝置等，它們被分別置于數(shù)字式控制器的正面和側(cè)面。正面的設(shè)置與常規(guī)模擬式控制器相似，有測(cè)量值和設(shè)定值顯示表、輸出電流顯示表、運(yùn)行狀態(tài)切換按鈕、設(shè)定值增/減按鈕、手動(dòng)操作按鈕等。側(cè)面則有設(shè)置和指示各種參數(shù)的鍵盤(pán)、顯示器等。（5）通信部件主要包括通信接口、發(fā)送和接收電路等。通信接口將發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信格式的數(shù)字信號(hào)，由發(fā)送電路送往外部通信線路，再由接收電路接收并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)據(jù)。數(shù)字通信大多采用串行方式。

（4）人/機(jī)聯(lián)系部件主要包括顯示儀表或顯示器、手動(dòng)操作4（1）系統(tǒng)管理軟件主要包括監(jiān)控程序和中斷處理程序兩部分，它們是控制器軟件的主體。監(jiān)控程序又包含系統(tǒng)初始化、鍵盤(pán)和顯示管理、中斷管理、自診斷處理及運(yùn)行狀態(tài)控制等模塊；中斷處理程序則包含鍵處理、定時(shí)處理、輸入處理和運(yùn)算控制、通信處理和掉電處理等模塊。（2）用戶(hù)應(yīng)用軟件用戶(hù)應(yīng)用軟件由用戶(hù)自行編制，采用POL(面向過(guò)程語(yǔ)言)編程，因而設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便。在可編程控制器中，這些應(yīng)用軟件以模塊或指令的形式給出，用戶(hù)只要將這些模塊或指令按一定規(guī)則進(jìn)行連接（亦稱(chēng)組態(tài)）或編程，即可構(gòu)成用戶(hù)所需的各種控制系統(tǒng)。

2.數(shù)字式控制器的軟件

（1）系統(tǒng)管理軟件主要包括監(jiān)控程序和中斷處理程序兩部分565.2模擬量輸入/輸出通道

模擬量輸入通道

1、分類(lèi)：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。65.2模擬量輸入/輸出通道67（1）共用一個(gè)采樣/保持器（S/H）和A/D轉(zhuǎn)換器的高電平模擬量輸入通道（如下圖所示）。7（1）共用一個(gè)采樣/保持器（S/H）和A/D轉(zhuǎn)換器的高電平78（2）各通道分用采樣／保持器，共用A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道（如下圖所示）8（2）各通道分用采樣／保持器，共用A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸89二、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)：

1）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。

3）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。輸出通道根據(jù)所用D/A轉(zhuǎn)換器的情況可有兩種形式。

9二、模擬量輸出通道910①多個(gè)輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。10①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1011②每個(gè)通道各用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。11②每個(gè)通道各用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。1112一、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PID調(diào)節(jié)器

DDZ-Ⅲ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PID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PID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?？刂扑惴ǎ夯綪ID算法改進(jìn)PID算法實(shí)現(xiàn)形式：位置型、增量型、速度型和偏差型

12一、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PID1213二、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)看一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，如下圖所示。13二、數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法1314

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)要求直接求出數(shù)字控制器的離散算法D（Z）。14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1415三、PID控制算式（一）PID控制算式的基本形式數(shù)字調(diào)節(jié)中的PID控制算式是將PID的模擬表達(dá)式進(jìn)行離散化而得到的。PID的模擬表達(dá)式為式中p——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m與給定值r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（也稱(chēng)積分時(shí)間）、預(yù)調(diào)時(shí)間（也稱(chēng)微分時(shí)間）。

15三、PID控制算式（一）PID控制算式的基本形式1516因?yàn)椴蓸又芷赥s相對(duì)于信號(hào)變化周期是很小的，這樣可用矩形法計(jì)算積分，用向后差分代替微分，則上式變成離散PID算式為式中⊿t=Ts——采樣周期；

pn——第n次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出；

en——第n次采樣的偏差值en=r-mn；

n——采樣序號(hào)。

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)。

16因?yàn)椴蓸又芷赥s相對(duì)于信號(hào)變化周期是很1617

由上式同樣可列出第（n—l）次采樣的輸出表達(dá)式

由上面兩式相減，可得PID調(diào)節(jié)器輸出增量的表達(dá)式式中KI——PID控制算式的積分系數(shù)KI＝KPTS/TI；

KD——PID控制算式的微分系數(shù)KD=KPTD/TS。上式運(yùn)算結(jié)果⊿pn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。17式中KI——PID控制算式的積分系數(shù)KI1718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)，pn=∫⊿pi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。18位置式和增量式兩種控制算式在本質(zhì)上并無(wú)多1819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：

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，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)。

2）易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)-自動(dòng)的無(wú)擾切換。19由上述可見(jiàn)，兩種算式在本質(zhì)上是一樣的，但1920（二）PID控制算式的變型

為了改善控制質(zhì)量，針對(duì)不同對(duì)象，PID控制中引入了許多新內(nèi)容，我們僅舉以下幾個(gè)例子。（1）完全微分PID算法位置型：增量型：20（二）PID控制算式的變型（1）完全微分PID算法位置型2021（2）

不完全微分PID算法完全微分PID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)。不完全微分PID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)，如下圖所示。不完全微分PID調(diào)節(jié)器組成原理框圖21（2）不完全微分PID算法完全微分PID算法的缺點(diǎn)：2122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PID位置型算法：不完全微分PID增量型算法：22不完全微分PID算法的輸出在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍2223（3）

抗積分飽和算法(積分分離PID控制)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

，其基本原理是，在偏差ε較小時(shí)加入積分作用；而ε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。

對(duì)于理想PID算法的增量形式：首先判斷偏差ε

的絕對(duì)值︱ε

︱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：

23（3）抗積分飽和算法(積分分離PID控制)2324（4）微分先行PID控制

微分先行PID的結(jié)構(gòu)圖如下。

PD與PI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，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，即可避免給定值擾動(dòng)，這種算式適用于給定值R經(jīng)常變化的情況。24（4）微分先行PID控制2425

（5）帶有死區(qū)的PID控制

帶有死區(qū)的PID算式為:當(dāng)≤B時(shí)，⊿

yn=0

當(dāng)

＞B時(shí)，⊿

yn=⊿pn

當(dāng)偏差絕對(duì)值≤B時(shí)，本次不進(jìn)行計(jì)算和輸出，即本次輸出⊿

yn=0；當(dāng)偏差絕對(duì)值

＞B時(shí)，進(jìn)行PID運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果yn作為本次輸出。（6）

數(shù)字式非線性控制對(duì)于數(shù)字式完全微分PID算法的增量算法：

為邏輯系數(shù)

式中，25（5）帶有死區(qū)的PID控制（6）數(shù)字式非線性控制對(duì)于數(shù)25265.4PID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)。

PID參數(shù)自整定的方法有多種，大致可分為兩大類(lèi)。

1.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性的非線性環(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Ziegler-Nichols規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。另一種是根據(jù)過(guò)程輸出曲線形狀判別來(lái)整定PID參數(shù)。265.4PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器PI2627

2727282．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)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)。282．以對(duì)象數(shù)學(xué)模型辨識(shí)為基礎(chǔ)的自整定方法2829PID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。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。

圖中G（j）為控制對(duì)象，N為具有繼電特性的非線性環(huán)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2，S置于位置1時(shí)為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進(jìn)行PID控制。29PID參數(shù)自整定的方法很多，我們這里僅2930

改進(jìn)型臨界比例度法整定PID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性系統(tǒng)狀態(tài)，產(chǎn)生自激振蕩，求出臨界比例系數(shù)KCP及臨界振蕩周期TCP。

2）按Ziegler－Nichols規(guī)則計(jì)算出PID參數(shù)KP、TI、TD的值。改進(jìn)型臨界比例度自整定方法的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、整定速度快，但為求取KCP及TCP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)進(jìn)行修正。實(shí)時(shí)修正參數(shù)可用迭代法或?qū)＜曳ā?0改進(jìn)型臨界比例度法整定PID參數(shù)的運(yùn)行步3031二．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)初步整定的初始參數(shù)，通過(guò)推導(dǎo)出PID參數(shù)KP、TI、TD的迭代整定算式求出修正參數(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)合起來(lái)進(jìn)行PID參數(shù)自整定。三、專(zhuān)家法PID參數(shù)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)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PID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)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。31二．迭代自整定控制算法3132323233l．知識(shí)庫(kù)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)曲線類(lèi)型由于實(shí)際控制系統(tǒng)多種多樣，因此系統(tǒng)響應(yīng)曲線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)給定值變化和負(fù)荷變化兩種情況，將系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線分為給定值變化時(shí)和負(fù)荷擾動(dòng)下的輸出響應(yīng)曲線如下圖所示。33l．知識(shí)庫(kù)3334

圖中所示波形僅是按照響應(yīng)曲線峰值個(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，又可分為多種子類(lèi)型。由于調(diào)節(jié)器整定參數(shù)時(shí)，是將實(shí)際觀測(cè)的曲線與知識(shí)庫(kù)中的曲線進(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。34圖中所示波形僅是按照響應(yīng)曲線峰值個(gè)數(shù)分類(lèi)3435（2）控制目標(biāo)下表列出幾種控制目標(biāo)類(lèi)型。35（2）控制目標(biāo)下表列出幾種控制目標(biāo)類(lèi)型。3536（3）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。①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。②在P、I、D三個(gè)作用中，P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KP。若最大偏差大，且趨于非周期過(guò)程時(shí)，增加KP。③一般取TI等于二分之一系統(tǒng)振蕩周期，取TD=(1/3～1/4)TI。④輸出響應(yīng)曲線偏離給定值后長(zhǎng)期回不來(lái)，減小TI。若波動(dòng)較大則增大TI。

⑤由于KP

過(guò)小和TI過(guò)大都將引起系統(tǒng)輸出響應(yīng)遲緩，難以穩(wěn)定。但是兩者情況有區(qū)別，前者表現(xiàn)為曲線飄動(dòng)較大，變化無(wú)規(guī)則，后者則會(huì)逐漸接近給定值，據(jù)此可以判斷需增大KP或減小TI

。36（3）整定規(guī)則PID參數(shù)的整定規(guī)則都是經(jīng)驗(yàn)性36372．推理機(jī)構(gòu)在參數(shù)自整定系統(tǒng)中。推理機(jī)構(gòu)的作用是判斷系統(tǒng)輸出響應(yīng)的波形，歸為知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)波形中的一種，并對(duì)其進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)，根據(jù)控制目標(biāo)的要求采取相應(yīng)措施。因此，輸出響應(yīng)曲線的測(cè)試和識(shí)別是十分重要的環(huán)節(jié)。專(zhuān)家自整定調(diào)節(jié)器隨時(shí)觀測(cè)控制系統(tǒng)輸出值及給定值。如有給定值變化、負(fù)荷干擾等因素影響控制偏差變化，而且超過(guò)預(yù)先設(shè)定的噪聲帶時(shí)，調(diào)節(jié)器即進(jìn)行參數(shù)自整定，否則保持原來(lái)的PID參數(shù)值。專(zhuān)家法自整定前，需進(jìn)行以下工作：

l）進(jìn)行PID參數(shù)予整定，確定PID參數(shù)的粗略值作為初值。2）確定噪聲帶Nb：由于過(guò)程含有噪聲，在響應(yīng)曲線測(cè)量時(shí)應(yīng)將其剔出，因此需確定一噪聲帶。在自整定時(shí)，采用了偏差超過(guò)設(shè)定的噪聲帶兩倍時(shí)才啟動(dòng)自整定動(dòng)作的方法來(lái)克服噪聲和干擾。Nb值還可用來(lái)判斷觀測(cè)到的峰值是否真實(shí)，以排除噪聲、干擾引起的假象。372．推理機(jī)構(gòu)37383）確定容許等待時(shí)間TW：自整定調(diào)節(jié)器需根據(jù)控制系統(tǒng)估計(jì)的響應(yīng)時(shí)間作為容許等待時(shí)間。在專(zhuān)家法自整定中，是在容許等待時(shí)間內(nèi)等待下一個(gè)峰值的到來(lái)。TW過(guò)大，會(huì)使曲線識(shí)別時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響控制效果。TW過(guò)短可能會(huì)對(duì)波形判斷失誤。在預(yù)整定后取TW

＝(T+)，T為過(guò)程時(shí)間常數(shù)，為純滯后時(shí)間。4）確定TD/TI比值：一般取TD/TI=(1/3~1/4)。5）確定控制周期TS：TS與控制效果關(guān)系密切，TS過(guò)大導(dǎo)致控制效果變壞甚至失控，但對(duì)純滯后較大的系統(tǒng)，則要求TS取大些，一般取TS

＝(1/5~1/6)

。383）確定容許等待時(shí)間TW：自整定調(diào)節(jié)器需根據(jù)控制系統(tǒng)估計(jì)38

目前廣泛使用的產(chǎn)品有DK系列的KMM數(shù)字調(diào)節(jié)器、YS-80系列的SLPC數(shù)字調(diào)節(jié)器、FC系列的PMK數(shù)字調(diào)節(jié)器以及Micro760/761數(shù)字調(diào)節(jié)器等，由于它們的運(yùn)算與控制功能是靠組態(tài)或編程實(shí)現(xiàn)的，且只控制一個(gè)回路，所以又常將它們稱(chēng)為單回路可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器。以SLPC數(shù)字調(diào)節(jié)器為例。1.SLPC可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成

具有基本的PID、微分先行PID、采樣PI、批量PID、帶可變?yōu)V波器設(shè)定的PID等多種控制功能，還可構(gòu)成串級(jí)、選擇性、非線性等多種復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)，并具有自整定、自診斷、通信等許多特殊功能。5.5常用數(shù)字式PID控制器目前廣泛使用的產(chǎn)品有DK系列的KMM數(shù)字調(diào)節(jié)器39YS100單回路調(diào)節(jié)器

YS100單回路調(diào)節(jié)器40HTBJ-211單回路智能調(diào)節(jié)器

HTBJ-211單回路智能調(diào)節(jié)器41SLPC可編程控制器的硬件電路SLPC可編程控制器的硬件電路42模擬量輸入X1～X5

接受1～5VDC信號(hào)6個(gè)開(kāi)關(guān)量DI/DO可編程接口，通過(guò)高頻變壓器隔離模擬量輸入X1～X56個(gè)開(kāi)關(guān)量DI/DO可編程接口，通43Y1輸出4

～20mADCY2、Y3

輸出1～5VDC，與控制室其它儀表聯(lián)絡(luò)用故障報(bào)警輸出8251可編程通信接口，可與上位機(jī)作雙向串行通信，速率為15.625Kbit/sY1輸出4～20mADCY2、Y3輸出1～5VD44高速8位微處理器8085A，10MHz，可使儀表在0.2s的控制周期內(nèi)最多運(yùn)行240步用戶(hù)程序,可根據(jù)需要，將控制周期加快到0.1s。高速8位微處理器8085A，10MHz，可使儀表在0.2s的45系統(tǒng)ROM：1片27256EPROM，32K，存放系統(tǒng)管理程序及運(yùn)算子程序。用戶(hù)ROM：1片2716EPROM，2K，存放用戶(hù)程序。RAM：2片μPD4464，低功耗CMOS存貯器，8K，存放現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定數(shù)據(jù)及中間計(jì)算結(jié)果。系統(tǒng)ROM：1片27256EPROM，32K，存放系統(tǒng)管理程46儀表正面板：測(cè)量值、設(shè)定值、操作值顯示；自動(dòng)/手動(dòng)/串級(jí)切換開(kāi)關(guān)；數(shù)據(jù)設(shè)定按鈕儀表側(cè)面板：8位16段筆畫(huà)顯示器，顯示各種運(yùn)行參數(shù)；可通過(guò)鍵盤(pán)上16個(gè)調(diào)整健進(jìn)行修改；并有編程器接口。

儀表正面板：測(cè)量值、設(shè)定值、操作值顯示；自動(dòng)/手動(dòng)/串級(jí)切換47各部分電路的具體構(gòu)成及其功能簡(jiǎn)述如下：（1）主機(jī)電路

主機(jī)電路中的CPU采用8085AHC芯片,時(shí)鐘頻率為10MHz；系統(tǒng)ROM為64KB,用于存放監(jiān)控程序和各種功能模塊；用戶(hù)ROM為2KB,用于存放用戶(hù)程序;RAM為16KB。（2）過(guò)程輸入/輸出通道具有如下特點(diǎn)：

1）輸入通道中有5路模擬量輸入和6路開(kāi)關(guān)量輸入。模擬量輸入由RC濾波器、多路開(kāi)關(guān)、PC648D型高速12位D/A轉(zhuǎn)換器和比較器等組成，通過(guò)CPU反饋編碼，實(shí)現(xiàn)比較型模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

2）輸出通道中有3路模擬量輸出和6路開(kāi)關(guān)量輸出。模擬量輸出中有1路輸出為4～20mA.DC直流電流，可驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器；另兩路輸出為1～5V.DC直流電壓，提供給控制室的其它模擬儀表。

3）用一片PC648D型12位高速D/A芯片，將CPU輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，在CPU的程序支持下，通過(guò)比較器將模擬量輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出；開(kāi)關(guān)量輸入與開(kāi)關(guān)量輸出共用同一通道，其選擇由使用者用程序確定；所有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道與內(nèi)部電路之間均用高頻變壓器隔離。各部分電路的具體構(gòu)成及其功能簡(jiǎn)述如下：484）在過(guò)程輸入/輸出通道中分別設(shè)計(jì)了“故障/保持/軟手動(dòng)”功能。模擬輸入信號(hào)經(jīng)濾波后分為兩路，一路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入CPU;另一路則送往故障/PV開(kāi)關(guān)。當(dāng)儀表工作不正常時(shí)，由CPU的自檢程序通過(guò)WDT電路發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)將“故障/PV”開(kāi)關(guān)切換到故障位置，直接顯示被控量；與此同時(shí)，故障輸出信號(hào)則將模擬量輸出中的輸出電流切換成保持狀態(tài)，以便進(jìn)行軟手動(dòng)操作。（3）人/機(jī)聯(lián)系部件

SLPC的人/機(jī)聯(lián)系部件的正面面板與模擬式調(diào)節(jié)器類(lèi)似，其不同之處是測(cè)量值與給定值顯示器有模擬動(dòng)圈式和數(shù)字式兩種；此外，還設(shè)置了給定值增/減按鍵、串級(jí)/自動(dòng)/軟手動(dòng)切換/操作按鍵、故障顯示和報(bào)警顯示燈等。它的側(cè)面面板設(shè)置有觸模式鍵盤(pán)和數(shù)字顯示器、正/反作用開(kāi)關(guān)以及編程器和寫(xiě)入程序的芯片插座等，可以很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)修改、參數(shù)整定等操作。（4）通信接口電路

SLPC的通信接口電路由8251型可編程通信接口芯片和光電隔離電路組成。該電路采用半雙工、串行異步通信方式，一方面將發(fā)送信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信格式的數(shù)字信號(hào)，另一方面則將外部通信信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能接受的數(shù)據(jù).

4）在過(guò)程輸入/輸出通道中分別設(shè)計(jì)了“故障/保持49為便于用戶(hù)編程，SLPC為用戶(hù)提供的是采用面向問(wèn)題、面向過(guò)程的“自然語(yǔ)言”編程平臺(tái)。生產(chǎn)商預(yù)先將常用的運(yùn)算控制功能編制成標(biāo)準(zhǔn)程序模塊，以指令命名。使用時(shí)將所需運(yùn)算模塊和控制模塊“組態(tài)”，實(shí)現(xiàn)控制功能。SLPC的用戶(hù)基本指令共46種，分三類(lèi)：數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)指令兩種：LD，ST結(jié)束指令：END功能指令：43種2.SLPC可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件

為便于用戶(hù)編程，SLPC為用戶(hù)提供的是采用面向問(wèn)題、面向過(guò)程501)基本運(yùn)算模塊11個(gè)有＋－×÷運(yùn)算；√、√E運(yùn)算（小信號(hào)切除點(diǎn)固定的開(kāi)方、小信號(hào)切除點(diǎn)可變的開(kāi)方）；取絕對(duì)值運(yùn)算；高選、低選；高、低限幅。2)函數(shù)運(yùn)算模塊13個(gè)折線函數(shù)、一階慣性、微分運(yùn)算、純滯后運(yùn)算、變化率運(yùn)算、變化率限幅、移動(dòng)平均運(yùn)算、狀態(tài)變化監(jiān)測(cè)、計(jì)時(shí)、程序設(shè)定、脈沖計(jì)數(shù)、積算脈沖輸出。1)基本運(yùn)算模塊11個(gè)513)條件判斷運(yùn)算模塊14個(gè)上下限報(bào)警、邏輯運(yùn)算、轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子指令、子程序塊、比較指令、信號(hào)切換4)運(yùn)算寄存器位移指令

CHG、ROD5)

控制模塊3種（1）基本控制模塊BSC內(nèi)含1個(gè)調(diào)節(jié)單元CNT1，相當(dāng)于模擬儀表中的1臺(tái)PID調(diào)節(jié)器，其功能框圖如圖所示。3)條件判斷運(yùn)算模塊14個(gè)內(nèi)含1個(gè)調(diào)節(jié)單元CNT1，52（2）串級(jí)控制模塊CSC

內(nèi)含兩個(gè)調(diào)節(jié)單元CNT1和CNT2，根據(jù)串級(jí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，CNT2可接受CNT1的輸出作為設(shè)定信號(hào)，組成雙回路串級(jí)控制系統(tǒng)，也可直接接受另一設(shè)定信號(hào)SV2，實(shí)現(xiàn)副回路的單獨(dú)控制。（2）串級(jí)控制模塊CSC內(nèi)含兩個(gè)調(diào)節(jié)單元CNT1和CNT253（3）選擇控制模塊SSC內(nèi)部包含兩個(gè)并行工作的PID調(diào)節(jié)單元CNTI和CNT2，另有一自動(dòng)選擇單元CNT3。（3）選擇控制模塊SSC543、可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，是基于微機(jī)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)關(guān)順序控制。隨著功能的擴(kuò)大，現(xiàn)在它除了可用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制外，有的PLC還配有PID模塊，集連續(xù)控制和邏輯控制于一身。3、可編程邏輯控制器55可編程序控制器與過(guò)去的繼電器控制系統(tǒng)相比，它的最大特點(diǎn)是在于可編程序，可通過(guò)改變軟件來(lái)改變控制方式和邏輯規(guī)律?？删幊绦蚩刂破髋c過(guò)去的繼電器控制系統(tǒng)相比，它的最大特點(diǎn)是在于56PLC的主要組成

PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要部分包括中央處理器CPU、存儲(chǔ)器和輸入、輸出接口電路等。限位開(kāi)關(guān)手動(dòng)開(kāi)關(guān)光電傳感器感應(yīng)開(kāi)關(guān)數(shù)字開(kāi)關(guān)編碼器繼電器電磁閥變頻調(diào)速器數(shù)碼顯示器指示燈蜂鳴器輸入接口輸出接口中央處理單元（CPU）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器編程器程序存儲(chǔ)器PLC的主要組成限位開(kāi)關(guān)繼電器輸入接口輸出接口中央處57PLC的內(nèi)部等效繼電器電路任何一個(gè)繼電器控制系統(tǒng)，都是由輸入部分、邏輯部分和輸出部分組成。輸出部分：控制結(jié)果要驅(qū)動(dòng)的各種輸出設(shè)備，如電磁閥的線圈、電機(jī)的接觸器、信號(hào)燈等邏輯部分：根據(jù)被控對(duì)象的要求而設(shè)計(jì)的各種繼電器控制線路輸入部分：控制按鈕、操作開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、光電管信號(hào)PLC的內(nèi)部等效繼電器電路輸出部分：邏輯部分：輸入58PLC就是用軟件代替用硬件（繼電器）構(gòu)成的邏輯控制電路。為便于理解邏輯關(guān)系，還將PLC看成是由許多“軟繼電器”組成的控制器，畫(huà)出其內(nèi)部等效電路。

PLC等效控制框圖輸入（外部）輸入變換輸出變換邏輯輸出（外部）

PLCPLC就是用軟件代替用硬件（繼電器）構(gòu)成的邏輯控制電路。為便59小結(jié)數(shù)字式控制基本PIDSLPC可編程序控制器PLC可編程邏輯控制器數(shù)字控制算法變形PID特殊PID數(shù)字控制器小結(jié)數(shù)字式基本PIDSLPC可編程序控制器PLC可編程邏輯控60611.何為差模干擾？何為共模干擾？2.

模擬量輸入通道和模擬量輸出通道各由哪些部分組成？每一部分的作用是什么？3.試舉出幾種ＰＩＤ基本算式的改進(jìn)形式，他們各有什么特點(diǎn)？

第5章練習(xí)611.何為差模干擾？何為共模干擾？第5章練習(xí)615.1數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成

模擬式調(diào)節(jié)器的局限性越來(lái)越明顯：1）功能單一，靈活性差；2）信息分散，所用儀表多，且監(jiān)視操作不方便；3）接線過(guò)多，系統(tǒng)維護(hù)難度大。

數(shù)字式控制器的硬件電路由主機(jī)電路、過(guò)程輸入通道、過(guò)程輸出通道、人/機(jī)接口電路以及通信接口電路等構(gòu)成。

1.數(shù)字式控制器的硬件電路

5.1數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成模擬式調(diào)節(jié)器的局限性越來(lái)越62數(shù)字式控制器的硬件電路數(shù)字式控制器的硬件電路63（1）主機(jī)電路主要由微處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM和EPROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器CTC以及輸入/輸出接口等組成，它是數(shù)字控制器的核心，用于數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和各組成部分的管理。（2）過(guò)程輸入通道包括模擬量輸入通道和開(kāi)關(guān)量輸入通道兩部分，其中模擬量輸入通道主要由多路模擬開(kāi)關(guān)、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將模擬量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量；而開(kāi)關(guān)量輸入通道則將多個(gè)開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)通過(guò)輸入緩沖器將其轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

（3）過(guò)程輸出通道主要包括模擬量輸出通道和開(kāi)關(guān)量輸出通道兩部分，其中模擬量輸出通道由D/A轉(zhuǎn)換器、多路模擬開(kāi)關(guān)輸出保持器和V/I轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為1～5V模擬電壓或4～20mA模擬電流信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸出通道則通過(guò)輸出緩沖器輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，以便控制繼電器觸點(diǎn)或無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。

（1）主機(jī)電路主要由微處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM和64（4）人/機(jī)聯(lián)系部件主要包括顯示儀表或顯示器、手動(dòng)操作裝置等，它們被分別置于數(shù)字式控制器的正面和側(cè)面。正面的設(shè)置與常規(guī)模擬式控制器相似，有測(cè)量值和設(shè)定值顯示表、輸出電流顯示表、運(yùn)行狀態(tài)切換按鈕、設(shè)定值增/減按鈕、手動(dòng)操作按鈕等。側(cè)面則有設(shè)置和指示各種參數(shù)的鍵盤(pán)、顯示器等。（5）通信部件主要包括通信接口、發(fā)送和接收電路等。通信接口將發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信格式的數(shù)字信號(hào)，由發(fā)送電路送往外部通信線路，再由接收電路接收并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)據(jù)。數(shù)字通信大多采用串行方式。

（4）人/機(jī)聯(lián)系部件主要包括顯示儀表或顯示器、手動(dòng)操作65（1）系統(tǒng)管理軟件主要包括監(jiān)控程序和中斷處理程序兩部分，它們是控制器軟件的主體。監(jiān)控程序又包含系統(tǒng)初始化、鍵盤(pán)和顯示管理、中斷管理、自診斷處理及運(yùn)行狀態(tài)控制等模塊；中斷處理程序則包含鍵處理、定時(shí)處理、輸入處理和運(yùn)算控制、通信處理和掉電處理等模塊。（2）用戶(hù)應(yīng)用軟件用戶(hù)應(yīng)用軟件由用戶(hù)自行編制，采用POL(面向過(guò)程語(yǔ)言)編程，因而設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便。在可編程控制器中，這些應(yīng)用軟件以模塊或指令的形式給出，用戶(hù)只要將這些模塊或指令按一定規(guī)則進(jìn)行連接（亦稱(chēng)組態(tài)）或編程，即可構(gòu)成用戶(hù)所需的各種控制系統(tǒng)。

2.數(shù)字式控制器的軟件

（1）系統(tǒng)管理軟件主要包括監(jiān)控程序和中斷處理程序兩部分66675.2模擬量輸入/輸出通道

模擬量輸入通道

1、分類(lèi)：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。65.2模擬量輸入/輸出通道6768（1）共用一個(gè)采樣/保持器（S/H）和A/D轉(zhuǎn)換器的高電平模擬量輸入通道（如下圖所示）。7（1）共用一個(gè)采樣/保持器（S/H）和A/D轉(zhuǎn)換器的高電平6869（2）各通道分用采樣／保持器，共用A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道（如下圖所示）8（2）各通道分用采樣／保持器，共用A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸6970二、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)：

1）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。

3）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。輸出通道根據(jù)所用D/A轉(zhuǎn)換器的情況可有兩種形式。

9二、模擬量輸出通道7071①多個(gè)輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。10①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7172②每個(gè)通道各用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。11②每個(gè)通道各用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。7273一、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PID調(diào)節(jié)器

DDZ-Ⅲ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PID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PID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?？刂扑惴ǎ夯綪ID算法改進(jìn)PID算法實(shí)現(xiàn)形式：位置型、增量型、速度型和偏差型

12一、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PID7374二、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)看一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，如下圖所示。13二、數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法7475

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)要求直接求出數(shù)字控制器的離散算法D（Z）。14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7576三、PID控制算式（一）PID控制算式的基本形式數(shù)字調(diào)節(jié)中的PID控制算式是將PID的模擬表達(dá)式進(jìn)行離散化而得到的。PID的模擬表達(dá)式為式中p——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m與給定值r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（也稱(chēng)積分時(shí)間）、預(yù)調(diào)時(shí)間（也稱(chēng)微分時(shí)間）。

15三、PID控制算式（一）PID控制算式的基本形式7677因?yàn)椴蓸又芷赥s相對(duì)于信號(hào)變化周期是很小的，這樣可用矩形法計(jì)算積分，用向后差分代替微分，則上式變成離散PID算式為式中⊿t=Ts——采樣周期；

pn——第n次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出；

en——第n次采樣的偏差值en=r-mn；

n——采樣序號(hào)。

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)。

16因?yàn)椴蓸又芷赥s相對(duì)于信號(hào)變化周期是很7778

由上式同樣可列出第（n—l）次采樣的輸出表達(dá)式

由上面兩式相減，可得PID調(diào)節(jié)器輸出增量的表達(dá)式式中KI——PID控制算式的積分系數(shù)KI＝KPTS/TI；

KD——PID控制算式的微分系數(shù)KD=KPTD/TS。上式運(yùn)算結(jié)果⊿pn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。17式中KI——PID控制算式的積分系數(shù)KI7879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)，pn=∫⊿pi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。18位置式和增量式兩種控制算式在本質(zhì)上并無(wú)多7980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：

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，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)。

2）易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)-自動(dòng)的無(wú)擾切換。19由上述可見(jiàn)，兩種算式在本質(zhì)上是一樣的，但8081（二）PID控制算式的變型

為了改善控制質(zhì)量，針對(duì)不同對(duì)象，PID控制中引入了許多新內(nèi)容，我們僅舉以下幾個(gè)例子。（1）完全微分PID算法位置型：增量型：20（二）PID控制算式的變型（1）完全微分PID算法位置型8182（2）

不完全微分PID算法完全微分PID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)。不完全微分PID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)，如下圖所示。不完全微分PID調(diào)節(jié)器組成原理框圖21（2）不完全微分PID算法完全微分PID算法的缺點(diǎn)：8283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PID位置型算法：不完全微分PID增量型算法：22不完全微分PID算法的輸出在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍8384（3）

抗積分飽和算法(積分分離PID控制)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

，其基本原理是，在偏差ε較小時(shí)加入積分作用；而ε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。

對(duì)于理想PID算法的增量形式：首先判斷偏差ε

的絕對(duì)值︱ε

︱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：

23（3）抗積分飽和算法(積分分離PID控制)8485（4）微分先行PID控制

微分先行PID的結(jié)構(gòu)圖如下。

PD與PI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，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，即可避免給定值擾動(dòng)，這種算式適用于給定值R經(jīng)常變化的情況。24（4）微分先行PID控制8586

（5）帶有死區(qū)的PID控制

帶有死區(qū)的PID算式為:當(dāng)≤B時(shí)，⊿

yn=0

當(dāng)

＞B時(shí)，⊿

yn=⊿pn

當(dāng)偏差絕對(duì)值≤B時(shí)，本次不進(jìn)行計(jì)算和輸出，即本次輸出⊿

yn=0；當(dāng)偏差絕對(duì)值

＞B時(shí)，進(jìn)行PID運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果yn作為本次輸出。（6）

數(shù)字式非線性控制對(duì)于數(shù)字式完全微分PID算法的增量算法：

為邏輯系數(shù)

式中，25（5）帶有死區(qū)的PID控制（6）數(shù)字式非線性控制對(duì)于數(shù)86875.4PID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)。

PID參數(shù)自整定的方法有多種，大致可分為兩大類(lèi)。

1.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性的非線性環(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Ziegler-Nichols規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。另一種是根據(jù)過(guò)程輸出曲線形狀判別來(lái)整定PID參數(shù)。265.4PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器PI8788

2788892．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)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)。282．以對(duì)象數(shù)學(xué)模型辨識(shí)為基礎(chǔ)的自整定方法8990PID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。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。

圖中G（j）為控制對(duì)象，N為具有繼電特性的非線性環(huán)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2，S置于位置1時(shí)為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進(jìn)行PID控制。29PID參數(shù)自整定的方法很多，我們這里僅9091

改進(jìn)型臨界比例度法整定PID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性系統(tǒng)狀態(tài)，產(chǎn)生自激振蕩，求出臨界比例系數(shù)KCP及臨界振蕩周期TCP。

2）按Ziegler－Nichols規(guī)則計(jì)算出PID參數(shù)KP、TI、TD的值。改進(jìn)型臨界比例度自整定方法的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、整定速度快，但為求取KCP及TCP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)進(jìn)行修正。實(shí)時(shí)修正參數(shù)可用迭代法或?qū)＜曳ā?0改進(jìn)型臨界比例度法整定PID參數(shù)的運(yùn)行步9192二．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)初步整定的初始參數(shù)，通過(guò)推導(dǎo)出PID參數(shù)KP、TI、TD的迭代整定算式求出修正參數(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)合起來(lái)進(jìn)行PID參數(shù)自整定。三、專(zhuān)家法PID參數(shù)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)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PID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)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。31二．迭代自整定控制算法9293329394l．知識(shí)庫(kù)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)曲線類(lèi)型由于實(shí)際控制系統(tǒng)多種多樣，因此系統(tǒng)響應(yīng)曲線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)給定值變化和負(fù)荷變化兩種情況，將系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線分為給定值變化時(shí)和負(fù)荷擾動(dòng)下的輸出響應(yīng)曲線如下圖所示。33l．知識(shí)庫(kù)9495

圖中所示波形僅是按照響應(yīng)曲線峰值個(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，又可分為多種子類(lèi)型。由于調(diào)節(jié)器整定參數(shù)時(shí)，是將實(shí)際觀測(cè)的曲線與知識(shí)庫(kù)中的曲線進(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。34圖中所示波形僅是按照響應(yīng)曲線峰值個(gè)數(shù)分類(lèi)9596（2）控制目標(biāo)下表列出幾種控制目標(biāo)類(lèi)型。35（2）控制目標(biāo)下表列出幾種控制目標(biāo)類(lèi)型。9697（3）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。①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。②在P、I、D三個(gè)作用中，P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KP。若最大偏差大，且趨于非周期過(guò)程時(shí)，增加KP。③一般取TI等于二分之一系統(tǒng)振蕩周期，取TD=(1/3～1/4)TI。④輸出響應(yīng)曲線偏離給定值后長(zhǎng)期回不來(lái)，減小TI。若波動(dòng)較大則增大TI。

⑤由于KP

過(guò)小和TI過(guò)大都將引起系統(tǒng)輸出響應(yīng)遲緩，難以穩(wěn)定。但是兩者情況有區(qū)別，前者表現(xiàn)為曲線飄動(dòng)較大，變化無(wú)規(guī)則，后者則會(huì)逐漸接近給定值，據(jù)此可以判斷需增大KP或減小TI

。36（3）整定規(guī)則PID參數(shù)的整定規(guī)則都是經(jīng)驗(yàn)性97982．推理機(jī)構(gòu)在參數(shù)自整定系統(tǒng)中。推理機(jī)構(gòu)的作用是判斷系統(tǒng)輸出響應(yīng)的波形，歸為知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)波形中的一種，并對(duì)其進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)，根據(jù)控制目標(biāo)的要求采取相應(yīng)措施。因此，輸出響應(yīng)曲線的測(cè)試和識(shí)別是十分重要的環(huán)節(jié)。專(zhuān)家自整定調(diào)節(jié)器隨時(shí)觀測(cè)控制系統(tǒng)輸出值及給定值。如有給定值變化、負(fù)荷干擾等因素影響控制偏差變化，而且超過(guò)預(yù)先設(shè)定的噪聲帶時(shí)，調(diào)節(jié)器即進(jìn)行參數(shù)自整定，否則保持原來(lái)的PID參數(shù)值。專(zhuān)家法自整定前，需進(jìn)行以下工作：

l）進(jìn)行PID參數(shù)予整定，確定PID參數(shù)的粗略值作為初值。2）確定噪聲帶Nb：由于過(guò)程含有噪聲，在響應(yīng)曲線測(cè)量時(shí)應(yīng)將其剔出，因此需確定一噪聲帶。在自整定時(shí)，采用了偏差超過(guò)設(shè)定的噪聲帶兩倍時(shí)才啟動(dòng)自整定動(dòng)作的方法來(lái)克服噪聲和干擾。Nb值還可用來(lái)判斷觀測(cè)到的峰值是否真實(shí)，以排除噪聲、干擾引起的假象。372．推理機(jī)構(gòu)98993）確定容許等待時(shí)間TW：自整定調(diào)節(jié)器需根據(jù)控制系統(tǒng)估計(jì)的響應(yīng)時(shí)間作為容許等待時(shí)間。在專(zhuān)家法自整定中，是在容許等待時(shí)間內(nèi)等待下一個(gè)峰值的到來(lái)。TW過(guò)大，會(huì)使曲線識(shí)別時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響控制效果。TW過(guò)短可能會(huì)對(duì)波形判斷失誤。在預(yù)整定后取TW

＝(T+)，T為過(guò)程時(shí)間常數(shù)，為純滯后時(shí)間。4）確定TD/TI比值：一般取TD/TI=(1/3~1/4)。5）確定控制周期TS：TS與控制效果關(guān)系密切，TS過(guò)大導(dǎo)致控制效果變壞甚至失控，但對(duì)純滯后較大的系統(tǒng)，則要求TS取大些，一般取TS

＝(1/5~1/6)

。383）確定容許等待時(shí)間TW：自整定調(diào)節(jié)器需根據(jù)控制系統(tǒng)估計(jì)99

目前廣泛使用的產(chǎn)品有DK系列的KMM數(shù)字調(diào)節(jié)器、YS-80系列的SLPC數(shù)字調(diào)節(jié)器、FC系列的PMK數(shù)字調(diào)節(jié)器以及Micro760/761數(shù)字調(diào)節(jié)器等，由于它們的運(yùn)算與控制功能是靠組態(tài)或編程實(shí)現(xiàn)的，且只控制一個(gè)回路，所以又常將它們稱(chēng)為單回路可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器。以SLPC數(shù)字調(diào)節(jié)器為例。1.SLPC可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成

具有基本的PID、微分先行PID、采樣PI、批量PID、帶可變?yōu)V波器設(shè)定的PID等多種控制功能，還可構(gòu)成串級(jí)、選擇性、非線性等多種復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)，并具有自整定、自診斷、通信等許多特殊功能。5.5常用數(shù)字式PID控制器目前廣泛使用的產(chǎn)品有DK系列的KMM數(shù)字調(diào)節(jié)器100YS100單回路調(diào)節(jié)器

YS100單回路調(diào)節(jié)器101HTBJ-211單回路智能調(diào)節(jié)器

HTBJ-211單回路智能調(diào)節(jié)器102SLPC可編程控制器的硬件電路SLPC可編程控制器的硬件電路103模擬量輸入X1～X5

接受1～5VDC信號(hào)6個(gè)開(kāi)關(guān)量DI/DO可編程接口，通過(guò)高頻變壓器隔離模擬量輸入X1～X56個(gè)開(kāi)關(guān)量DI/DO可編程接口，通104Y1輸出4

～20mADCY2、Y3

輸出1～5VDC，與控制室其它儀表聯(lián)絡(luò)用故障報(bào)警輸出8251可編程通信接口，可與上位機(jī)作雙向串行通信，速率為15.625Kbit/sY1輸出4～20mADCY2、Y3輸出1～5VD105高速8位微處理器8085A，10MHz，可使儀表在0.2s的控制周期內(nèi)最多運(yùn)行240步用戶(hù)程序,可根據(jù)需要，將控制周期加快到0.1s。高速8位微處理器8085A，10MHz，可使儀表在0.2s的106系統(tǒng)ROM：1片27256EPROM，32K，存放系統(tǒng)管理程序及運(yùn)算子程序。用戶(hù)ROM：1片2716EPROM，2K，存放用戶(hù)程序。RAM：2片μPD4464，低功耗CMOS存貯器，8K，存放現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定數(shù)據(jù)及中間計(jì)算結(jié)果。系統(tǒng)ROM：1片27256EPROM，32K，存放系統(tǒng)管理程107儀表正面板：測(cè)量值、設(shè)定值、操作值顯示；自動(dòng)/手動(dòng)/串級(jí)切換開(kāi)關(guān)；數(shù)據(jù)設(shè)定按鈕儀表側(cè)面板：8位16段筆畫(huà)顯示器，顯示各種運(yùn)行參數(shù)；可通過(guò)鍵盤(pán)上16個(gè)調(diào)整健進(jìn)行修改；并有編程器接口。

儀表正面板：測(cè)量值、設(shè)定值、操作值顯示；自動(dòng)/手動(dòng)/串級(jí)切換108各部分電路的具體構(gòu)成及其功能簡(jiǎn)述如下：（1）主機(jī)電路

主機(jī)電路中的CPU采用8085AHC芯片,時(shí)鐘頻率為10MHz；系統(tǒng)ROM為64KB,用于存放監(jiān)控程序和各種功能模塊；用戶(hù)ROM為2KB,用于存放用戶(hù)程序;RAM為16KB。（2）過(guò)程輸入/輸出通道具有如下特點(diǎn)：

1）輸入通道中有5路模擬量輸入和6路開(kāi)關(guān)量輸入。模擬量輸入由RC濾波器、多路開(kāi)關(guān)、PC648D型高速12位D/A轉(zhuǎn)換器和比較器等組成，通過(guò)CPU反饋編碼，實(shí)現(xiàn)比較型模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

2）輸出通道中有3路模擬量輸出和6路開(kāi)關(guān)量輸出。模擬量輸出中有1路輸出為4～20mA.DC直流電流，可驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器；另兩路輸出為1～5V.DC直流電壓，提供給控制室的其它模擬儀表。

3）用一片PC648D型12位高速D/A芯片，將CPU輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，在CPU的程序支持下，通過(guò)比較器將模擬量輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出；開(kāi)關(guān)量輸入與開(kāi)關(guān)量輸出共用同一通道，其選擇由使用者用程序確定；所有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道與內(nèi)部電路之間均用高頻變壓器隔離。各部分電路的具體構(gòu)成及其功能簡(jiǎn)述如下：109