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1、第五章第五章常用微机控制技术常用微机控制技术5.1数字数字PID控制器控制器5.2串级控制技术串级控制技术5.3前馈前馈-反馈控制技术反馈控制技术5.4顺序控制技术顺序控制技术5.5模糊控制技术模糊控制技术5.6神经网络控制技术神经网络控制技术5.1数字数字PID控制器控制器一、数字控制器一、数字控制器二、二、PID三量的控制作用三量的控制作用三、三、PID控制规律的数字化实现算法控制规律的数字化实现算法四、数字四、数字PID控制器的改进控制器的改进五、数字五、数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定一般工业控制对象都是连续系统，而计算机一般工业控制对象都是连续系统，而计算机是处理数字信号的
2、，这样的系统中既有连续信号是处理数字信号的，这样的系统中既有连续信号又有离散信号，称为又有离散信号，称为混合系统混合系统。一、数字控制器一、数字控制器见下页图示。见下页图示。1.数字控制器的两类设计方法数字控制器的两类设计方法 从从AB两点向左看，即把两点向左看，即把D/A转换器、数字控制器、转换器、数字控制器、A/D转换器看作一个整体，可等效成一个模拟控制器转换器看作一个整体，可等效成一个模拟控制器D(s)，加上对加上对象象G0(s)，这时整个系统可看作连续系统，见下页图这时整个系统可看作连续系统，见下页图a。 若从若从AB两点向右看，即把两点向右看，即把D/A转换器、被控对象、转换器、被控
3、对象、A/D转转换器看为一体，等效成一个离散对象换器看为一体，等效成一个离散对象G(z)，加上数字控制器加上数字控制器D(z)，这时整个系统可看作离散系统，见下页图这时整个系统可看作离散系统，见下页图b。所以对于所以对于混合系统，控制器混合系统，控制器有两种设计方法，一是先按连有两种设计方法，一是先按连续系统设计出模拟的控制器，然后再离散化。二是直接设计出续系统设计出模拟的控制器，然后再离散化。二是直接设计出数字控制器。数字控制器。所谓设计数字控制器，就是在已知对象数学模型和要求达所谓设计数字控制器，就是在已知对象数学模型和要求达到的性能指标基础上，设计出满足要求的计算机编程算法。到的性能指标
4、基础上，设计出满足要求的计算机编程算法。2.数字控制器的连续化设计数字控制器的连续化设计（1）按给定的对象）按给定的对象G0(s)和要求的性能指标，用连和要求的性能指标，用连续系统的设计方法设计续系统的设计方法设计出模拟控制器出模拟控制器D(s)；（2）选择合适的采样周期；）选择合适的采样周期；（3）将）将D(s)离散化为离散化为D(z)；根据选定的采样周期，选用一种方法，由根据选定的采样周期，选用一种方法，由D(s)求求出出D(z)；（4）仿真检查系统性能是否满足设计要求；仿真检查系统性能是否满足设计要求；（5）按算法编程）按算法编程。返回本节1.比例控制器比例控制器设比例控制器控制规设比例
5、控制器控制规律为律为二、二、PID三量的控制作用三量的控制作用比例控制器阶跃响应曲线比例控制器阶跃响应曲线比例控制能迅速反映偏比例控制能迅速反映偏差，调节作用及时，从差，调节作用及时，从而减小误差，但比例控而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差；制不能消除稳态误差；当当Kp调得太大时，可调得太大时，可能引起系统的不稳定。能引起系统的不稳定。2.比例积分控制器比例积分控制器设积分控制器控制规设积分控制器控制规律为律为积分控制器阶跃响应曲线积分控制器阶跃响应曲线为积分时间常数，为积分时间常数，表示积分速度的大小，表示积分速度的大小，越小，积分速度越快，越小，积分速度越快，作用越强。作用越强。积分控
6、制的作用是，只要系统存在偏差，积积分控制的作用是，只要系统存在偏差，积分控制作用就不断地积累，积分项对应的控制量分控制作用就不断地积累，积分项对应的控制量不断增大，以消除误差。积分控制是靠对偏差积不断增大，以消除误差。积分控制是靠对偏差积累进行控制的，控制起作用缓慢。如果积分作用累进行控制的，控制起作用缓慢。如果积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。设比例积分控制器控设比例积分控制器控制规律为制规律为比例积分控制器阶跃响应曲线比例积分控制器阶跃响应曲线比例积分控制器可以比例积分控制器可以使系统的响应快速性和使系统的响应快速性和稳态精度得以改
7、善。稳态精度得以改善。3.比例、积分、微分控制器比例、积分、微分控制器微分控制器阶跃响应曲线微分控制器阶跃响应曲线设微分控制器控制规设微分控制器控制规律为律为微分作用与偏差信号的微分作用与偏差信号的变化率成正比，有助于减变化率成正比，有助于减小超调量，克服振荡，提小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性。高系统的稳定性。微分控制具有预测误差变化趋势的作用，具微分控制具有预测误差变化趋势的作用，具有超前控制作用，可以加快系统的动态响应速度，有超前控制作用，可以加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。减小调整时间，从而改善系统的动态性能。缺陷是容易引入高频噪声，在存在严重干扰的情
8、缺陷是容易引入高频噪声，在存在严重干扰的情况下不宜引入微分控制作用。况下不宜引入微分控制作用。则则PID控制器控制规律为控制器控制规律为返回本节三、三、PID控制规律的数字化实现算法控制规律的数字化实现算法1.模拟模拟PID控制器控制器在工业控制系统中，常常采用如图所示的单回路在工业控制系统中，常常采用如图所示的单回路PID控制系统。控制系统。单回路单回路PID控制系统控制系统拉氏变换并整理后可得拉氏变换并整理后可得PID控制器的传递函数控制器的传递函数其控制规律为其控制规律为:即由计算机软件来实现即由计算机软件来实现PID控制律，可将模拟控制律，可将模拟PID控制规律通过离散化方法获得数字控
9、制规律通过离散化方法获得数字PID控制算法。控制算法。2.数字数字PID控制算法控制算法对应的差分方程为：对应的差分方程为：此式称为此式称为位置式位置式PID算式，其控制系统图如下。算式，其控制系统图如下。位置式位置式PID控制算法程序框图控制算法程序框图PIDPI由此位置式由此位置式PID算式可推导出算式可推导出增量式增量式PID算式：算式：其中：其中：为比例增益，为比例增益，为积分系数，为积分系数，为微分系数。为微分系数。为了编程方便，可按偏差项合并整理成如下形式：为了编程方便，可按偏差项合并整理成如下形式：此式称为增量式数字此式称为增量式数字PID算式，其中：算式，其中：增量式增量式PI
10、D控制算法程序框图控制算法程序框图采采用用增增量量式式数数字字PID算算式式计计算算得得到到的的是是控控制制量量的的增量增量。增量型算法具有以下优点。增量型算法具有以下优点。(1)不不需需要要做做累累加加，增增量量的的确确定定仅仅与与最最近近几几次次偏偏差差采采样样值值有有关关。计计算算精精度度对对控控制制量量的的计计算算影影响响较较小小。而而位位置置型型算算法法要要用用到到过过去去的的偏偏差差的的累累加加值值，容容易易产产生大的累加误差。生大的累加误差。(2)增增量量型型算算法法得得出出的的是是控控制制量量的的增增量量，例例如如阀阀门门控控制制中中，只只输输出出阀阀门门开开度度的的变变化化部
11、部分分，误误动动作作影影响响小小，必必要要时时通通过过逻逻辑辑判判断断限限制制或或禁禁止止本本次次输输出出，不不会会严严重重影影响响系系统统的的工工作作。而而位位置置型型算算法法是是控控制制量量的全量输出，误动作影响大。的全量输出，误动作影响大。(3)采采用用增增量量型型算算法法，易易于于实实现现手手动动到到自自动动的的无无冲冲击击切切换换。在在手手动动到到自自动动切切换换时时，增增量量型型算算法法不不需需要要知知道道切切换换时时刻刻前前的的执执行行机机构构位位置置，只只要要输输出出控控制制增增量量就就可可以以做做到到无无扰扰切切换换。而而位位置置型型算算法法实实现现无无扰扰手手动动到到自自动
12、动切切换换，必必须须知知道道切切换换时时刻刻前前的的执执行行机机构构的位置，无疑增加了设计的复杂性。的位置，无疑增加了设计的复杂性。鉴鉴于于增增量量型型算算法法的的优优点点，可可对对位位置置型型算算式式做做下下面改进：面改进：这这是是位位置置型型PID控控制制算算式式的的递递推推算算法法，它它克克服服了了计计算算偏偏差差累累计计和和的的弊弊端端,成成为为实实用用的的位位置置式式PID控控制制算式。算式。下下图图为为5151单单片片机机PID增增量量型型控控制制算算法法的的流流程程图图，算算法法以以子子程程序序调调用用的的形形式式出现。出现。q0q0、q1q1、q2q2提前算好，提前算好，e(k
13、-1)e(k-1)和和e(k-2)e(k-2)在程序初始化阶段置零。在程序初始化阶段置零。 程序的入口参数：程序的入口参数： 给定值给定值r r 测量值测量值y y 偏差偏差e(k)e(k)、e(k-1)e(k-1)、e(k-2)e(k-2) 这这5 5个个参参数数均均为为3 3字字节节的的浮浮点点数数，低低字字节节存存放放浮浮点点数数的的阶阶码码和和符符号号，其其中中符符号号存存放放在在最最高高位位，阶阶码码以以补补码码的的形形式式存存放放在在低低7 7位位中中。尾尾数数以以原原码码的的形形式式存放在另两个字节中。存放在另两个字节中。 程序见下页：程序见下页：PID：MOVR0,#62HMO
14、VR1，#59HLCALLSUBF；计算计算e(k)MOVR1，#56HLCALLSAVE；调用调用SAVE子程序，子程序，入入56H58HMOVR1，#5CHMOVR2，#06HLCALLLOAD；调用调用LOAD子程序，子程序，取出取出q0值存入值存入5CH5EHMOVR0，#56HMOVR1，#5CHLCALLMULF；计算计算q0e(k)MOVRl，#5CHLCALLSAVE；存入存入5CH5EHMOVR1，#5FHMOVR2，#09HLCALLLOAD；调用调用LOAD子程序，取子程序，取出出q1值存入值存入5FH61HMOVR0，#53HMOVR1，#5FHLCALLMULF；计算
15、计算q1e(k-l)MOVR1，#5FHLCALLSAVE；存入存入5FH61HMOVR0，#5CHMOVRl，#5FHLCALLADDF；计算计算q0e(k)+q1e(k-1)MOVR1，#5CHLCALLSAVE；存入存入5CH5EHMOVR1，#5FHMOVR2，#0CHLCALLLOAD；调用调用LOAD子程序，取出子程序，取出q2值存入值存入5FH61HMOVR0，#50HMOVR1，#5FHLCALLMULF；计算计算q2e(K-2)MOVR1，#5FHLCALLSAVE；存入存入5FH61HMOVR1，#5FHMOVR0，#5CHLCALLADDF；计算计算u(k)MOVR1，#
16、5CHLCALLSAVE；存入存入5CH5EHMOV50H，53H；更新更新e(k-2)MOV51H，54HMOV52H，55HMOV53H，56H；更新更新e(k-l)MOV54H，57HMOV55H，58HRET3.数字数字PID算法实施时的问题算法实施时的问题（1）算法编程）算法编程确定选择定点运算还是浮点运算，采用确定选择定点运算还是浮点运算，采用PC工工控机时，大多用浮点运算，运算精度高。应用单片控机时，大多用浮点运算，运算精度高。应用单片机作为数字控制器，通常采用定点运算，特点是运机作为数字控制器，通常采用定点运算，特点是运算速度快算速度快。（2）输出限幅）输出限幅执行机构都有极限
17、位置，与控制器对应有最大执行机构都有极限位置，与控制器对应有最大控制量和最小控制量。控制量和最小控制量。（3）积累整量化误差）积累整量化误差增量型增量型PID运算中，积分项是用运算中，积分项是用计算的。定点运算时，如果采样周期计算的。定点运算时，如果采样周期T较小，而积分较小，而积分时间时间TI又较大时，又较大时，会认为会认为uI为为0，从而产生积分整，从而产生积分整量化误差，实际上等于无积分作用。解决办法是当量化误差，实际上等于无积分作用。解决办法是当积分项很小时，不把它舍弃，而是将其累加起来积分项很小时，不把它舍弃，而是将其累加起来，再参与运算。再参与运算。返回本节四、数字四、数字PID控
18、制器的改进控制器的改进数字数字PID控制器，实际上是用软件算法去模仿模控制器，实际上是用软件算法去模仿模拟控制器，其控制效果一般不会比模拟控制器更好。拟控制器，其控制效果一般不会比模拟控制器更好。因此，必须对数字因此，必须对数字PID控制器作些改进，才能发挥控制器作些改进，才能发挥计算机的运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活计算机的运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等优势。等优势。（1）积分分离法）积分分离法在在一一般般的的PID控控制制中中，当当系系统统受受到到较较大大的的扰扰动动或或给给定定值值大大幅幅度度改改变变时时，由由于于此此时时出出现现较较大大的的偏偏差差。结结合合系系统统固固有
19、有的的惯惯性性和和滞滞后后，在在积积分分项项的的作作用用下下，控控制制器器的的积积分分项项出出现现很很大大的的累累计计值值，往往往往使使系系统统输输出出产产生生较较大大的的超超调调和和长长时时间间的的波波动动。为为此此，可可采采用用积积分分分分离离措措施施，即即偏偏差差e(k)较较大大时时，取取消消积积分分作作用用；当偏差当偏差e(k)较小时才将积分作用投入。较小时才将积分作用投入。1.积分项的改进积分项的改进在阶跃给定时，没经过积分分离的曲线在阶跃给定时，没经过积分分离的曲线a出现出现了比较大的超调量。而曲线了比较大的超调量。而曲线b的超调量很小，因为的超调量很小，因为t时，工作在积分分离区
20、，积分不累计。积分分离时，工作在积分分离区，积分不累计。积分分离阈值应根据具体对象及控制要求确定。阈值应根据具体对象及控制要求确定。积分分离算法示意图积分分离算法示意图（2）抗积分饱和法）抗积分饱和法一般执行机构有两个极限位置：最大和最小，一般执行机构有两个极限位置：最大和最小，例如调节阀全开或全关。如果执行机构已到极限位例如调节阀全开或全关。如果执行机构已到极限位置，由于积分作用，计算置，由于积分作用，计算PID差分方程所得的运算差分方程所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构此时已无相应的结果继续增大或减小，但执行机构此时已无相应的动作，称该现象为积分饱和现象。动作，称该现象为积分饱和现象
21、。防防止止积积分分饱饱和和的的办办法法有有多多种种。最最简简单单的的是是遇遇限限停停止止积积分分法法。一一旦旦控控制制量量进进入入饱饱和和区区，将将控控制制量量u(k)限幅，同时把积分作用切除掉。即：限幅，同时把积分作用切除掉。即：克服积分饱和还可以用遇限削弱积分法、变速克服积分饱和还可以用遇限削弱积分法、变速积分法等积分法等。2.微分项的改进微分项的改进（1）不完全微分）不完全微分PID控制算法控制算法标准标准PID控制中微分作用，虽能减小系统超调控制中微分作用，虽能减小系统超调和缩短调节时间，但对高频扰动响应过于灵敏，容和缩短调节时间，但对高频扰动响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调
22、节品质。易引起控制过程振荡，降低调节品质。尤尤其其是是计计算算机机对对每每个个控控制制回回路路输输出出时时间间是是短短暂暂的的，而而驱驱动动执执行行器器动动作作又又需需要要一一定定时时间间，如如果果输输出出较较大大，在在短短暂暂时时间间内内执执行行器器达达不不到到应应有有的的相相应应开开度度，会使输出失真。会使输出失真。为了克服这一缺点，同时又要使微分作用有效，为了克服这一缺点，同时又要使微分作用有效，可以在可以在PID控制输出端串联一个惯性环节，这就形控制输出端串联一个惯性环节，这就形成了不完全微分成了不完全微分PID控制器，如下图所示。控制器，如下图所示。设一阶惯性环节的传递函数为设一阶惯
23、性环节的传递函数为对应的微分方程是对应的微分方程是已知模拟已知模拟PID控制器输出为控制器输出为代入上式右端得代入上式右端得离散化后可得不完全微分离散化后可得不完全微分PID位置型控制算式位置型控制算式式中式中不完全微分不完全微分PID控制器也有增量型控制算式控制器也有增量型控制算式，即，即式中式中称为积分系数称为积分系数称为微分系数称为微分系数标准位置式标准位置式PID和不完全微分和不完全微分PID的阶跃响应比较的阶跃响应比较标标准准PID控控制制算算式式中中的的微微分分作作用用只只在在第第一一个个采采样样周周期期内内起起作作用用，而而且且作作用用很很强强。而而不不完完全全微微分分PID控控
24、制制算算式式的的输输出出在在较较长长时时间间内内仍仍有有微微分分输输出出，且且第第一一次次输输出出也也没没有有标标准准PID控控制制强强，因因此此可可获获得得比比较较柔和的微分控制，带来较好的控制效果。柔和的微分控制，带来较好的控制效果。（2）微分先行）微分先行PID控制算式控制算式当系统输入给定值作阶跃升降时，会引起偏当系统输入给定值作阶跃升降时，会引起偏差突变。微分控制对偏差突变的反应是使控制量差突变。微分控制对偏差突变的反应是使控制量大幅度变化，给控制系统带来冲击，如超调量过大幅度变化，给控制系统带来冲击，如超调量过大，调节阀动作剧烈，严重影响系统运行的平稳大，调节阀动作剧烈，严重影响系
25、统运行的平稳性。采用微分先行性。采用微分先行PID控制可避免给定值升降时系控制可避免给定值升降时系统受到冲击。微分先行统受到冲击。微分先行PID控制和标准控制和标准PID控制的控制的不同之处在于，它只对被控量不同之处在于，它只对被控量y(t)微分，不对偏差微分，不对偏差e(t)微分，也就是说对给定值微分，也就是说对给定值r(t)无微分作用。该无微分作用。该算法对给定值频繁升降的系统无疑是有效的。算法对给定值频繁升降的系统无疑是有效的。微分先行微分先行PID控制器结构图控制器结构图微分先行微分先行PID控制器的增量型控制算式为：控制器的增量型控制算式为：3.带死区的带死区的PID控制算法控制算法
26、在在计计算算机机控控制制系系统统中中，某某些些系系统统为为了了避避免免执执行行机机构构动动作作过过于于频频繁繁，引引起起过过度度磨磨损损、疲疲劳劳以以致致影影响响使使用用寿寿命命，在在允允许许一一定定的的稳稳态态误误差差时时，可可采采用用所所谓谓带带有死区的有死区的PID控制系统，如图所示。控制系统，如图所示。返回本节五、数字五、数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定1.采样周期的选择采样周期的选择理理论论上上离离散散系系统统都都有有一一个个临临界界稳稳定定的的采采样样周周期期Tw，要要使使系系统统稳稳定定，采采样样周周期期T必必须须小小于于Tw，实实际际中中还应考虑：还应考虑：（1）给定
27、值的变化频率）给定值的变化频率给给定定值值变变化化频频率率越越高高，采采样样频频率率也也应应越越高高。这这样给定值的改变可以迅速通过采样得到反映。样给定值的改变可以迅速通过采样得到反映。（2）被控对象的特性）被控对象的特性若若被被控控对对象象是是慢慢速速的的热热工工或或化化工工对对象象时时，采采样样周周期期一一般般取取得得较较大大；若若被被控控对对象象是是较较快快速速的的系系统统时时，如机电系统，采样周期应取得较小。如机电系统，采样周期应取得较小。（3）执行机构的类型）执行机构的类型若若执执行行机机构构动动作作惯惯性性大大，采采样样周周期期也也应应大大一一些些，否则执行机构来不及反应数字控制器
28、输出值的变化。否则执行机构来不及反应数字控制器输出值的变化。（4）控制算法的类型）控制算法的类型采采用用PID算算法法时时，采采样样周周期期T太太小小，微微分分积积分分作作用用不不明明显显。T小小到到一一定定程程度度后后，偏偏差差e(k)会会始始终终为为零。零。（5）控制的回路数）控制的回路数控制的回路数越多，采样周期控制的回路数越多，采样周期T应越大应越大以上的考虑因素有些是相互矛盾的，必须根据以上的考虑因素有些是相互矛盾的，必须根据具体情况和系统要求作出折衷选择。工程实践中，具体情况和系统要求作出折衷选择。工程实践中，人们总结了常见被调量的经验采样周期，见表人们总结了常见被调量的经验采样周
29、期，见表5.1。被调被调量量采样周采样周期期T/s备注备注被调量被调量采样周采样周期期T/s备注备注流量流量15优先选用（优先选用（12s）温度温度1520取纯滞后时取纯滞后时间常数间常数压力压力310优先选用（优先选用（68s）成分成分1520液位液位68优先选用优先选用7s优先选优先选18s（1）各参数对系统性能的影响）各参数对系统性能的影响增增大大比比例例系系数数KP，一一般般将将加加快快系系统统的的响响应应，有有利利于于减减小小静静差差。但但过过大大的的KP会会使使系系统统有有较较大大的的超超调调，并产生振荡，使稳定性变坏。并产生振荡，使稳定性变坏。增增大大积积分分时时间间TI,有有利
30、利于于减减小小超超调调，减减小小振振荡荡，使使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增增大大微微分分时时间间TD,有有利利于于加加快快系系统统响响应应，使使超超调调量量减减小小，稳稳定定性性增增加加，但但系系统统对对扰扰动动的的抑抑制制能能力力减减弱，对扰动有较敏感的响应。弱，对扰动有较敏感的响应。2.按简易工程法整定按简易工程法整定PID参数参数 在在连连续续控控制制系系统统中中，简简单单易易行行的的参参数数整整定定方方法法是是简简易易工工程程法法。优优点点是是：整整定定参参数数时时不不必必依依赖赖被被控控对对象象的的数数学学模模型型。虽虽然然粗
31、粗糙糙一一点点，但但能能满满足足工工程程需需要要就就行行，适于现场应用。适于现场应用。（2 2）扩充临界比例度法）扩充临界比例度法 扩扩充充临临界界比比例例度度法法是是基基于于模模拟拟PIDPID控控制制器器的的临临界界比比例度法的扩充。整定数字控制器参数的步骤如下。例度法的扩充。整定数字控制器参数的步骤如下。 a. a. 选选择择一一个个足足够够短短的的采采样样周周期期，具具体体地地说说就就是是选选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。 b. b. 用用选选定定的的采采样样周周期期使使系系统统工工作作, , 去去掉掉积积分分作作用用（T
32、TI I取取很很大大的的数数）和和微微分分作作用用（T TD D=0=0），仅仅保保留留比比例例作作用用。然然后后逐逐渐渐减减小小比比例例度度( ( ) )，直直到到系系统统发发生持续等幅振荡。记下系统发生振荡的生持续等幅振荡。记下系统发生振荡的临界比例度临界比例度 及系统的及系统的临界振荡周期临界振荡周期T TK K。 c. c. 选择控制度选择控制度Q Q，控制度是以模拟控制器为基准，控制度是以模拟控制器为基准，将数字控制器的控制效果与模拟控制器的控制效果相将数字控制器的控制效果与模拟控制器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用偏差平方积分表示。比较。控制效果的评价函数通常用偏差平方积
33、分表示。实际应用中并不需要计算出两个误差平方积分，实际应用中并不需要计算出两个误差平方积分，控制度是仅表示控制效果的物理概念。例如，当控控制度是仅表示控制效果的物理概念。例如，当控制度为制度为1.05时，就是指数字控制与模拟控制效果相时，就是指数字控制与模拟控制效果相当；控制度为当；控制度为2.0时，是指数字控制比模拟控制效时，是指数字控制比模拟控制效果差。果差。d.根据选定的控制度，查表根据选定的控制度，查表5-2，求得，求得T、Kp、TI、TD的值。的值。e.在在PID控控制制器器中中设设定定所所得得参参数数，将将系系统统投投入入运运行行并并观观察察控控制制效效果果。根根据据效效果果可可适
34、适当当微微调调参参数数，以以获获得得满意的控制效果。满意的控制效果。注意注意：扩充临界比例度法应用时会使被控对象输出：扩充临界比例度法应用时会使被控对象输出产生振荡，在被控对象不允许出现振荡时，则不能使产生振荡，在被控对象不允许出现振荡时，则不能使用该整定法。用该整定法。表表5-2扩充临界比例度法整定参数表扩充临界比例度法整定参数表（3）扩充响应曲线法扩充响应曲线法这这是是工工程程中中的的另另一一种种整整定定法法，整整定定Kp，TI,TD和和T的步骤如下。的步骤如下。a.数字控制器不接入控制系统，手动突加阶跃信号。数字控制器不接入控制系统，手动突加阶跃信号。b.用记录仪表记录对象阶跃输入下的输
35、出飞升曲线用记录仪表记录对象阶跃输入下的输出飞升曲线c.在曲线最大斜率处作切线，按图示求得滞后时间在曲线最大斜率处作切线，按图示求得滞后时间被控对象时间常数被控对象时间常数，以及它们的比值，以及它们的比值，查表查表5-3可得：可得：Kp，TI,TD及采样周期及采样周期T。d.在在PID控控制制器器中中设设定定所所得得参参数数，系系统统投投入入运运行行并并观观察察控控制制效效果果。微微调调参参数数，以以获获得得满满意意的的控控制制效效果。果。表表5-3扩充响应曲线法整定参数表扩充响应曲线法整定参数表3.归一参数整定法归一参数整定法只需整定一个参数，故称为归一参数整定法。只需整定一个参数，故称为归
36、一参数整定法。已知增量型已知增量型PID控制的公式为控制的公式为如如令令T0.1Tk,TI0.5Tk,TD0.125Tk。式式中中Tk为纯比例作用下的临界振荡周期。则为纯比例作用下的临界振荡周期。则这这样样，整整个个问问题题便便简简化化为为只只要要整整定定一一个个参参数数KP。改改变变KP，观观察察控控制制效效果果，直直到到满满意意为为止止。该该法法为为实实现简易的自整定现简易的自整定PID控制带来方便。控制带来方便。试试凑凑法法是是通通过过仿仿真真或或实实际际运运行行观观察察系系统统对对阶阶跃跃输输入入的的响响应应，根根据据PID调调节节参参数数对对系系统统响响应应的的大大致致影影响响，反复
37、凑试控制器参数，直到满足要求。反复凑试控制器参数，直到满足要求。在在试试凑凑时时，可可参参考考以以上上影影响响趋趋势势，按按先先比比例例，后后积分，再微分积分，再微分的整定步骤。的整定步骤。整定步骤：整定步骤：a.先先整整定定比比例例部部分分(TI=,TD=0)将将KP由由小小变变大大，观观察察相相应应的的系系统统响响应应，直直到到得得到到反反应应快快，超超调调小小的的响响应应曲曲线线。如如果果系系统统没没有有静静差差或或静静差差已已小小到到允允许许范范围围内内，并并且且响响应应曲曲线线已已属属满满意意，比比例例系系数数可可由由此此确确定。定。4.试凑法整定试凑法整定PID控制器参数控制器参数
38、b.加入积分控制加入积分控制对静差不满意，可加积分控对静差不满意，可加积分控制。先置制。先置TI为一较大值，并将得到的为一较大值，并将得到的KP略为缩小一略为缩小一些些(如缩小为原值的如缩小为原值的0.8倍倍)，然后逐步减小，然后逐步减小TI，使系使系统有良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此统有良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可能要反复改变过程中，可能要反复改变KP与与TI，以期得到满意的以期得到满意的效果。效果。c.加入微分控制加入微分控制若用若用PI控制器消除了静差，但控制器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分控动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入
39、微分控制，构成制，构成PID控制器。在整定时，先置控制器。在整定时，先置TD为零。逐为零。逐步增大步增大TD，同时相应地改变同时相应地改变KP和和TI，逐步凑试，以逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。获得满意的调节效果和控制参数。返回本章首页5.2串级控制技术串级控制技术串串级级控控制制是是在在单单回回路路PID控控制制的的基基础础上上发发展展起起来来的的一一种种控控制制技技术术。当当PID控控制制应应用用于于单单回回路路控控制制一一个个被被控控量量时时，其其控控制制结结构构简简单单，控控制制参参数数易易于于整整定定。但但是是当当系系统统同同时时有有多多个个因因素素控控制制被被控控量量时
40、时，如如果果只只控控制制其其中中一一个个因因素素，很很难难满满足足系系统统的的控控制制性性能能。这这时时采采用用串串级级控控制制技技术术，在在原原控控制制回回路路中中，增增加加一一个或几个控制回路，可以提高系统的控制性能。个或几个控制回路，可以提高系统的控制性能。如图为炉温控制系统原理图。其中主回路为如图为炉温控制系统原理图。其中主回路为炉温控制，副回路为煤气流量控制。炉温控制，副回路为煤气流量控制。D1(s)为主控为主控制器，制器，D2(s)为副控制器，副对象为阀门，主对象为副控制器，副对象为阀门，主对象为加热炉。为加热炉。一、串级控制的结构一、串级控制的结构炉温串级控制结构图炉温串级控制结
41、构图不不管管串串级级控控制制有有多多少少级级，计计算算的的顺顺序序总总是是从从最最外面的回路向内外面的回路向内进行进行。二、数字串级控制算法二、数字串级控制算法下图为炉温计算机串级控制系统图，其中下图为炉温计算机串级控制系统图，其中H(S)为为零阶保持器，零阶保持器，T为采样周期，为采样周期，D1(z)、D2(z)通常是通常是PID控制器。控制器。炉温计算机串级控制系统炉温计算机串级控制系统炉温控制系统的计算顺序为：炉温控制系统的计算顺序为：（1）计算主回路的偏差）计算主回路的偏差e1(k)；（2）计算主回路控制器）计算主回路控制器D1(Z)的输出的输出u1(k)；（3）计算副回路的偏差）计算
42、副回路的偏差e2(k)；（4）计算副回路控制器）计算副回路控制器D2(Z)的输出的输出u2(k)；（5）计算副回路的输出）计算副回路的输出y2(t)；（6）计算主回路的输出）计算主回路的输出y1(t)。为为了了防防止止主主控控制制器器的的输输出出过过大大而而引引起起的的副副回回路路的的不不稳稳定定，同同时时也也为为了了克克服服副副对对象象惯惯性性过过大大而而引引起起的的品品质质恶恶化化，在在副副回回路路的的反反馈馈通通道道中中加加入入微微分分控控制制，称为副回路微分先行串级控制。如图所示。称为副回路微分先行串级控制。如图所示。三、副回路微分先行串级控制算法三、副回路微分先行串级控制算法副回路微
43、分先行串级控制系统副回路微分先行串级控制系统副回路微分先行串级控制的计算顺序为：副回路微分先行串级控制的计算顺序为：（1）计算主回路的偏差）计算主回路的偏差e1(k)；（2）计算主回路控制器）计算主回路控制器D1(Z)的输出的输出u1(k)；（3）计算微分先行部分的输出）计算微分先行部分的输出y2d(k)；（4）计算副回路的偏差）计算副回路的偏差e2(k)；（5）计算副回路控制器）计算副回路控制器D2(Z)的输出的输出u2(k)；（6）计算副回路的输出）计算副回路的输出y2(t)；（7）计算主回路的输出）计算主回路的输出y1(t)。返回本章首页5.3前馈前馈-反馈控制技术反馈控制技术反反馈馈控
44、控制制是是在在扰扰动动的的作作用用下下，对对设设定定值值与与实实际际值值的的偏偏差差进进行行控控制制，以以抵抵消消干干扰扰的的影影响响。如如果果干干扰扰不不断断增增加加，则则系系统统总总是是跟跟在在干干扰扰作作用用之之后后波波动动。前前馈馈控控制制是是按按扰扰动动量量进进行行控控制制，当当系系统统出出现现扰扰动动时时，前前馈馈控控制制就就按按扰扰动动量量直直接接产产生生校校正正作作用用，以以抵抵消消扰扰动的影响。动的影响。前前馈馈控控制制是是一一种种开开环环控控制制形形式式，因因此此，很很少少只只采用前馈控制，而常常前馈采用前馈控制，而常常前馈-反馈控制。反馈控制。前馈控制的典型结构如图所示。
45、其中前馈控制的典型结构如图所示。其中Gn(S)为为被控对象扰动通道的传递函数，被控对象扰动通道的传递函数，Dn(S)为前馈控为前馈控制器的传递函数，制器的传递函数，G(S)被控对象控制通道的传递被控对象控制通道的传递函数。函数。一、前馈控制的结构与原理一、前馈控制的结构与原理前馈控制结构图前馈控制结构图采采用用前前馈馈与与反反馈馈控控制制相相结结合合的的控控制制结结构构，既既能能发发挥挥前前馈馈控控制制对对扰扰动动的的补补偿偿作作用用，又又能能保保留留反反馈馈控控制对偏差的控制作用。制对偏差的控制作用。二、前馈二、前馈-反馈控制结构反馈控制结构前馈前馈-反馈控制结构图反馈控制结构图在在实实际际
46、应应用用中中，还还常常采采用用前前馈馈-串串级级控控制制结结构构如如图图所示。所示。前馈前馈-串级控制结构图串级控制结构图例如锅炉汽包水位控制系统，如图所示。例如锅炉汽包水位控制系统，如图所示。锅炉汽包水位控制系统示意图锅炉汽包水位控制系统示意图给水给水流量流量蒸汽蒸汽流量流量给定给定水位水位采采用用前前馈馈-串串级级反反馈馈控控制制结结构构设设计计锅锅炉炉汽汽包包水水位位控控制制系系统统，以以前前馈馈控控制制蒸蒸汽汽流流量量G，以以串串级级控控制制的的内内环环控控制制给给水水量量D，水水位位H作作为为系系统统的的最最终终输输出出量量。如图所示。如图所示。计算机前馈计算机前馈-反馈控制系统方框
47、图如图所示。反馈控制系统方框图如图所示。三、数字前馈三、数字前馈-反馈控制算法反馈控制算法计算机前馈计算机前馈-反馈控制系统方框图反馈控制系统方框图计算机前馈计算机前馈-反馈控制的计算顺序为：反馈控制的计算顺序为：（1）计算反馈控制偏差）计算反馈控制偏差e(k)；（2）计算反馈控制器）计算反馈控制器D(z)（PID）的输出）的输出u1(k)；（3）计算前馈调节器）计算前馈调节器Dn(Z)的输出的输出un(k)；（4）计算前馈）计算前馈-反馈调节器的输出反馈调节器的输出u2(k)。返回本章首页5.4顺序控制技术顺序控制技术顺顺序序控控制制是是生生产产过过程程中中常常用用的的一一种种控控制制技技术
48、术，它它按按照照预预先先确确定定好好的的程程序序及及时时间间控控制制某某一一过过程程从从一一个工序向下一个工序依次执行。个工序向下一个工序依次执行。顺顺序序控控制制是是生生产产设设备备或或生生产产过过程程根根据据工工艺艺要要求求，按按照照一一定定的的规规则则，通通过过事事先先编编好好的的程程序序，在在输输入入信信号号的的作作用用下下，使使执执行行机机构构按按照照预预定定程程序序动动作作，实实现现以开关为主的自动控制。以开关为主的自动控制。一、顺序控制概述一、顺序控制概述一般来说，为实现一个工业生产过程而对出现一般来说，为实现一个工业生产过程而对出现的开关量按时间或条件进行操作都属于顺序控制。的
49、开关量按时间或条件进行操作都属于顺序控制。如继电器的接通与断开、电磁阀的开闭、电动机如继电器的接通与断开、电磁阀的开闭、电动机的启停、定时器预定时间是否到达、计数器预定的启停、定时器预定时间是否到达、计数器预定计数值是否计满等。计数值是否计满等。按照顺序控制输入元器件及逻辑控制器件的按照顺序控制输入元器件及逻辑控制器件的特点可将顺序控制器分为特点可将顺序控制器分为继电器控制装置、半导继电器控制装置、半导体逻辑控制装置、可编程控制器体逻辑控制装置、可编程控制器三大类型。三大类型。继继电电器器控控制制装装置置是是根根据据控控制制对对象象的的特特点点及及工工艺艺要要求求，先先算算出出输输出出与与输输
50、入入条条件件的的逻逻辑辑关关系系式式，再再按按照照该该逻逻辑辑关关系系式式把把一一定定数数量量的的继继电电器器、接接触触器器、开开关关及及其其他他电电器器的的相相关关触触点点用用导导线线连连接接成成相相应应的的控控制制电路，从而达到自动顺序控制的目的。电路，从而达到自动顺序控制的目的。继继电电器器控控制制装装置置主主要要适适用用于于简简单单的的机机床床电电器器控控制制、化化工工、包包装装等等控控制制逻逻辑辑不不太太复复杂杂、工工作作电电流流较较大的领域。大的领域。1.继电器顺序控制装置继电器顺序控制装置将将半半导导体体逻逻辑辑器器件件按按一一定定的的逻逻辑辑运运算算关关系系在在印印制制电电路路
51、板板上上连连接接成成顺顺序序控控制制系系统统，即即称称为为半半导导体体逻逻辑控制装置。辑控制装置。半半导导体体逻逻辑辑控控制制装装置置可可以以构构成成逻逻辑辑功功能能极极强强、控控制制方方式式和和种种类类非非常常丰丰富富的的系系统统，也也是是现现场场控控制制领领域域常常用用的的控控制制方方法法之之一一。但但该该类类控控制制装装置置往往往往专专门门为为某某一一控控制制对对象象而而研研发发，一一旦旦控控制制对对象象或或生生产产流流程程改变，需要对系统电路板进行更改。改变，需要对系统电路板进行更改。2.半导体逻辑顺序控制装置半导体逻辑顺序控制装置可编程控制器把可编程控制器把CPU、I/O、程序存储器
52、、数字、程序存储器、数字存储器等元件集成在同一个控制器中，强化了存储器等元件集成在同一个控制器中，强化了I/O口口的数量、种类及功能，使控制器不需扩展就具有带的数量、种类及功能，使控制器不需扩展就具有带多种负载的能力，有的控制器内还集成了光耦、电多种负载的能力，有的控制器内还集成了光耦、电子看门狗等抗干扰电路，提高了抗干扰能力。应用子看门狗等抗干扰电路，提高了抗干扰能力。应用时，操作人员只要将程序指令存储在程序存储器中，时，操作人员只要将程序指令存储在程序存储器中，控制器便能根据程序的设置和外部输入条件进行比控制器便能根据程序的设置和外部输入条件进行比较，并自动进行逻辑运算和判断，再通过其较，
53、并自动进行逻辑运算和判断，再通过其I/O口控口控制系统输出的变化，从而实现顺序控制。制系统输出的变化，从而实现顺序控制。3.可编程顺序控制器（可编程顺序控制器（PLC）1.顺序控制的特点顺序控制的特点（1）控制系统的输入、输出信号以开关量为主；）控制系统的输入、输出信号以开关量为主；（2）控制系统的逻辑关系较为复杂；）控制系统的逻辑关系较为复杂；（3）控制程序客观；）控制程序客观；控控制制顺顺序序取取决决于于控控制制对对象象的的实实际际状状态态及及所所检检测测的相关参数情况。的相关参数情况。（4）顺序控制系统要求可靠性高。）顺序控制系统要求可靠性高。二、顺序控制的特点及设计步骤二、顺序控制的特
54、点及设计步骤（1）总体方案论证）总体方案论证（2）系统总体结构设计）系统总体结构设计（3）根据控制的任务作出生产工序及工艺参数表）根据控制的任务作出生产工序及工艺参数表（4）作出系统机械运动原理图及软件流程图）作出系统机械运动原理图及软件流程图（5）软硬件电路设计）软硬件电路设计（6）制作样机）制作样机（7）仿真调试）仿真调试（8）成型）成型2.顺序控制系统的设计步骤顺序控制系统的设计步骤微机顺序控制系统一般结构框图微机顺序控制系统一般结构框图自动剪板机的工作过程自动剪板机的工作过程P1363.顺序控制系统的原理分析顺序控制系统的原理分析自动剪板机的控制电路原理图自动剪板机的控制电路原理图（1
55、）信号输入电路）信号输入电路4.微机顺序控制系统接口电路设计微机顺序控制系统接口电路设计光电耦合电路光电耦合电路光电耦合及电平转换电路光电耦合及电平转换电路晶体管输入电路晶体管输入电路继电器继电器输输入电路入电路（2）信号输出电路）信号输出电路继电器隔离输出电路继电器隔离输出电路晶体管驱动输出晶体管驱动输出输出电平转换电路输出电平转换电路晶体管输晶体管输出电平转换电路出电平转换电路（3）输出电平转换电路）输出电平转换电路双向可控硅输出电平转换电路双向可控硅输出电平转换电路顺序注塑控制系统顺序注塑控制系统P142三、顺序控制的实例三、顺序控制的实例部分思考题与习题部分思考题与习题5-1数字控制器
56、的两类设计方法是什么？数字控制器的两类设计方法是什么？5-2PID三量的控制作用什么三量的控制作用什么？5-3模拟模拟PID控制器、各种数字控制器、各种数字PID控制算法表达式？控制算法表达式？5-4数字数字PID控制器的改进算法有哪些控制器的改进算法有哪些？各算法的特？各算法的特点、表达式及适用场合。点、表达式及适用场合。5-5如何选择控制系统的采样周期？如何选择控制系统的采样周期？5-6如何整定数字如何整定数字PID控制器的参数？控制器的参数？5-7数字串级控制技术的结构和控制算法数字串级控制技术的结构和控制算法。5-8前馈前馈-反馈控制控制技术的结构和控制算法反馈控制控制技术的结构和控制算法。结束放映返回本章首页5-10什么叫顺序控制？什么叫顺序控制？5-11按照构成器件的特点顺序控制有哪几种？按照构成器件的特点顺序控制有哪几种？5-12顺序控制有什么特点？顺序控制有什么特点？部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
