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1、控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 第二章 调节器 主要内容 q数字式PID算式 q数字调节器 1 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 第一节 数字式PID算式 调节器的调节规律 模拟式PID算式 基本型数字式PID算式 改进型数字式PID算式 2 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 一、何为调节器的调节规律 x = Xm - Xs 单回路调节系统方框图 x偏差 Xs给定值 Xm测量值 调节器的调节规律 就是调
2、节器的输出信号随输 入信号(偏差)变化的规律。 这个规律常常称为调节器的特性。 3 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 一、何为调节器的调节规律 调节器特性： 1、输入是被控变量与给定值之差即偏差x， 输出是输出信号的变化量y。 2、x0称正偏差 (Xm Xs) x0称负偏差 (Xm Xs) 3、x0相应的y0, 称为正作用调节器 x0相应的y0, 称为反作用调节 器 4 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 一、何为调节器的调节规律 正作用调节器 ： x0 (Xm Xs)
3、 y0 5 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 二、模拟调节器的PID算式 理想的PID微分方程为 传递函数为 6 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 二、模拟调节器的PID算式 偏差型PID运算式 微分先行PID运 算式 PID调节器偏差构成的二种形式 7 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 二、模拟调节器的PID算式 偏差型PID运算式 测量值Xm与给定值Xs相减后，得到偏差x ，然后对偏差x进行比例、积分
4、和微分的运算。 缺点：对给定值的变化也进行PID运算 模拟电路构成的偏差型PID调节器 可实现的调节规律： 8 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 二、模拟调节器的PID算式 微分先行PID运算 式 先对测量值Xm进 行微分运算，再与给定值 Xs相减，然后再进行比例 积分运算。 优点：只对给定值的变化进 行PI运算，避免了给定值变 化产生的大幅度变化。 模拟电路构成的微分先行PID 调节器可实现的调节规律： 9 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 三、基本型数字式PID算
5、式 离散化处理 对于积分项用右式近似 对于微分项用右式近似 结果： 10 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 三、基本型数字式PID算式 位置型算式 输出与实际调节阀的阀位相对应 便于计算机运算的实现，但计算繁琐、占 用的计算机内存很大,计算错误或输出错误时，会造 成调节阀开度错误，致使控制出错。 11 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 三、基本型数字式PID算式 增量型算式 输出为两个采样周期PID输出值之差 计算机运算所需的内存较小、计算也相对简单 ，出现故障不会造
6、成大的影响，易于系统手动和自动 间的无扰动切换。 12 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 三、基本型数字式PID算式 速度型算式 输出是增量型算式的输出值与采样间隔时间T 之比 本质上与增量型算式是相同的。 13 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 三、基本型数字式PID算式 偏差系数型算式 是将增量型算式展开后合并同类项而得到的 设 则有 14 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 四、改进型数字式PID算式
7、 不完全微分算式 微分作用采用实际微分作用 设 该式为一理想PID与一个一阶惯性环节的乘积。 15 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 四、改进型数字式PID算式 不完全微分算式 位置型理想PID算式: 一阶惯性环节的离散化后的形式: 16 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 四、改进型数字式PID算式 微分先行PID算式 微分运算环节： 微分先行PID运算结构图 17 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 四、
8、改进型数字式PID算式 微分先行PID算式 偏差计算： 比例积分运算环节： 18 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 四、改进型数字式PID算式 带不灵敏区的PID算式 在一定偏差范围内输出为0 或 (B称为不灵敏区宽度) 19 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 四、改进型数字式PID算式 积分分离PID算式 在一定偏差范围内切除积分作用 例: 方法：PID控制算式的积分项前面乘上一个变量N 20 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院
9、自动化系 上页下页目 录 第二节 数字式调节器 数字式调节器构成原理 SLPC可编程调节器 21 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 数字式调节器类型 常用数字式调节器的类型有： 定程序调节器： 调节规律固定不变； 调节参数（P, Ti, Td）可变。 可编程调节器： 调节规律可变（通过编程组态）； 调节参数（P, Ti, Td）可变。 22 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 一、数字式调节器构成原理 数字式调节器由二大部分组成： 1.以微处理器(CPU)为核心构成的硬
10、 件电路部分； 2.系统程序和用户程序构成的软件 部分。 23 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 数字式调节器的硬件电路 数字式调节器的硬件电路构成框图 24 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 主机电路 完成数据传递、算术 逻辑运算、转移控制等功能 。 ROM存放系统程序。 EPROM存放用户程序。 RAM 存放输入数据、显示数据、 运算的中间值和结果值。 CTC的定时功能用来确定调节器的采样周期， 并产生串行通信接口所需的时钟脉冲。 计数功能主要用来对外部事件进行计
11、数。 25 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 I/O接口 I/O接口是CPU同过程输入、输出通 道等进行数据交换的器件，它有并行接 口和串行接口两种。 并行接口具有数据输入、输出双向传送和位传送的功 能，用来连接过程输入、输出通道，或直接输入、输 出开关量信号。 串行接口具有异步或同步传送串行数据的功能，用来 连接可接收或发送串行数据的外部设备。 26 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 过程输入通道 模拟量输入通道 将多个模拟量输入信号分别转换 为CPU所接受的数字量
12、。 多路模拟开关将多个模拟量输入 信号分别连接到采样/保持器。 采样/保持器具有暂时存储模拟输 入信号的作用。 A/D转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。 利用D/A转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模 /数转换的。 27 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 过程输入通道 开关量输入通道 开关量输入通道将多个开关输入 信号转换成能被计算机识别的数 字信号。 开头量指的是在控制系统中电接 点的通与断，或者逻辑电平为 “1” 与 “0”这类两种状态的信号。 开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行 隔离传输。 28
13、控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 过程输出通道 模拟量输出通道 依次将多个运算处理后的 数字信号进行数/模转换。 D/A转换器起数/模转换作用。 V/I转换器将15V的模拟电压信号转换成420mA的 电流信号。 29 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 过程输出通道 开关量输出通道 开关量输出通道通过锁存器 输出开关量（包括数字、脉 冲量）信号，以便控制继电 器触点和无触点开关的接通 与释放，也可控制步进电机 的运转。 采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输。 30
14、控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 人机联系部件 正面板有： 测量值、给定值和 输出电流显示器； 状态显示灯； 运行状态(自动/串级/手动)切 换按钮； 给定值增/减按钮； 手动操作按钮等。 侧面板有： 设置和指示各种参数的键盘 ； 显示器等。 31 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 通信接口电路 通信接口将欲发送的数据转换成标 准通信格式的数字信号，经发送电路 送至通信线路（数据通道）上；同时 通过接收电路接收来自通信线路的数 字信号，将其转换成能被计算机接受 的数据
15、。 通信接口有串行和并行两种： 并行传送是以位并行、字节串行形式； 串行传送为串行形式，即一次传送一位，连续传送。 32 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 数字式调节器的软件 数字式调节器的软件分为两大部分： 系统程序和用户程序（对于可编程调节 器）。 系统程序: 系统程序是调节器软件的主体部分，通常由 监控程序和功能模块两部分组成 。 用户根据控制系统要求，在系统程序中选择 所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接 起来。称为：组态 。 用户程序: 33 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 系统程序 监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并实现所 规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。其主要 完成的任务有： 系统初始化 中断管理 自诊断处理 键处理 定时处理 通信处理 掉电处理 运行状态控制 34 控制仪表和计算机控制装置太原理工大学信息学院自动化系太原理工大学信息学院自动化系 上页下页目 录 系统程序 功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要的 功能模块以构成用户程序，使调节器实现用户所规定的 功能。调节器提供的功能模块主要有： 数据传送 高值选择和低值选择 PID运算 上限幅和上限幅 四则运算 折线逼近法函数运算 逻辑运算
