計算機系統(tǒng)第3章

1、2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略12022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略22022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略32022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略42022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略5計算機控制系統(tǒng)是采樣系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)是采樣系統(tǒng)提高信號的可靠性提高信號的可靠性合理性的判別與濾波合理性的判別與濾波進行線性化處理進行線性化處理軟測量的基本思想軟測量的基本思想2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略6 設(shè)某通道當(dāng)前采樣值為設(shè)某通道當(dāng)前采樣值為y(k)yL y(k)yH 時時; y(k)為當(dāng)前采樣有效值為當(dāng)前采樣

2、有效值 (上限值上限值)，報警，報警 y(k)y0, 則 y(k)=y(k-1)2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略15適用于周期性干擾；適用于周期性干擾；適用于純滯后較大適用于純滯后較大的過程；的過程； 適用于偶然適用于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾；出現(xiàn)的脈沖干擾； 適用于高頻干擾。適用于高頻干擾。2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略16經(jīng)過處理后，可直接引用采樣數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理后，可直接引用采樣數(shù)據(jù)。線性化處理：線性化處理：(1)孔板差壓與流量孔板差壓與流量 (2)熱電偶的熱電勢與溫度熱電偶的熱電勢與溫度校正運算：如溫度補償校正運算：如溫度補償測量值與工程量的轉(zhuǎn)換：測量值與

3、工程量的轉(zhuǎn)換： (1)線性值公式；線性值公式；(2)開方值轉(zhuǎn)換公式；開方值轉(zhuǎn)換公式；(3)熱電偶與熱電阻公式熱電偶與熱電阻公式2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略17實際生產(chǎn)過程中，一些重要質(zhì)量指標(biāo)變量如實際生產(chǎn)過程中，一些重要質(zhì)量指標(biāo)變量如精餾塔的產(chǎn)品組分濃度、生物發(fā)酵罐中菌體精餾塔的產(chǎn)品組分濃度、生物發(fā)酵罐中菌體濃度等濃度等都難以直接測量，以前的解決方法：都難以直接測量，以前的解決方法：（1）采用間接的質(zhì)量指標(biāo)：如溫度控制）采用間接的質(zhì)量指標(biāo)：如溫度控制（2）采用在線分析儀表）采用在線分析儀表2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略18選擇與被估計變量選擇與被估計變

4、量的一組可測變量，構(gòu)的一組可測變量，構(gòu)造出某種以可測變量為造出某種以可測變量為、被估計變量為、被估計變量為的的，用計算機，用計算機的重要的重要過程變量的過程變量的。這類這類的計算機的計算機被稱為被稱為軟軟測量器測量器或或“軟儀表軟儀表”。2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略19軟測量建模方法軟測量建模方法模型實時演算的工程化實施技術(shù)模型實時演算的工程化實施技術(shù)模型自校正（模型維護）技術(shù)模型自校正（模型維護）技術(shù)軟測量是實用性的應(yīng)用技術(shù)，它以軟測量模軟測量是實用性的應(yīng)用技術(shù)，它以軟測量模型在線運算并給出準(zhǔn)確的估計值為目標(biāo)型在線運算并給出準(zhǔn)確的估計值為目標(biāo)),(*1txyudfx 2

5、022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略202022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略212022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略222022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略23u標(biāo)準(zhǔn)的模擬標(biāo)準(zhǔn)的模擬PIDPIDu式中：式中：KKc c、T Ti i、T Td d 分別為模擬調(diào)節(jié)器的比分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時間和微分時間例增益、積分時間和微分時間, , u u0 0為偏差為偏差 e=e=0 0 時的調(diào)節(jié)器輸出時的調(diào)節(jié)器輸出, , 又稱之為又稱之為。00)()(1)()(udttdeTdtteTteKtudtic2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)

6、中的控制策略24對PID控制器中三個環(huán)節(jié)的作用總結(jié)如下： （1）比例環(huán)節(jié)的作用：能迅速反映偏差，從而減小偏差，但不能消除靜差， 的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 （2）積分環(huán)節(jié)的作用：只要系統(tǒng)存在偏差，積分環(huán)節(jié)就會產(chǎn)生控制作用減小偏差，直到最終消除偏差，但積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。 （3）微分環(huán)節(jié)的作用：有助于系統(tǒng)減小超調(diào)，克服振蕩，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。但 過大，會使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。pKdT2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略25u采樣周期采樣周期與與控制周期控制周期的概念的概念u模擬模擬PIDPID調(diào)節(jié)規(guī)律的離散化調(diào)節(jié)

7、規(guī)律的離散化在控制器的采樣時刻在控制器的采樣時刻 t=kt=kT T時時因此，因此，如下式如下式kjjTeedt0)(Tkekedtde) 1()(00) 1()()()()(ukekeTTjeTTkeKkudkjic2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略26 00) 1()()()()(ukekeKjeKkeKkudkjiciciTTKKTTKKdcd2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略27由積分項由積分項 的存在所產(chǎn)生的存在所產(chǎn)生由由 可得可得kiie1)() 1()()(kukuku) 2() 1(2)()() 1()(kekekeTTkeTTkekeKdic2

8、022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略28算法的算法的是編程簡單是編程簡單, , 數(shù)據(jù)可以數(shù)據(jù)可以遞推使用遞推使用, , 占用內(nèi)存少占用內(nèi)存少, , 運算快。運算快。算法得到算法得到 k k 采樣時刻計算機的采樣時刻計算機的為為)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkudic)() 1()(kukuku2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略29 微分的作用微分的作用理想微分的理想微分的PIDPID算法算法模擬調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的微分作用模擬調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的微分作用理想微分作用的實際缺陷理想微分作用的實際缺陷2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策

9、略30在單位階躍輸入時在單位階躍輸入時, , 它們輸出的控制作用它們輸出的控制作用 (A) 積積分分項項 比比 例例 項項 u 0 1 2 3 4 5 3 7 8 kT 微微 分分 項項 比比 例例 項項 u 0 1 2 3 4 5 3 7 8 kT項項 (B) 微微積積分分分分項項2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略31其區(qū)別在于實際微分多了個一階慣性環(huán)節(jié)，其區(qū)別在于實際微分多了個一階慣性環(huán)節(jié)，即如圖所示即如圖所示圖中圖中因為因為u(t)為理想為理想PID的輸出，的輸出，Gf(s)是一階慣是一階慣性環(huán)節(jié)性環(huán)節(jié)理想理想PIDU(s)E(s)Gf(s)U(s) 實際微分實際微分PI

10、D控制算法示意框圖控制算法示意框圖11)(sTsGff2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略32)/(ffTTTa ，)()()()()(1)()( 0tutudttduTdttdeTdtteTteKtufdtic)()1 () 1()(kuakauku)1()()()()( 0kekeTTieTTkeKkudkiic2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略33實際微分增量型控制算式實際微分增量型控制算式Gf(s)為為一階超前一階超前/ /一階滯后一階滯后環(huán)節(jié)環(huán)節(jié), ,或?qū)⒒驅(qū)⒆饔酶臑樽饔酶臑槲⒎治⒎? /一階慣性一階慣性環(huán)節(jié)環(huán)節(jié))( )1 () 1()(kuakuaku

11、) 1()()()()( kekeTTkeTTkeKkudic2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略34：避免因避免因給控制系給控制系統(tǒng)帶來超調(diào)量過大、調(diào)節(jié)閥動作劇烈的沖擊。統(tǒng)帶來超調(diào)量過大、調(diào)節(jié)閥動作劇烈的沖擊。：只對只對( (被控量被控量) )進行微分進行微分, , 而不對而不對偏差微分偏差微分, , 也即對給定值無微分作用。也即對給定值無微分作用。：正作用正作用反作用反作用)( )()(krkyke)( )()(kykrke2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略35算式中的微分作用算式中的微分作用的微分作用算式則為的微分作用算式則為正作用：正作用：反作用：反作用：

12、)2() 1(2)()(kekekeKkudd)2() 1(2)()(kykykyKkudd)2() 1(2)()(kykykyKkudd2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略36 U(s) Y(s) R(s)微分先行的微分先行的PID控制方框圖控制方框圖11sKTsTddd)11 (sTKic2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略37 當(dāng)當(dāng) e(k)A 時時, 用用P或或PD 控制；控制； e(k)A 時時, 用用PI或或PID控制?？刂啤Ｗⅲ鹤ⅲ?）A值需要適當(dāng)選??；值需要適當(dāng)選??； 2）Kc應(yīng)根據(jù)積分作用是否起作用而變化應(yīng)根據(jù)積分作用是否起作用而變化2022-3-

13、9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略38 y曲線曲線2：標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)PID曲線曲線3：A過小過小曲線曲線1 0 t R APDPIDPD2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略39 執(zhí)行機構(gòu)機械性能與物理性能的約束執(zhí)行機構(gòu)機械性能與物理性能的約束 積分飽和積分飽和該算法是抑制積分飽和的方法之一該算法是抑制積分飽和的方法之一：一旦計算出的控制量一旦計算出的控制量u(k)u(k)進入飽進入飽和區(qū)和區(qū), , 一方面對控制量輸出值限幅；另一方面一方面對控制量輸出值限幅；另一方面增加判別程序增加判別程序, , 算法中只執(zhí)行削弱積分飽和項算法中只執(zhí)行削弱積分飽和項的積分運算的積分運算, , 而停止

14、增大積分飽和項的運算而停止增大積分飽和項的運算。2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略40 積分項的作用：比較重要積分項的作用：比較重要提高其積分項的運算精度的辦法提高其積分項的運算精度的辦法原來的方法：原來的方法：改進方法改進方法Tjejedttekjt002) 1()()(kjjTeedt0)(2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略41通過調(diào)整控制器參數(shù)（通過調(diào)整控制器參數(shù)（KcKc、TiTi、Td,Td,），）， 使控制器的特性與被控過程的特性相匹配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)。以滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指

15、標(biāo)。除了除了KcKc、TiTi、Td Td 外，還需要確定系統(tǒng)的外，還需要確定系統(tǒng)的采樣周期（控制周期）采樣周期（控制周期）T T2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略42表 (6.2-1) 過 程 控 制 DDC系 統(tǒng) 采 樣 周 期 選 擇 參 考控 制 回 路采 樣 周 期 T(秒 )說 明流 量1 2 優(yōu) 先 選 1 2秒壓 力3 5液 位3 5溫 度15 20 對 串 級 系 統(tǒng) , T副=(1/4 1/5)T主成 份15 202022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略43 2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略44uPIDPID參數(shù)的工程整定方法參數(shù)

16、的工程整定方法u閉環(huán)整定如穩(wěn)定邊界法閉環(huán)整定如穩(wěn)定邊界法( (臨界比例度法臨界比例度法) )u基于繼電反饋控制自動整定的基本思路基于繼電反饋控制自動整定的基本思路用具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)代替穩(wěn)定邊界用具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)代替穩(wěn)定邊界法中的純比例器法中的純比例器極限環(huán)的概念極限環(huán)的概念2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略45u臨界增益臨界增益KKu u(critical gain)(critical gain)和臨界振蕩周期和臨界振蕩周期T Tu u(critical frequency)(critical frequency)的概念的概念由由Ziegler和和Nichols

17、 閉環(huán)整定方法得到的調(diào)節(jié)參數(shù)閉環(huán)整定方法得到的調(diào)節(jié)參數(shù) 控控 制制 器器 Kc Ti Td P 0.5Ku PI 0.4Ku 0.8Tu PID 0.3Ku 0.5Tu 0.12Tu2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略46u原理如圖原理如圖 S APID繼電器繼電器對對 象象 T R Y基于繼電反饋控制的自動整定原理框圖基于繼電反饋控制的自動整定原理框圖2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略47u非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)法非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)法根據(jù)非線性環(huán)節(jié)輸入與輸出信號之間的基波分根據(jù)非線性環(huán)節(jié)輸入與輸出信號之間的基波分量關(guān)系進行近似系統(tǒng)分析量關(guān)系進行近似系統(tǒng)分析u繼電

18、器特性繼電器特性理想繼電器的描述函數(shù)理想繼電器的描述函數(shù)04adN2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略48具有滯環(huán)的繼電器描述函數(shù)具有滯環(huán)的繼電器描述函數(shù)a為繼電器非為繼電器非線性環(huán)節(jié)輸入的線性環(huán)節(jié)輸入的一次諧波振幅。一次諧波振幅。)arcsin(4ahadNG(s)h-dd具有繼電器非線性的控制系統(tǒng)具有繼電器非線性的控制系統(tǒng) 2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略49 只要滿足方程只要滿足方程 則系統(tǒng)輸出將出現(xiàn)極限環(huán)。則系統(tǒng)輸出將出現(xiàn)極限環(huán)。uKu可看成是繼可看成是繼電特性在傳輸幅電特性在傳輸幅度為度為 a 的正弦信的正弦信號時的等價增益號時的等價增益。NadKu1

19、4NjG1)( ac crG(j) h=0Im h0 Re 極限環(huán)示意圖極限環(huán)示意圖N12022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略50u前面式中的前面式中的Ku可看成是繼電特性在傳輸幅度為可看成是繼電特性在傳輸幅度為 a 的正弦信號時的等價增益。的正弦信號時的等價增益。u基于繼電器自動整定的優(yōu)點基于繼電器自動整定的優(yōu)點概念清楚，方法簡單概念清楚，方法簡單 需要預(yù)先設(shè)定的參數(shù)少：需要預(yù)先設(shè)定的參數(shù)少：繼電器特性幅值繼電器特性幅值 d 滯環(huán)寬度滯環(huán)寬度 h 的初始值的初始值2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略512022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略52u出發(fā)點：

20、避開過程模型出發(fā)點：避開過程模型, , 用閉環(huán)系統(tǒng)響用閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)波形上一組應(yīng)波形上一組能夠表征過程特性能夠表征過程特性、而數(shù)而數(shù)據(jù)量又盡可能少據(jù)量又盡可能少的特征量作為通用的自的特征量作為通用的自動整定動整定PIDPID控制參數(shù)的依據(jù)。控制參數(shù)的依據(jù)。 2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略53u觀察系統(tǒng)對給定值階躍響應(yīng)或干擾的響應(yīng)觀察系統(tǒng)對給定值階躍響應(yīng)或干擾的響應(yīng), , 根據(jù)實測的根據(jù)實測的響應(yīng)模式與理想的響應(yīng)模式之間的差別整定控制器參數(shù)響應(yīng)模式與理想的響應(yīng)模式之間的差別整定控制器參數(shù)響應(yīng)響應(yīng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)KcKd PID 對對 象象 鎖鎖 存存參數(shù)調(diào)整參數(shù)調(diào)整波形分析波形分析基于

21、模式識別的基于模式識別的PID參數(shù)自動整定結(jié)構(gòu)框圖參數(shù)自動整定結(jié)構(gòu)框圖F1F2 R可接受可接受波形波形Ki2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略54u預(yù)先的準(zhǔn)備工作：預(yù)先的準(zhǔn)備工作：將閉環(huán)系統(tǒng)照某種準(zhǔn)則分成若干種模式，將閉環(huán)系統(tǒng)照某種準(zhǔn)則分成若干種模式，如欠阻尼振蕩，過阻尼振蕩等；如欠阻尼振蕩，過阻尼振蕩等；選取每種模式的特征量，稱之為選取每種模式的特征量，稱之為“狀態(tài)特狀態(tài)特征量征量”；確定理想模式下的狀態(tài)特征量值，并建立確定理想模式下的狀態(tài)特征量值，并建立模式狀態(tài)特征量與模式狀態(tài)特征量與PID控制器參數(shù)關(guān)系的控制器參數(shù)關(guān)系的表達式。表達式。2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)

22、中的控制策略55u控制器自動整定的工作是控制器自動整定的工作是根據(jù)理想模式的狀態(tài)特征量值與被控系根據(jù)理想模式的狀態(tài)特征量值與被控系統(tǒng)狀態(tài)特征量的實測值之間的差別對統(tǒng)狀態(tài)特征量的實測值之間的差別對PIDPID控制器參數(shù)進行自動整定?？刂破鲄?shù)進行自動整定。2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略56u閉環(huán)系統(tǒng)輸出誤差隨時間的變化情況如圖閉環(huán)系統(tǒng)輸出誤差隨時間的變化情況如圖u該方法的缺點該方法的缺點在于在于TL的實的實際測量比較困難際測量比較困難e100F2tT3T2F1 25 75TLT1模式識別法的模式識別法的“狀態(tài)特征量狀態(tài)特征量”示意示意圖圖2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)

23、中的控制策略572022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略582022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略592022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略602022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略61副變送器副變送器主變送器主變送器主參數(shù)主參數(shù)給定值給定值r通用的計算機串級控制系統(tǒng)示意框圖通用的計算機串級控制系統(tǒng)示意框圖u2主調(diào)主調(diào)節(jié)器節(jié)器副調(diào)副調(diào)節(jié)器節(jié)器e1e2u1副對象副對象主對象主對象二次擾動二次擾動一次擾動一次擾動副參數(shù)副參數(shù)主參數(shù)主參數(shù)y1y2執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)D/AA/DA/D2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略62Cascade PVC

24、ascade SPSlave SPSlave PVNEW COLUMN FOR CASCADEPID DROPS AUTOMATICALLYOPTIMZE TUNING FOR SLAVE AND CASCADETRANSFER FUNCTIONS FOR SLAVE AND CASCADEEFFECT OF CASCADE SETPOINT CHANGE AND STEP DISTURBANCE SIMULATION (EXACTLY LIKE IN REALPLANT)SLAVE AND CASCADEABSOLUTE ERRORS2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略63采樣

25、并獲得當(dāng)前輸出采樣值；采樣并獲得當(dāng)前輸出采樣值；計算主回路的偏差計算主回路的偏差e1(k)；計算主回路計算主回路PID控制器的輸出控制器的輸出u1(k)；計算副回路的偏差計算副回路的偏差e2(k)；計算副回路計算副回路PID控制器的輸出控制器的輸出u2(k)；輸出到被控對象。輸出到被控對象。2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略64異步采樣控制異步采樣控制即主回路的采樣控制周期即主回路的采樣控制周期T1是副回路采樣是副回路采樣控制周期控制周期T2的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。同步采樣控制同步采樣控制即主、副回路的采樣控制周期相同，但因即主、副回路的采樣控制周期相同，但因副對象響應(yīng)速度較快，故

26、應(yīng)以副回路為準(zhǔn)。副對象響應(yīng)速度較快，故應(yīng)以副回路為準(zhǔn)。2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略65用于抑制系統(tǒng)的主要干擾用于抑制系統(tǒng)的主要干擾用于克服對象的純滯后用于克服對象的純滯后 用于減少對象的非線性影響用于減少對象的非線性影響2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略662022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略67Gf (s)Gd (s) D/AG (s) PID A/Dreucy擾動擾動dufub)()()(sGsGsGdf2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略68計算反饋控制的偏差計算反饋控制的偏差e(k)；計算反饋控制器計算反饋控制器(PID)的輸出的輸出ub (k)；計算前饋控制器計算前饋控制器Gf (s)的輸出的輸出uf (k)；計算前饋反饋調(diào)節(jié)器的輸出計算前饋反饋調(diào)節(jié)器的輸出uc (k)。2022-3-9第三章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略69建立過程的動態(tài)特性的模型；建立過程的動態(tài)特性的模型；將模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，有延遲將模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，有延遲的一部分用于抵消被延遲了的一部分用于抵消被延遲了的被控量；的被控量；無延遲部分反映到調(diào)節(jié)器，讓調(diào)節(jié)器提無延遲部分反映到調(diào)節(jié)器，讓調(diào)節(jié)器提前動作，從而可明顯