计算机控制系统-5数字控制器(1).

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1、第5章 数字控制器的设计 主要内容： （1）控制规律与控制器 （2）数字PID算法 （3）最少拍控制器 重点：控制规律、算法及其实现 难点：控制算法的建立 5.0. 5.0. 概述概述 5.1.5.1.控制规律（调节规律）控制规律（调节规律） 5.2. 5.2. 模拟控制器简介模拟控制器简介 5.3. 5.3. 数字控制器简介数字控制器简介 5.4. 5.4. 数字控制器设计数字控制器设计 第5章 数字控制器的设计 5.0. 概述 1、控制器也称为调节器、调节单元 将来自变送器的测量值与给定值相比较产生偏差， 再对偏差进行PID或以其它控制规律进行运算形成控制信号， 将控制信号转换成标准信号输

2、出去控制执行机构的动作， 实现对工艺变量或过程的自动控制。 作用: 计算机控制系统中有没有“控制器”？ 2、控制器的类型有哪些？ 按内部信号类型，分为模拟式和数字式控制器。 按结构， 5.0. 概述 分为基地式、单元组合式和组装式(综合集成式)控制器； 仪表式、系统式 模拟调节器 数字控制器 数字显示控制器 还有吗？ DCS PLC 信号 输入 检测 仪表 控制 算法 正反作用选择 正作用反作用 给定 值 手自动切换 自动手动 手动 输出 控制信 号输出 执行 器 + + - - 无扰动 切换 PID控制 参数设置 输入信 号显示 输出阀 位显示 模拟调节器 数字控制器 计算机系统 电路 输入

3、接口 输入接口或模块 电路 输出接口 输出接口 或模块 电路 CPU+软件 CPU+软件 3、控制“器”的基本组成 5.0. 概述 5.1.5.1.控制规律（调节规律）控制规律（调节规律） 一、何为控制器的控制规律 测量值 控制规律就是控制器的输出随输入(偏差)变化的规律(控制器特性) 5.1.控制规律 控制规律 偏差 给定值 输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节 输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节 例如：对于控制器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用控制器 通过选择控制器的正、反 作用特性来满足系统负反 馈的要求 过过渡过过程和品质质指标标 思考题：从哪些方面

4、来评价控制系统的控制质量？ （1）过渡过程 在分析控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。（Why？） 控制器 执行器 （调节阀） 被控对象 （换热器） 测量元件、变送装置 被控变量（T） 干扰 给定值 受输入作用后系统失稳，在控制系统作用下，被控变量回 复到新的平衡状态的过程。 典型的过渡过程 t y e可能会怎么变？ t y t y t y t y t y 哪些可以哪些可以 被接受？被接受？ 非周期衰减过程 衰减振荡过程 等幅振荡过程 发散振荡过程 单调发散过程 ？ X X 一般是不允许的 除开关量控制回路 哪种更容易哪种更容易 被接受？被接受？ 自动控制系统希望的结果： 最大偏差（超调量）

5、？ 衰减比？ 余差？ 过渡时间？ 振荡周期？ 答：越小越好答：越小越好 n1等幅振荡 n1发散振荡 n1衰减振荡 不振荡 为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；这种过渡过 程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过 程 不振荡：不便于操作人员掌握。 答：越小越好答：越小越好 答：越小越好答：越小越好 答：短好答：短好 拉普拉斯变换 将实变量 t 的函数 f(t) ，变换成复变量 s （s=+j）的函数 F(s) 。 记为： 拉 氏 变 换 拉氏反变换 解： 根据定义 阶跃函数的拉氏变换 解： 解： 指数 部 分 常 用 的 拉 氏 变 换 公 式 表

6、象函数 F(s) 原函数 f(t)，t0 拉氏变换的性质拉氏变换的性质 线性性质 平移性质（时移） 微分性质 积分性质 卷积性质 极限性质 已知连续信号f(t)经过采样周期为T的采样开关后， 变成离散的脉冲序列函数f *(t)即采样信号。 Z Z变换变换 1.1.Z Z变换的定义变换的定义 对上式进行拉氏变换，则 函数与一个函数相乘后再积分函数与一个函数相乘后再积分 （ 函数采样性质的表达式）函数采样性质的表达式） 上式中，F*(s)是离散时间函数f *(t)的拉氏变换，因复变量s含在指数e-kTs中 是超越函数不便于计算，故引一个新变量z=eTs， 并将F*(s)记为F(z)则 式中F(z)

7、就称为离散函数f *(t)的Z变换。 常用函数的拉氏变换和z变换表 1(t)11 拉氏变换 时间函数 Z变换 序号 2 3 4 5 6 7 比例积分微分控制比例积分微分控制 PIDPID 工业现场，常将工业现场，常将P P、I I、D D三种作用规律结合起来使用，可以得到较为满意三种作用规律结合起来使用，可以得到较为满意 的控制效果，习惯上称为的控制效果，习惯上称为PIDPID控制规律，其理想的输出输入关系为：控制规律，其理想的输出输入关系为： 实际实际PIDPID算法算法 KiKi积分增益，一般较大，积分增益，一般较大， IIIIII型模拟调节器约型模拟调节器约1010 4 4 1010 5

8、 5 KdKd微分增益，一般为微分增益，一般为5 51010 二、二、 控制规律及其对过渡过程的影响控制规律及其对过渡过程的影响 uP uD uPID e(t)e(t) uP uD uPID uIuI 液位液位滞后不大，控制要求一般不高，常用滞后不大，控制要求一般不高，常用P P或或PIPI调节规律调节规律 流量流量滞后很小，响应快，测量信号有脉动信号，常用滞后很小，响应快，测量信号有脉动信号，常用PIPI调调 节规律（一般不能加节规律（一般不能加DD）；）； 压力压力液体介质：滞后小，气体介质：滞后适中，常用液体介质：滞后小，气体介质：滞后适中，常用P P或或 PIPI调节规律，有时可用位式

9、控制；调节规律，有时可用位式控制； 温度温度滞后较大，响应较慢，常用滞后较大，响应较慢，常用PIDPID调节规律。调节规律。 三、控制规律的选择（三、控制规律的选择（怎么控怎么控） 常用的几种控制规律 位式控制 纯比例控制 比例积分控制 比例微分控制 比例积分微分控制 应用面应用面 ：适用于被控对象是容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太 激烈，允许波动范围较宽的场合。 ：控制及时，有余差；适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大 、允许存在余差的场合。 ：能消除余差；稳定性降低，超调量、振荡周期都会相应增大 ，过渡时间也会相应增加。 适用于控制通道滞后较小、负 荷变化不大、不允许存在余差的场合。

10、 ：超前控制，被控对象有较大（容量）滞后时，能有效地改善 控制质量。微分作用太大可能会使系统产生振荡甚至失稳 。 ：综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量 滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。 控制规律的选择主要包括三方面的内容： （1）选择合适的控制规律 （2）确定好控制器的正反作用保证系统为负反馈 （3）设置好控制器参数（位式控制的阈值和滞回区间，其 它控制策略的Kp、Ti和Td） 控制系统的投运与参数整定控制系统的投运与参数整定 控制器的参数整定控制器的参数整定 整定控制器参数有哪些方法？ 运用数学方法计算求取结合各种模型、积分性能指标等直接求取 根据过渡过程的某些特征参数

11、来估算控制器参数 根据经验直接来确定控制器参数 t y 临界比例度法 y t y t 10:1 衰减曲线法 4:1 理论 计算法 工程 整定法 临界比例度法1. 先将控制器放在纯比例作用 2. 施加干扰作用 3. 从大到小地逐渐改变比例度，直至系统产生等幅振荡 4. 记录此时的比例度(临界比例度K)和振荡周期(临界振荡周期Tk) 5. 查表计算出控制器的各参数整定数值。 Tk t f t y 临界振荡过程 临界比例度法参数计算公式 控制作用比例度 % 积积分时时 间间(min) 微分时间时间 (min) 比例2K 比例积积分2.2K 0.85Tk 比例微分1.8K 0.85Tk 比例积积分微分

12、1.7K 0.5Tk 0.125Tk 注意：当临界比例度不存在或者过小、或者工艺不允许出现 等幅振荡时，该方法不适用。 衰减曲线法 1. 将控制器放在纯比例作用 2. 施加干扰作用 3. 从大到小地逐渐改变比例度，直至系统出现4:1或10:1衰减比 4. 记录此时的比例度(S )和振荡周期(Ts)或上升时间(T升) 5. 然后按经验公式计算出各参数整定数值。 控制作用比例度积积分时间时间微分时间时间 比例S 比例积积分1.2S 0.5Ts 比例积积分微分0.8S 0.3Ts 0.1Ts 4:1衰减法参数计算公式表 y t Ts 4:1 t f y t T升 10:1 控制作用比例度积积分时间时

13、间微分时间时间 比例S 比例积积分1.2S 2T升 比例积积分微分0.8S 1.2T升 0.4 T升 10:1衰减法参数计算公式表 衰减曲线法 1. 将控制器放在纯比例作用 2. 施加干扰作用 3. 从大到小地逐渐改变比例度，直至系统出现4:1或10:1衰减比 4. 记录此时的比例度(S )和振荡周期(Ts)或上升时间(T升) 5. 然后按经验公式计算出各参数整定数值。 控制作用比例度积积分时间时间微分时间时间 比例S 比例积积分1.2S 0.5Ts 比例积积分微分0.8S 0.3Ts 0.1Ts 4:1衰减法参数计算公式表 y t Ts 4:1 t f y t T升 10:1 控制作用比例度

14、积积分时间时间微分时间时间 比例S 比例积积分1.2S 2T升 比例积积分微分0.8S 1.2T升 0.4 T升 10:1衰减法参数计算公式表 采用衰减曲线法必须注意以下几点： 加的干扰幅值不能太大，一般为额定值的5左右; 必须在参数稳定时才能施加干扰，否则得不到正确的S、Ts、T升。 对于如流量、管道压力和小容量的液位等反应快的系统，要在记录曲 线上严格得到4：1衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次 达到稳定，就可以近似地认为达到4：1衰减过程了。 经验凑试法 被控对象对象特性 比例度 积分时间 (min) 微分时间 (min) 流量 (对象时间常数小，有脉动)要大，TI要短，不用微

15、分 40100 0.31 温度 (对象容量滞后大)应小，TI要长，一般需加微分 2060 310 0.50.3 压力 对象容量滞后不大，一般不用微分 3070 0.43 液位 对象时间常数范围较大，一般不用微分 2080 0.43 “看曲线，调参数 ” 响应曲线主要会有哪些信息？ 被控变量 被控变量 控制作用强，振荡 控制作用弱，缓慢 Ti过小引起的振荡周期较长；如曲线a 过小引起的振荡周期较短；如曲线b Td过大引起的振荡周期最短；如曲线c 过大，波动幅度大、不规则，如图曲线a。 Ti过大，曲线通过非周期的、慢慢 地回复到给定值，如曲线b 控制系统的投运控制系统的投运 （1）确定被控变量对生产安全、质量、产量具有决定作用的“关键”的 工艺参数 （2）确定控制变量在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量 影响显著而且可控性良好的输入作为控制变量 （3）选择执行器、从安全角度确定执行器正反作用（气开、气关作用） （4）从保证系统为负反馈出发确定控制器正反作用 （5）根据经验确定或估算