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1、北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除 第5章 数字调节器本章主要内容： 数字调节器的基本构成 模拟量输入/输出通道 数字式PID调节器 PID参数自整定调节器 常用数字式PID调节器1北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除5. 1 数字式控制器的基本构成 模拟式调节器的局限性越来越明显： 1）功能单一，灵活性差； 2）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便； 3）接线
2、过多，系统维护难度大。数字式控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通 道、过程输出通道、人/机接口电路以及通信接口电路 等构成。 1.数字式控制器的硬件电路 北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除数字式控制器的硬件电路 北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除（1）主机电路 主要由微处理器CPU、只读存储器ROM和 EPROM、随机存储器RAM、定时/计数器CTC以及输入/
3、输出接口 等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和各组 成部分的管理。 （2）过程输入通道 包括模拟量输入通道和开关量输入通 道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、采样/ 保持器和A/D转换器等组成，其作用是将模拟量输入信号转换 为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开关输入信号 通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的数字信号。 （3）过程输出通道 主要包括模拟量输出通道和开关量输 出通道两部分，其中模拟量输出通道由D/A转换器、多路模拟 开关输出保持器和V/I转换器等组成，其作用是将数字信号转 换为15V模拟电压或420mA模拟电流信号。开关量输出通 道则通过输出缓冲器
4、输出开关量信号，以便控制继电器触点 或无触点开关等。 北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除（4）人/机联系部件 主要包括显示仪表或显示器、手动 操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正面和侧面 。正面的设置与常规模拟式控制器相似，有测量值和设定 值显示表、输出电流显示表、运行状态切换按钮、设定值 增/减按钮、手动操作按钮等。侧面则有设置和指示各种参 数的键盘、显示器等。 （5）通信部件 主要包括通信接口、发送和接收电路等 。通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数字信号 ，由
5、发送电路送往外部通信线路，再由接收电路接收并将 其转换成计算机能接收的数据。数字通信大多采用串行方 式。 北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除（1）系统管理软件 主要包括监控程序和中断处理程序两 部分，它们是控制器软件的主体。监控程序又包含系统初 始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断处理及运行状 态控制等模块；中断处理程序则包含键处理、定时处理、 输入处理和运算控制、通信处理和掉电处理等模块。（2）用户应用软件 用户应用软件由用户自行编制，采用 POL(面向过程语言)编程，因而
6、设计简单、操作方便。在 可编程控制器中，这些应用软件以模块或指令的形式给出 ，用户只要将这些模块或指令按一定规则进行连接（亦称 组态）或编程，即可构成用户所需的各种控制系统。 2. 数字式控制器的软件 北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除5.2 模拟量输入/输出通道一. 模拟量输入通道1、分类：从接受电信号的电平分：高电平和低电平输入通道；从抗干扰性能角度分：非隔离型和隔离型高抗干扰输入 通道；从结构上可按共用一个放大器或A/D转换器及不共用多 种组合。7北京地铁矿山法区间隧道结
7、构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除（1）共用一个采样/保持器（S/H）和A/D转换器的高电平 模拟量输入通道（如下图所示）。8北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除（2）各通道分用采样保持器，共用 A/D转换器的模拟量 输入通道（如下图所示）9北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草
8、防除二、模拟量输出通道在数字调节器中，运算处理后得到的控制信号仍是数字 量，需经模拟量输出通道变换为能直接驱动执行器的信号。进行闭环连续控制的执行器大致有以下几类：1）由伺服马达驱动的电动执行器。2）由电气转换器驱动的气动执行器。3）由步进电动机驱动的电动执行器。4）控制电加热系统的晶闸管。输出通道根据所用D/A转换器的情况可有两种形式。10北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除多个输出通道共用一个D/A转换器，其结构示意图如下 图所示。11北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-
9、石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除每个通道各用一个 D/A转换器，其结构如下图 所示。12北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除一、数字式调节器控制规律的实现 5.3 数字式PID调节器DDZ-调节器是模拟式调节器，它利用电子电路进 行连续的PID运算。数字式调节器以微计算机为核心进行有关控制规律 的运算，所有控制规律的运算都是周期性的进行，即数字 式调节器是离散系统。因此，用于连续系统的PID控制规 律
10、必须进行离散化后方可应用于数字式调节器。控制算法：基本PID算法改进PID算法实现形式：位置型、增量型、速度型和偏差型 13北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除二、数字调节器的设计方法数字调节器控制算法的设计有模拟化设计方法和数字化 设计方法两种。数字调节器的模拟化设计方法是基于将数字控制系统看 一个连续系统，如下图所示。14北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除直接
11、数字化设计是设计数字调节器的另一种方法，它 是将计算机控制系统看成一个离散系统，如下图所示。它 实际上是通过零阶保持器和采样器将连续对象离散化了。 利用离散系统理论，可以根据系统性能指标要求直接求出 数字控制器的离散算法D（Z）。15北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除 三、PID控制算式（一）PID控制算式的基本形式数字调节中的PID控制算式是将PID的模拟表达式进行 离散化而得到的。PID的模拟表达式为式中 p调节器的输出信号；e调节器的偏差输入信号，是测量值m与给定值r 之
12、差，e=r-m；KP、TI、TD分别为调节器的比例系数、再调时间（ 也称积分时间）、预调时间（也称微分时间）。16北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除因为采样周期Ts相对于信号变化周期是很小的，这 样可用矩形法计算积分，用向后差分代替微分，则上式 变成离散PID算式为式中t=Ts采样周期；pn第n次采样时调节器的输出；en第n次采样的偏差值en=r-mn；n采样序号。上式为位置式算式，其计算出的输出量与执行机构 （阀门）的位置相对应。 17北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-
13、石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除由上式同样可列出第（nl）次采样的输出表达式由上面两式相减，可得PID调节器输出增量的表达式式中KIPID控制算式的积分系数KIKPTS/TI；KDPID控制算式的微分系数KD=KPTD/TS。上式运算结果pn表示了执行机构（阀门）位置应 改变的增量，为增量式算式。18北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除位置式和增量式两种控制算式在本质上并无多少区别， 只不过在用位置式
14、算式时，pn=pi的任务由软件完成，而 在用增量式控制算式时，则需由硬件中的输出通道来完成。 采用位置式和增量式算式时，数字控制系统示意图如下图所 示。19北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除由上述可见，两种算式在本质上是一样的，但增量式 算式却有一些优点，使它的应用更广泛。这些优点主要有 ：1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分 ，误动作时影响小。必要时通过逻辑判断进行保护，不会 严重影响系统状态。2）易于实现手动-自动的无扰切换。20北京地铁矿山法区间隧道结构设计
15、方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除（二）PID控制算式的变型为了改善控制质量，针对不同对象，PID控制中引入了 许多新内容，我们仅举以下几个例子。（1）完全微分PID算法位置型：增量型：21北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除 （2） 不完全微分PID算法 完全微分PID算法的缺点：微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制 系统振荡，降低控制品质； 阀门开度时间与调节器的输出信号时间
16、不相对应 。不完全微分PID调节器：在完成微分PID的输出端串联一阶惯性环节，如 下图所示。 不完全微分PID调节器组成原理框图 22北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除不完全微分PID算法的输出在较长时间内仍有微分作用，可获得较 好的控制效果，在数字式调节器广泛应用。 不完全微分PID位置型算法： 不完全微分PID增量型算法： 23北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究-石家庄铁道大学常用血管活性药物药物在危重病儿童应用的护理进展春光集团企业宣传片创意方案大豆玉米田杂草难治杂草防除（3） 抗积分饱和算法(积分分离 PID控制)数字调节调节 器最简单简单 的抗积积分饱饱和方法是积积分分离法 ，其基本原 理是，在偏差 较较小时加入积分作用；而 较大时取消积分作用。这 样便减轻积分累计的饱和程度，以达到抗积分饱和的目的。对于理想PID算
