計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》

東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院戴先中

第3章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.1PID控制

3.1.1PID控制的特點(diǎn)

3J.2基本PID控制規(guī)律

3.1.3數(shù)字PID控制算法

3.1.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

3.1.5數(shù)字PID控制參數(shù)的整定

3.2復(fù)雜控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)

2東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

關(guān)于計(jì)算機(jī)控制策略

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制策略的研究是計(jì)

算機(jī)控制技術(shù)研究的核心問題，隨著計(jì)算

機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)的飛速

發(fā)展和學(xué)科之間的交叉和融合，許多新型

的控制策略不斷出現(xiàn)。

3計(jì)算機(jī)控制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)上一頁下一頁

3.1.1PID控制的特點(diǎn)

PID控制器（亦稱為PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最

為廣泛的一種自動(dòng)控制器。其特點(diǎn)是原理簡

單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣等。

PID控制經(jīng)久不衰，主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.不需要建立數(shù)學(xué)模型

2.易被人們熟悉和掌握

3.控制效果可接受

4.技術(shù)成熟，并不斷有新的改進(jìn)

4計(jì)算機(jī)捽制技東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

第3章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.1PID控制

3.1.1PID控制的特點(diǎn)

3.1.2基本PID控制規(guī)律

3.1.3數(shù)字PID控制算法

3.1.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

3.1.5數(shù)字PID控制參數(shù)的整定

3.2復(fù)雜控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)

5計(jì)算機(jī)捽制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

3.1.2基本PID控制規(guī)律

連續(xù)生產(chǎn)過程PID控制系統(tǒng)框圖

6計(jì)算機(jī)控制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

比例控制器(P控制器)

比例控制器是最簡單控制器，其控制規(guī)律為

“⑺=KpC⑺+%

A

e(t)----i-----T--------------------------

比例控制器°,,

的階躍響應(yīng)，

u(t)”

0_____5_________________>

7仕一頁1尸與

比例控制器（P控制器）的特點(diǎn)

比例控制器對(duì)于偏差是即時(shí)反應(yīng)的，偏差一

旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著

減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比

例系數(shù)。

比例控制器雖然簡單快速，但對(duì)于具有自平

衡性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控

對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但

當(dāng)過大時(shí)，會(huì)使動(dòng)態(tài)性能變差，引起被控量振蕩

甚至導(dǎo)致閉環(huán)不穩(wěn)定。

8計(jì)算機(jī)控制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

比例積分控制器（PI控制器）

為了消除在比例控制中存在的靜差，可在

比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比

例積分控制餐其控制規(guī)律為

力+u

u=Kp+o

其中（稱為積分時(shí)間。

9??；，機(jī)。%.!技術(shù)東—、m叫什

比例積分控制器的階躍響應(yīng)

10計(jì)算機(jī)捽制東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

從響應(yīng)波形可以看出，PI控制器對(duì)偏差作

用有兩個(gè)部分：一'是按比例變化的成分；另一,

個(gè)是帶有累積的成分（即呈一定斜率變化的部

分），這就是積分控制部分的作用。只要偏差

存在，積分將起作用，將偏差累積對(duì)控制量產(chǎn)

生影響，并使偏差減小，直至偏差為零，積分

作用才會(huì)停止。因此，加入積分環(huán)節(jié)將有助于

消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

11上一頁下一頁

比例積分微分控制器(PID

PID控制器的控制規(guī)律為

u(t)=Kp[e(t)+—⑺應(yīng)+9[)]+%

式中&稱為微耳時(shí)間。

理想的PID控制器在偏差變化的瞬間t=to

有一個(gè)沖擊式的瞬態(tài)響應(yīng)，這就是由微分環(huán)節(jié)

引起的。

12計(jì)算機(jī)控制技不東南大學(xué)目動(dòng)化學(xué)區(qū)

]+"o

理想PID控制器的階躍響應(yīng)

13計(jì)算機(jī)捽制東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

微分對(duì)偏差的任何變化都產(chǎn)生控制作用，

以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化。偏差變

化越快，控制量就越大，反饋校正量就越大。

故微分作用的加入將有助于減少超調(diào)量，克服

振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分作用可以加快系

統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間,從而改善系統(tǒng)

的動(dòng)態(tài)性能。

14計(jì)算機(jī)捽制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

第3章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.1PID控制

3.1.1PID控制的特點(diǎn)

3.1.2基本PID控制規(guī)律

3.1.3數(shù)字PID控制算法

3.1.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

3.1.5數(shù)字PID控制參數(shù)的整定

3.2復(fù)雜控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)

15，捽制技術(shù)上一頁下一頁

3.1.3數(shù)字PID控制算法

在工業(yè)過程控制中，模擬PID控制器有電

動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)等多種類型。這類模擬調(diào)節(jié)儀表

是用硬件來實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律的。將計(jì)算機(jī)引入

控制領(lǐng)域，可以利用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)PID控制

算法，它不僅可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)節(jié)儀表的功能，而

且可以延伸出更多的靈活的控制算法，統(tǒng)稱為數(shù)

字PID控制。

強(qiáng)調(diào)：不是簡單地將模擬PID算法數(shù)字

化，而要充分利用計(jì)算機(jī)的邏輯判斷和運(yùn)算功

能，使PID控制更加靈活，實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的控

制算法，以滿足各種生產(chǎn)過程的要求。

在連續(xù)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，通常采用如下

的PID控制。其對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

U(s)1I

——=K〃(I+——+Ts)、

pd

E(s)TiS

對(duì)應(yīng)的控制算法表達(dá)式為：

=Kp[l+：力+&d；：)]

其中，如為比例增土，1｝為積分時(shí)間常數(shù)，Td

為微分時(shí)間常數(shù)，u為控制量，e為被控量與

給定量的偏差。

17上一頁下一頁

為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID算法，將積分運(yùn)算

利用部分和代替，微分運(yùn)算用差分方程表示：

tk

f0e（t）dtxZTe（j）

j=o

de（f）e（左）一e（左一1）

-dthT

其中，T為采樣周期，k為采樣周期的序號(hào)

（攵=0,12…）,―）和e（左）分別為第k—1和

第k個(gè)采樣周期時(shí)的偏差。

18計(jì)算機(jī)控制上一頁下一頁

得差分方程:

〃⑹=Kp"+叩-1)])

1>o1

其中"（左為第k個(gè)采樣時(shí)刻的控制量。如果采樣周

期T與被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)比較相對(duì)較小，那么

這種近似是合理的，并與連續(xù)控制的效果接近。

19計(jì)算機(jī)控制上一頁下一頁

模擬PID與數(shù)字PID算式對(duì)比

1rde

模擬PID算式"=d加）

JI

數(shù)字PID算式Uk=Kp{ek+隹e/+T.用沁

20東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

數(shù)字PID算式的兩種形式

位置式PID算式.+七干｝

增量式PID算式：’7

△以=Kp(/—/-)+K,線+Kd(ek-2,_]+ek_2)

兩種算式的區(qū)別

21計(jì)算機(jī)控制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

增量式PID算式推導(dǎo)

A以~Uk~Uk-i

1ij=i1

e

uk-\=Korp{*+?彳V工eT/+Td"i-?-2]}

Aj=i1

.0”x,1r_uT八-2/一1+一一2

△以=Kp{(/-ek_J+—ekT+Td/

=Kp(/-)+Kj,+Kd(ek-2%+〃一2)

式中：降=Kp?降=跖木

上一頁下一頁

22計(jì)算機(jī)控制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

增量式PID算式推導(dǎo)

進(jìn)一步整理得：(按aek.r項(xiàng)進(jìn)行整理)

△以=A/+Be—+CeK_2

其中：A=Kp(l+??)B=—Kp(l+2與C=Kp^

江4量式PID算式的優(yōu)點(diǎn)

(1)較為安全。因?yàn)橐坏┯?jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，輸出控制指令為

零時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如閥門的開度)仍可保持前一步的位

置，不會(huì)給被控對(duì)象帶來較大的擾動(dòng)。

(2)計(jì)算時(shí)不需進(jìn)行累加，僅需最近幾次誤差的采樣值。

(3)手動(dòng)一自動(dòng)切換時(shí)沖擊小。

23?機(jī)抨制技術(shù)<±-M

增量型算法——應(yīng)用前提：

必須采用具有保持位置功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如：采

用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以將輸出變換成驅(qū)動(dòng)脈

沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)從歷史位置正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)若干的角度

(b)

24東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁11下一頁

第3章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.1PID控制

3.1.1PID控制的特點(diǎn)

3,1.2基本PID控制規(guī)律

3.1.3數(shù)字PID控制算法

3.1.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

3.1.5數(shù)字PID控制參數(shù)的整定

3.2復(fù)雜控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)

25

3.1.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

1、帶死區(qū)（不靈敏區(qū)）的PID控制

基本思想：在誤差中人為地設(shè)置一個(gè)不靈敏區(qū)域，設(shè)域值為B,當(dāng)

誤差小于B時(shí)，保持原控制量不變，當(dāng)誤差等于或大于B時(shí)，計(jì)算、

輸出當(dāng)前時(shí)刻控制量。

圖形描述公式表示

△以出=

0ek<B

適用場合適用于控制過程要求盡量平穩(wěn)，控制精度要求不高的場合。

注意B的選擇B應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)控制需要選擇。B選得太小，將引起系統(tǒng)的平

繁動(dòng)作，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)定；B選得太大，影響系統(tǒng).精度。卜

26?機(jī)桿制技術(shù)一頁|乒導(dǎo)

3/L4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)(續(xù))

2.抗積分飽和算法

(1)積分飽和的原因及影響

□因長時(shí)間出現(xiàn)偏差或偏差較大，計(jì)算出的控制量有很

大，超出D/A轉(zhuǎn)換器所能表示的數(shù)值范圍。這時(shí)的執(zhí)行

機(jī)構(gòu)已到極限位置，仍不能消除偏差，且由于積分作

用，盡管計(jì)算PID差分方程式所得的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)增大

或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無相應(yīng)的動(dòng)作，這就稱為積分

飽和。

□當(dāng)控制量達(dá)到飽和后，閉環(huán)控制系統(tǒng)相當(dāng)于被斷開。

27東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

(a)(b)(c)

小信號(hào)控制下，控制飽和值不變，

在同樣給定值時(shí)，

積分器沒有飽和的但系統(tǒng)給定值加大，

控制作用沒有飽和限

響應(yīng)曲線。使控制作用出現(xiàn)飽和

制時(shí)的仿真曲線。

時(shí)的仿真曲線

28計(jì)算機(jī)控制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

抗積分飽和算法之一

積分分離法：

口系統(tǒng)加入積分控制的主要作用——提高穩(wěn)態(tài)精度，減

少或消除誤差。

□積分分離法的基本控制思想：「無積分分離]

上I的廟應(yīng)曲線

u(^)=Kpe(k)+aKtVe(j)+KD[e(^)-e(k-1)]\產(chǎn)=

J=o\r有積分分離、

\的響應(yīng)曲線

■某個(gè)規(guī)定的門限值打4.01'_____________

■當(dāng)e(k)>e,a=0

3.5-//

(即取消積分)；3.0-/、、一

2.5-//

■當(dāng)誤差e(k)v=g,a=1V2.0-/

(即引入積分)1.5-/

i.o-/

0.5/

-1--------1--------1--------1--------?

0246810」

29計(jì)二算機(jī)捽制技術(shù)Z/S一頁

\l

抗積分飽和算法之二

遇限削弱積分法：

□基本思想：

■當(dāng)控制量進(jìn)入飽和區(qū)后，只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的累

力口，不進(jìn)行增大積分項(xiàng)的累加。即系統(tǒng)在計(jì)算u（k）

時(shí)，先判斷u（k-1）是否超過門限值。若超過某個(gè)方

向門限值時(shí)，積分只累加反方向的e（k）值。

r若"（左一1）之冊(cè)小且C（左）20不進(jìn)行積分累力口;

若e（左）＜0進(jìn)行積分累加。

具體算式為：＜

若〃（左—且e（左）4°不進(jìn)行積分累加;

I若e（%）＞。進(jìn)行積分累加。

30計(jì)上一頁下一頁

抗積分飽和算法之三

飽和停止積分法

□基本思想：

■當(dāng)控制作用達(dá)到飽和時(shí)，停止積分器積分，而控制

器輸出未飽和時(shí)，積分器仍正常積分。

□特點(diǎn)：

■商單易行，但不如上一種方法容易使系統(tǒng)退出飽和

〃若|^(^-1)|>^不進(jìn)行積分運(yùn)算；

具體算式為：Y

.若(左T)|<〃max進(jìn)行積分運(yùn)算。

31計(jì)算機(jī)控制上一頁下一頁

抗積分飽和算法之四

反饋抑制積分飽和法

□基本思想：

■測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入與輸出，并形成誤差es，將該信號(hào)經(jīng)過

增益1/7；反饋至積分器輸入端，降低積分器輸出。

■當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)未飽和時(shí)，es=0；

-當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和時(shí)，附加反饋通道使誤差信號(hào)es趨于零，使

控制器輸出處于飽和極限。,

方案要求：

■系統(tǒng)可以測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出。

■若無法測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出，可

以在執(zhí)行機(jī)構(gòu)之前加入執(zhí)行機(jī)構(gòu)

帶飽和限幅的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，利

用該模型形成誤差es，并構(gòu)成附加

反饋通道。

反饋抑制積分飽和法

k學(xué)門動(dòng)化學(xué)院乙一頁|下一』

32

3/1.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)（續(xù)）

3、微分算法的改進(jìn)

PID控制中，微分作用是擴(kuò)大穩(wěn)定域，改善

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，因此一般不要輕易去掉微分作

用。

采用計(jì)算機(jī)控制我們可以很方便地得到理想

微分作用，但實(shí)踐表明，理想微分的效果并不

理想。尤其是對(duì)于具有高頻擾動(dòng)的生產(chǎn)過程，

由于微分放大噪聲的作用，若微分作用過于靈

敏，容易引起控制過程振蕩。

33東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

改進(jìn)的微分算法之一

不完全微分的PID算式（采用帶慣性環(huán)節(jié)的實(shí)際微分器）

“小上+”+琳E(s)=Up(s)+U/(s)+U0(s)

du(t)de?)

U。(“蜂E(s)4丁D+MD(，)=KpT。丁

u(k)—u(k—1)e(k)—e(k—T)

u(k)+rDD=KpTd

D(TT

部分T

"D（"）=“D(%一])+[W—1)]

T\T+T{

Kr：*???*????：

“D(%—1)+-^(1--1)]

不完全微分(k)=auDa)[e(k)~e(k

PID位置算法

"(k)=Kpe(k)+K1Ze(j)+uD(k)

J=o.

34計(jì)算機(jī)捽上一頁下一頁

不完全微分PID與基本PID控制作用比較

■在e(k)發(fā)生階躍突變時(shí)：

□完全微分作用僅在控制作用發(fā)生的一個(gè)周期內(nèi)起作

用；

□不完全微分作用則是按指數(shù)規(guī)律逐漸衰減到零，可以

延續(xù)幾個(gè)周期，且第一個(gè)周期的微分作用減弱。

35上一頁下一頁

改進(jìn)的微分算法之二

微分先行PID

⑶對(duì)偏差值微分(b)只對(duì)輸出量c")微分

適用于給定值頻繁

升降的場合，可以

避免因輸入變動(dòng)而

在輸出上產(chǎn)生躍變

?d-il-I-1--1%-上一頁下一頁

36I#上市歸乂小化學(xué)院

3J.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)（續(xù)）

4.防積分整量化誤差的方法

■當(dāng)采樣周期較小而積分時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，積分項(xiàng)的數(shù)值很

小，有可能使微型機(jī)二進(jìn)制數(shù)字最低位無法表示，產(chǎn)生整量

化誤差，發(fā)生積分項(xiàng)丟失的現(xiàn)象。

■為了防止積分項(xiàng)由于數(shù)的整量化誤差所導(dǎo)致的丟失現(xiàn)象，在

控制算法及編程方面應(yīng)采取一定的改進(jìn)措施：

□在積分項(xiàng)運(yùn)算法時(shí)，可以將其結(jié)果用雙字長單元存貯，若積分項(xiàng)小于單字長

時(shí)，其積分結(jié)果存放在低字節(jié)單元中，經(jīng)過若干次累加后，當(dāng)其值超過低字

節(jié)表示時(shí)，則在高字節(jié)最低位加1,從而消除了有限字長造成的量化截尾誤

差

37〈上一頁|下一頁

5.自動(dòng)與手動(dòng)無擾轉(zhuǎn)換的PI算法

■工業(yè)上通過PID控制的被控對(duì)象常常有手動(dòng)與自動(dòng)兩種控

制方式，轉(zhuǎn)換時(shí)要求實(shí)現(xiàn)無擾轉(zhuǎn)換。

圖5-29自動(dòng)與手動(dòng)無擾轉(zhuǎn)換

1_]

系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)u(k)=---------------e(k)=k(1+〕)e(k)

c.........1—"1-z-

、PI控制「1

開關(guān)處于手動(dòng)位置時(shí)一竺二—r=lu(k)=n、(k)

38實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)到手動(dòng)的無擾切換上一頁下一頁

第3章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.1PID控制

3.1.1PID控制的特點(diǎn)

3,1.2基本PID控制規(guī)律

3.1.3數(shù)字PID控制算法

3.1.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

3J.5數(shù)字PID控制參數(shù)的整定

3.2復(fù)雜控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)

39

3.1.5數(shù)字PID控制參數(shù)的整定

■所謂PID控制器參數(shù)整定，實(shí)質(zhì)上是通過調(diào)

整Kp,TjTd,使控制器的特性與被控過程的

特性相匹配，以滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性

能指標(biāo)。

■與模擬PID控制器不同的是，數(shù)字PID控制的

參數(shù)整定，除了需要確定，Td夕卜，還

需要確定系統(tǒng)的采樣周期。因?yàn)閿?shù)字PID的控制

品質(zhì)不僅取決于被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性和PID參

數(shù)，而且與采樣周期的大小有關(guān)。

40計(jì)算機(jī)捽制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

1.確定采樣周期

■采樣定理給出了合理選擇采樣周期的理論指導(dǎo)原

則，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)采樣周期的選擇要折

中考慮許多因素。在實(shí)際中，采樣頻率通常

取/.>(510)fmaxo

■對(duì)于工業(yè)過程，人們?cè)趯?shí)踐中總結(jié)了采樣周期經(jīng)

驗(yàn)數(shù)據(jù)供參考：

溫度流量壓力液面成分

10-20S1~5s3-10s6?8s15720s

41計(jì)算^機(jī)拓2相4上一頁下一頁

2.試湊法確定PID參數(shù)

(1)首先只整定比例部分。比例系數(shù)勺由小變大，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。系統(tǒng)若

無靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)效果良好，那么

只須用比例調(diào)節(jié)器即可。

(2)若穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分控制。整

定時(shí)先置積分時(shí)間7；?為一較大值，并將經(jīng)第1步整定得到

的Kp減小些，然后減小7},并使系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)響

應(yīng)的情況下，消除穩(wěn)態(tài)誤差。這種調(diào)整可根據(jù)響應(yīng)曲線的

狀態(tài)，反復(fù)改變Kp及7；,以期得到滿意的控制過程。

(3)若使用PI調(diào)節(jié)器消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)過程仍不能滿

意，則可加入微分環(huán)節(jié)。在第2步整定的基礎(chǔ)上，逐步增

大兀，同時(shí)相應(yīng)地改變Kp和7},逐步試湊以獲得滿意的調(diào)

節(jié)效果。/一.

42?機(jī)桿制技術(shù)&一頁|乒導(dǎo)

3.擴(kuò)充臨界比例度法

(1)選擇一個(gè)合適的采樣周期廠通?？蛇x擇采樣周期為被

控對(duì)象純滯后時(shí)間的1/10。

(2)用選定的丁使系統(tǒng)工作。這時(shí)，去掉積分和微分，只保

留比例作用。然后逐漸減小比例度5(=1/Kp),直到系統(tǒng)

發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下此時(shí)的臨界比例度限及系統(tǒng)的

臨界孤蕩周期7；(即振蕩波形的兩個(gè)波峰之間的時(shí)間)。

(3)選擇控制度”

[[e(Z)dZ]DDC

控制度=

⑺叫模擬

(4)根據(jù)選定的控制度，查表,

求得了、Kp、7]>1的值。

(5)按計(jì)算所得參數(shù)投入在線運(yùn)行，觀察效果，如果性能不滿

意，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)P、I、D各控制項(xiàng)作用的理解/進(jìn)一

43步調(diào)節(jié)參數(shù)。升—支術(shù)壬

擴(kuò)充臨界比例度法整定的參數(shù)值表

控制度控制規(guī)律T怎KMT陽

PI0.030.530.88—

JL?U3

PID0.0140.630.490.14

PI0.050.490.91—

L/U

PID0.0430.470.470.16

PI0.140.420.99

JL

PID0.090.340.430.20

PI0.220.361.05—

2.0

PID0.160.270.400.22

44上一頁下一頁

軍用簡化的擴(kuò)充臨界比例度法有下式成

立：7=0.17；(=。.5,0=0125.

擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)值簡表

控制度控制算式

T/TkKp/KkT"kTd"k

??????????????????

簡化的擴(kuò)充PI0.450.83

臨界比例度法PID0.10.60.50.125

將T,Ti,Td代入增量式PID算式

△以二Kp{(/_/_i)++力(/—2/_1+2)}

得△以=Kp(2.45〃—3.5線-+1.25〃_2)

45計(jì)算機(jī)上一頁下一頁

第3章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.1PID控制

3.1.1PID控制的特點(diǎn)

3J-2基本PID控制規(guī)律

3.1.3數(shù)字PID控制算法

3.1.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

3.1.5數(shù)字PID控制參數(shù)的整定

3.2復(fù)雜控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)

46計(jì)算機(jī)捽制技術(shù)東南大學(xué)白動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

32復(fù)雜控制規(guī)律

3.2.1串級(jí)控制

好=.

—PID主—PID副對(duì)象2|一，，對(duì)象1

應(yīng)用場合串級(jí)控制系統(tǒng)主要用于解決多個(gè)因素影響同一被控

量的相關(guān)問題。

主副回路關(guān)系

系統(tǒng)采樣周期

47計(jì)算機(jī)*括,.制技才上一頁下一頁

3.2復(fù)雜控制規(guī)律

32.1串級(jí)控制

例：某爐溫控制系統(tǒng)

流量設(shè)定溫度設(shè)定

2/RC)--0T

煤氣ii

.，出料

加熱爐A

空氣進(jìn)料

48

32復(fù)雜控制規(guī)律

3.2.2前饋控制

應(yīng)用場合干擾可測。

基本思想根據(jù)擾動(dòng)的大小進(jìn)行開環(huán)控制。

49東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

32復(fù)雜控制規(guī)律

3.2.2前饋控制

前饋控制使用注意事項(xiàng)：

①干擾必須是可測量的；

②前饋補(bǔ)償控制不能單獨(dú)使用，應(yīng)和反饋控制一起使用;

③只能對(duì)系統(tǒng)中可測的主要干擾采用前饋控制

50上一頁下一頁

32復(fù)雜控制規(guī)律

3.2.2史密斯(Smith)預(yù)估控制

純滯后補(bǔ)償算法(smith預(yù)測)

★有純滯后的常規(guī)反饋控制回路

擾動(dòng)N

RY

Q(s)G

系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為G￡S)=、”

l+O(s)Gp(s)e

系統(tǒng)的特征方程中包含有因此會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降

51111//-nL上一頁下一頁

32復(fù)雜控制規(guī)律

3.2.2史密斯(Smith)預(yù)估控制

★SmM預(yù)測器

虛線部分是帶純滯后補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為

l+DQ(rs()sG)p=(s--)-(--l--—--「-----)----------------

經(jīng)過純滯后補(bǔ)償控制，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(僅僅是輸出的滯后，設(shè)計(jì)原則)

。⑸G〃(s)「

G/)l+Q(s)Gp(s)‘

52計(jì)算-機(jī)72制技術(shù)東留大宇目動(dòng)化字院上一頁下一頁

32復(fù)雜控制規(guī)律

3.2.2史密斯（Smith）預(yù)估控制

★具有純滯后補(bǔ)償?shù)臄?shù)字PID控制器

因此預(yù)估器的傳函為:

32復(fù)雜控制規(guī)律

3.2.2史密斯(Smith)預(yù)估控制

★純滯后補(bǔ)償控制算法步驟：

(1)計(jì)算反饋回路偏差G(k)j(k)=r(k)-y(k)

(2)計(jì)算施密斯預(yù)估器的輸出y5(k)

幺時(shí)=G,(s)(l-L)=K,>(1-"NTS)

(7(5)Pl+T/,s

先寫成微分形式再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的差分方程式：

T

ys(k)=ays{k-1)+b[u(k-l)-u(k-N-1)]其中"五萬",b=Kp(l-a)

(3)計(jì)算反饋回路偏差W。2/)

(4)計(jì)算PID控制器輸出式(外：

A”(左)=Kp匕(%)—g(左一DI+K4*)+K]匕(％)-(女T)+e2(k-2)]

-制技術(shù)門大學(xué)門動(dòng)化學(xué)院&一頁

5411-下一頁

第3章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.1PID控制

3.1.1PID控制的特點(diǎn)

3.1.2基本PID控制規(guī)律

3.1.3數(shù)字PID控制算法

3.1.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)

3.1.5數(shù)字PID控制參數(shù)的整定

3.2復(fù)雜控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)

55計(jì)算機(jī)捽制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)|!上一頁卜一頁

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)

56一一東"、；"〈上一頁|下一頁

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)

3.3.1設(shè)定值處理

主要解決多級(jí)和串級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)定值的選擇

變

來自主調(diào)節(jié)模塊的設(shè)典化

率經(jīng)處理后的設(shè)定值

來自上級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)定值限

制

由操作員設(shè)置的設(shè)定值

軟開關(guān)設(shè)定值處理模塊

數(shù)據(jù)區(qū)

57工卜算機(jī)#亡制技東M上一頁下一頁

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)

3.3.2被控量處理

主要實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量的上下限越限報(bào)警和限制被控量的變化率

被控量處理模塊帶死區(qū)的報(bào)警狀態(tài)示意圖

58計(jì)算機(jī)上一頁下一頁

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)

3.3.3偏差處理

主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算偏差，偏差報(bào)警，非線性特性處理和輸入補(bǔ)

償四項(xiàng)功能

偏差處理模塊

59上一頁下一頁

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)

3.3.3偏差處理

1）計(jì)算偏差

2）偏差報(bào)警當(dāng)偏差大于規(guī)定的范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警或限幅。

3）非線性特性

4）輸入補(bǔ)償

60計(jì)算機(jī)捽制技術(shù)東南大學(xué)白動(dòng)化學(xué)但上一頁下一頁

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)

3.3.3偏差處理

1）計(jì)算偏差

當(dāng)誤差狀態(tài)量=1時(shí)e=r-y

當(dāng)誤差狀態(tài)量=o時(shí)e=y-r

2）偏差報(bào)警

3）非線性特性

4）輸入補(bǔ)償

61計(jì)算機(jī)捽制技術(shù)東南大學(xué)計(jì)動(dòng)化學(xué)院上一頁下一頁

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)

3.3.3偏差處理

1）計(jì)算偏差

2）偏差報(bào)警當(dāng)偏差大于規(guī)定的范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警或限幅。

3）非線性特性

4）輸入補(bǔ)償

62計(jì)算機(jī)捽制技術(shù)東南大學(xué)自動(dòng)化上一頁下一頁

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)

3.3.3偏差處理，，非線性輸出

1）計(jì)算偏差

2）偏差報(bào)警+B儲(chǔ)

3）非線性特性

指在誤差中人為地設(shè)置一非線

性特性區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，控非線性特性示意圖

制量的輸出由增益K決定，即

加她=心以。非線性區(qū)域外

為常規(guī)PID控制。0帶死區(qū)PID控制

當(dāng)K=<O<K<1非線性PID控制

1常規(guī)PID控制

4）輸入補(bǔ)償

11動(dòng)化學(xué)院乙一頁下一」

63計(jì)算機(jī)控制技術(shù)東南大學(xué)I

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

3.3數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)

3.