常用的微機控制技術(shù)學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1常用的微機控制技術(shù)常用的微機控制技術(shù)第一頁，編輯于星期二：一點 分。一、數(shù)字控制器二、二、PID三量的控制作用三量的控制作用 三、三、PID控制規(guī)律的數(shù)字化實現(xiàn)算法控制規(guī)律的數(shù)字化實現(xiàn)算法 四、數(shù)字四、數(shù)字PID控制器的改進(jìn)控制器的改進(jìn) 五、數(shù)字五、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定 第1頁/共95頁第二頁，編輯于星期二：一點 分。 一般工業(yè)控制對象都是連續(xù)系統(tǒng)，而計算機是處理數(shù)字信號的，這樣的系統(tǒng)中既有連續(xù)信號又有離散信號，稱為混合系統(tǒng)。一、數(shù)字控制器見下頁圖示。1. 數(shù)字控制器的兩類設(shè)計方法第2頁/共95頁第三頁，編輯于星期二：一點 分。 從AB兩點向左看，即把D/A轉(zhuǎn)換器

2、、數(shù)字控制器、A/D轉(zhuǎn)換器看作一個整體，可等效成一個模擬控制器D(s)，加上對象G0(s)，這時整個系統(tǒng)可看作連續(xù)系統(tǒng)，見下頁圖a。 若從AB兩點向右看，即把D/A轉(zhuǎn)換器、被控對象、A/D轉(zhuǎn)換器看為一體，等效成一個離散對象G(z)，加上數(shù)字控制器D(z)，這時整個系統(tǒng)可看作離散系統(tǒng)，見下頁圖b。 第3頁/共95頁第四頁，編輯于星期二：一點 分。a)r(t)G0(s)- -y(t)A/DD(z)D/AD(s)b)r(k)- -y(k)A/DD(z)D/AG0(s)G(z) 所以對于混合系統(tǒng)，控制器有兩種設(shè)計方法，一是先按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計出模擬的控制器，然后再離散化。二是直接設(shè)計出數(shù)字控制器。 所謂設(shè)

3、計數(shù)字控制器，就是在已知對象數(shù)學(xué)模型和要求達(dá)到的性能指標(biāo)基礎(chǔ)上，設(shè)計出滿足要求的計算機編程算法。第4頁/共95頁第五頁，編輯于星期二：一點 分。2. 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計（1）按給定的對象G0(s)和要求的性能指標(biāo)，用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計出模擬控制器D(s)；（2）選擇合適的采樣周期；（3）將D(s)離散化為D(z)； 根據(jù)選定的采樣周期，選用一種方法，由D(s)求出D(z)；（4）仿真檢查系統(tǒng)性能是否滿足設(shè)計要求；（5）按算法編程 。返回本節(jié)第5頁/共95頁第六頁，編輯于星期二：一點 分。1. 比例控制器 設(shè)比例控制器控制規(guī)律為 )()(teKtuP比例控制器階躍響應(yīng)曲線 比例控制能迅速

4、反映偏差，調(diào)節(jié)作用及時，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng) Kp 調(diào)得太大時，可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。第6頁/共95頁第七頁，編輯于星期二：一點 分。2. 比例積分控制器 設(shè)積分控制器控制規(guī)律為 dtteTtui)(1)(積分控制器階躍響應(yīng)曲線 為積分時間常數(shù)，表示積分速度的大小， 越小，積分速度越快，作用越強。 iTiT第7頁/共95頁第八頁，編輯于星期二：一點 分。 積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在偏差，積分控制作用就不斷地積累，積分項對應(yīng)的控制量不斷增大，以消除誤差。積分控制是靠對偏差積累進(jìn)行控制的，控制起作用緩慢。如果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。第8頁/共9

5、5頁第九頁，編輯于星期二：一點 分。 設(shè)比例積分控制器控制規(guī)律為 )(1)()(dtteTteKtuiP比例積分控制器階躍響應(yīng)曲線 比例積分控制器可以使系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和穩(wěn)態(tài)精度得以改善。 第9頁/共95頁第十頁，編輯于星期二：一點 分。3. 比例、積分、微分控制器微分控制器階躍響應(yīng)曲線 設(shè)微分控制器控制規(guī)律為 dttdeTKtuDP)()( 微分作用與偏差信號的變化率成正比，有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第10頁/共95頁第十一頁，編輯于星期二：一點 分。 微分控制具有預(yù)測誤差變化趨勢的作用，具有超前控制作用，可以加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能

6、。缺陷是容易引入高頻噪聲，在存在嚴(yán)重干擾的情況下不宜引入微分控制作用。)()(1)()(dttdeTdtteTteKtuDiP 則PID控制器控制規(guī)律為 返回本節(jié)第11頁/共95頁第十二頁，編輯于星期二：一點 分。 1. 模擬PID控制器 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常采用如圖所示的單回路PID控制系統(tǒng)。r(t)D(s)被控對象- -y(t)e(t)u(t)單回路PID控制系統(tǒng) 第12頁/共95頁第十三頁，編輯于星期二：一點 分。dttdeTdtteTteKtuDtIp)()(1)()(0拉氏變換并整理后可得PID控制器的傳遞函數(shù))11 ()()()(sTsTKsEsUSDDIp其控制規(guī)律為:第13頁

7、/共95頁第十四頁，編輯于星期二：一點 分。 即由計算機軟件來實現(xiàn)PID控制律，可將模擬PID控制規(guī)律通過離散化方法獲得數(shù)字PID控制算法。對應(yīng)的差分方程為：) 1()()()()(0TkekeTieTTkeKkuDkiIp此式稱為位置式PID算式，其控制系統(tǒng)圖如下。第14頁/共95頁第十五頁，編輯于星期二：一點 分。位置式PID 控制算法程序框圖PIDPI第15頁/共95頁第十六頁，編輯于星期二：一點 分。由此位置式PID算式可推導(dǎo)出增量式PID算式：)2() 1()() 1() 1(10TkekeTieTTkeKkuDkiIp)2() 1(2)()()1()() 1()()(kekekeK

8、 keKkekeKkukukuDIp其中： 為比例增益， 為積分系數(shù)，TTKKDPD/為微分系數(shù)。pKIPITTKK/第16頁/共95頁第十七頁，編輯于星期二：一點 分。 為了編程方便，可按偏差項合并整理成如下形式： )2() 1()()(210keqkeqkeqku此式稱為增量式數(shù)字PID算式，其中：TTKqTTKqTTTTKqDpDPDIP210),21 (),1 (第17頁/共95頁第十八頁，編輯于星期二：一點 分。增量式PID 控制算法程序框圖第18頁/共95頁第十九頁，編輯于星期二：一點 分。 采用增量式數(shù)字PID算式計算得到的是控制量的增量 。 增量型算法具有以下優(yōu)點。 (1) 不

9、需要做累加，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)。計算精度對控制量的計算影響較小。而位置型算法要用到過去的偏差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差。 )(ku第19頁/共95頁第二十頁，編輯于星期二：一點 分。 (2) 增量型算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。而位置型算法是控制量的全量輸出，誤動作影響大。 (3) 采用增量型算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。在手動到自動切換時，增量型算法不需要知道切換時刻前的執(zhí)行機構(gòu)位置，只要輸出控制增量就可以做到無擾切換。而位置型算法實現(xiàn)無擾手動到自動

10、切換，必須知道切換時刻前的執(zhí)行機構(gòu)的位置，無疑增加了設(shè)計的復(fù)雜性。第20頁/共95頁第二十一頁，編輯于星期二：一點 分。 鑒于增量型算法的優(yōu)點，可對位置型算式做下面改進(jìn)： )2() 1()() 1()2() 1(2)()()1()() 1()() 1()(210keqkeqkeqku kekekeKkeK kekeKku kukukuDIp 這是位置型PID控制算式的遞推算法，它克服了計算偏差累計和的弊端, 成為實用的位置式PID控制算式。第21頁/共95頁第二十二頁，編輯于星期二：一點 分。下圖為51單片機PID增量型控制算法的流程圖，算法以子程序調(diào)用的形式出現(xiàn)。q0、q1、q2提前算好，e

11、(k-1)和e(k-2)在程序初始化階段置零。第22頁/共95頁第二十三頁，編輯于星期二：一點 分。 程序的入口參數(shù)： 給定值r 測量值y 偏差e(k)、e(k-1)、e(k-2) 這5個參數(shù)均為3字節(jié)的浮點數(shù)，低字節(jié)存放浮點數(shù)的階碼和符號，其中符號存放在最高位，階碼以補碼的形式存放在低7位中。尾數(shù)以原碼的形式存放在另兩個字節(jié)中。 程序見下頁：第23頁/共95頁第二十四頁，編輯于星期二：一點 分。PID： MOV R0,#62H MOV R1，#59H LCALL SUBF ；計算e(k) MOV R1，#56H LCALL SAVE ；調(diào)用SAVE子程序， 入 56H58H MOV R1，#

12、5CH MOV R2，#06H LCALL LOAD ；調(diào)用LOAD子程序， 取出q0值存入5CH5EH MOV R0，#56H MOV R1，#5CH 第24頁/共95頁第二十五頁，編輯于星期二：一點 分。 LCALL MULF ；計算q0e(k) MOV Rl，#5CH LCALL SAVE ；存入5CH5EH MOV R1，#5FH MOV R2，#09H LCALL LOAD ；調(diào)用LOAD子程序，取 出q1值存入5FH61H MOV R0，#53H MOV R1，#5FH LCALL MULF ；計算q1e(k-l) MOV R1，#5FH LCALL SAVE ；存入5FH61H

13、第25頁/共95頁第二十六頁，編輯于星期二：一點 分。 MOV R0，#5CH MOV Rl，#5FH LCALL ADDF ；計算q0e(k)+q1e(k-1) MOV R1，#5CH LCALL SAVE ；存入5CH5EH MOV R1，#5FH MOV R2，#0CH LCALL LOAD ；調(diào)用LOAD子程序，取出q2 值存入5FH61H MOV R0，#50H MOV R1，#5FH LCALL MULF ；計算q2e(K-2) MOV R1，#5FH LCALL SAVE ；存入5FH61H 第26頁/共95頁第二十七頁，編輯于星期二：一點 分。 MOV R1，#5FH MOV

14、R0，#5CH LCALL ADDF ；計算u(k) MOV R1，#5CH LCALL SAVE ；存入5CH5EH MOV 50H，53H ；更新e(k-2) MOV 51H，54H MOV 52H，55H MOV 53H，56H ；更新e(k-l) MOV 54H，57H MOV 55H，58H RET第27頁/共95頁第二十八頁，編輯于星期二：一點 分。 3. 數(shù)字PID算法實施時的問題 （1）算法編程 確定選擇定點運算還是浮點運算，采用PC工控機時，大多用浮點運算，運算精度高。應(yīng)用單片機作為數(shù)字控制器，通常采用定點運算，特點是運算速度快 。 （2）輸出限幅 執(zhí)行機構(gòu)都有極限位置，與控

15、制器對應(yīng)有最大控制量和最小控制量。 第28頁/共95頁第二十九頁，編輯于星期二：一點 分。（3）積累整量化誤差 增量型PID運算中，積分項是用計算的。定點運算時，如果采樣周期T較小，而積分時間TI又較大時， 會認(rèn)為uI 為0，從而產(chǎn)生積分整量化誤差，實際上等于無積分作用。解決辦法是當(dāng)積分項很小時，不把它舍棄，而是將其累加起來 ，再參與運算。)()(keTTKkeKIuIpI返回本節(jié)第29頁/共95頁第三十頁，編輯于星期二：一點 分。四、數(shù)字PID控制器的改進(jìn) 數(shù)字PID控制器，實際上是用軟件算法去模仿模擬控制器，其控制效果一般不會比模擬控制器更好。因此，必須對數(shù)字PID控制器作些改進(jìn)，才能發(fā)揮

16、計算機的運算速度快、邏輯判斷功能強、編程靈活等優(yōu)勢。 第30頁/共95頁第三十一頁，編輯于星期二：一點 分。 （1）積分分離法 在一般的PID控制中，當(dāng)系統(tǒng)受到較大的擾動或給定值大幅度改變時，由于此時出現(xiàn)較大的偏差。結(jié)合系統(tǒng)固有的慣性和滯后，在積分項的作用下，控制器的積分項出現(xiàn)很大的累計值，往往使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動。為此，可采用積分分離措施，即偏差e(k)較大時，取消積分作用；當(dāng)偏差e(k)較小時才將積分作用投入。第31頁/共95頁第三十二頁，編輯于星期二：一點 分。 在階躍給定時，沒經(jīng)過積分分離的曲線a出現(xiàn)了比較大的超調(diào)量。而曲線b的超調(diào)量很小，因為t時，工作在積分分離區(qū)，

17、積分不累計。積分分離閾值應(yīng)根據(jù)具體對象及控制要求確定。 r積分分離算法示意圖 第32頁/共95頁第三十三頁，編輯于星期二：一點 分。（2）抗積分飽和法 一般執(zhí)行機構(gòu)有兩個極限位置：最大和最小，例如調(diào)節(jié)閥全開或全關(guān)。如果執(zhí)行機構(gòu)已到極限位置，由于積分作用，計算PID差分方程所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機構(gòu)此時已無相應(yīng)的動作，稱該現(xiàn)象為積分飽和現(xiàn)象。 防止積分飽和的辦法有多種。最簡單的是遇限停止積分法。一旦控制量進(jìn)入飽和區(qū)，將控制量u(k)限幅，同時把積分作用切除掉。即：第33頁/共95頁第三十四頁，編輯于星期二：一點 分。，停止積分，停止積分minminmaxmax)(,)(,)(Uku

18、UUkuUku 克服積分飽和還可以用遇限削弱積分法、變速積分法等 。第34頁/共95頁第三十五頁，編輯于星期二：一點 分。 （1）不完全微分PID控制算法 標(biāo)準(zhǔn)PID控制中微分作用，雖能減小系統(tǒng)超調(diào)和縮短調(diào)節(jié)時間，但對高頻擾動響應(yīng)過于靈敏，容易引起控制過程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)。 尤其是計算機對每個控制回路輸出時間是短暫的，而驅(qū)動執(zhí)行器動作又需要一定時間，如果輸出較大，在短暫時間內(nèi)執(zhí)行器達(dá)不到應(yīng)有的相應(yīng)開度，會使輸出失真。第35頁/共95頁第三十六頁，編輯于星期二：一點 分。 為了克服這一缺點，同時又要使微分作用有效，可以在PID控制輸出端串聯(lián)一個慣性環(huán)節(jié)，這就形成了不完全微分PID控制器，如下圖

19、所示。PIDDf(s)e(t)u(t)u(t)11)()()(sTsUsUsDff第36頁/共95頁第三十七頁，編輯于星期二：一點 分。對應(yīng)的微分方程是 )()()(tutudttduTf已知模擬PID控制器輸出為 dttdeTdtteTteKtutDIP)()(1)()(0代入上式右端得dttdeTdtteTteKtudttduTtDIPf)()(1)()()(0離散化后可得不完全微分PID位置型控制算式)()1 () 1()(kuku ku第37頁/共95頁第三十八頁，編輯于星期二：一點 分。不完全微分PID控制器也有增量型控制算式 ，即kiDIPTkekeTieTTkeKku0) 1()

20、()()()(TTTff)()1 () 1()(kukuku式中 )2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkuDIPIPITTKK稱為積分系數(shù) TTKKDPD稱為微分系數(shù) 第38頁/共95頁第三十九頁，編輯于星期二：一點 分。 標(biāo)準(zhǔn)PID控制算式中的微分作用只在第一個采樣周期內(nèi)起作用，而且作用很強。而不完全微分PID控制算式的輸出在較長時間內(nèi)仍有微分輸出，且第一次輸出也沒有標(biāo)準(zhǔn)PID控制強，因此可獲得比較柔和的微分控制，帶來較好的控制效果。 第39頁/共95頁第四十頁，編輯于星期二：一點 分。 當(dāng)系統(tǒng)輸入給定值作階躍升降時，會引起偏差突變。微分控制對偏差突變的反應(yīng)是

21、使控制量大幅度變化，給控制系統(tǒng)帶來沖擊，如超調(diào)量過大，調(diào)節(jié)閥動作劇烈，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。采用微分先行PID控制可避免給定值升降時系統(tǒng)受到?jīng)_擊。微分先行PID控制和標(biāo)準(zhǔn)PID控制的不同之處在于，它只對被控量y(t)微分，不對偏差e(t)微分，也就是說對給定值r(t)無微分作用。該算法對給定值頻繁升降的系統(tǒng)無疑是有效的。 第40頁/共95頁第四十一頁，編輯于星期二：一點 分。微分先行PID控制器結(jié)構(gòu)圖 微分先行PID控制器的增量型控制算式為：)1()()2() 1(2)()()1()()(kykyTTK kykykyTTKkeTTK kekeKkuIDPDPIPP第41頁/共95頁第四十二

22、頁，編輯于星期二：一點 分。 在計算機控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免執(zhí)行機構(gòu)動作過于頻繁，引起過度磨損、疲勞以致影響使用壽命，在允許一定的穩(wěn)態(tài)誤差時，可采用所謂帶有死區(qū)的PID控制系統(tǒng)，如圖所示。 yy)()()(0)()()(),()(kekykrkekykrkekP當(dāng)，當(dāng)返回本節(jié)第42頁/共95頁第四十三頁，編輯于星期二：一點 分。1. 采樣周期的選擇 理論上離散系統(tǒng)都有一個臨界穩(wěn)定的采樣周期Tw，要使系統(tǒng)穩(wěn)定，采樣周期T必須小于Tw，實際中還應(yīng)考慮：（1）給定值的變化頻率 給定值變化頻率越高，采樣頻率也應(yīng)越高。這樣給定值的改變可以迅速通過采樣得到反映。（2）被控對象的特性 若被控對象是慢速

23、的熱工或化工對象時，采樣周期一般取得較大；若被控對象是較快速的系統(tǒng)時，如機電系統(tǒng)，采樣周期應(yīng)取得較小。第43頁/共95頁第四十四頁，編輯于星期二：一點 分。（3）執(zhí)行機構(gòu)的類型 若執(zhí)行機構(gòu)動作慣性大，采樣周期也應(yīng)大一些，否則執(zhí)行機構(gòu)來不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。（4）控制算法的類型 采用PID算法時，采樣周期T太小，微分積分作用不明顯。T小到一定程度后，偏差e(k)會始終為零。（5）控制的回路數(shù) 控制的回路數(shù)越多，采樣周期T應(yīng)越大第44頁/共95頁第四十五頁，編輯于星期二：一點 分。被調(diào)量采樣周期T/s備注被調(diào)量采樣周期T/s備注流量15優(yōu)先選用（12s）溫度1520取純滯后時間常數(shù)壓力3

24、10優(yōu)先選用（68s）成分1520 液位68 優(yōu)先選用7s優(yōu)先選18s第45頁/共95頁第四十六頁，編輯于星期二：一點 分。（1）各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 增大比例系數(shù)KP， 一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差。但過大的KP會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。 增大積分時間TI, 有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。 增大微分時間TD, 有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。 第46頁/共95頁第四十七頁，編輯于星期二：一點 分。 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，簡單易行的參數(shù)整定方法是簡易工程法。優(yōu)點是

25、：整定參數(shù)時不必依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型。雖然粗糙一點，但能滿足工程需要就行，適于現(xiàn)場應(yīng)用。（2）擴充臨界比例度法 擴充臨界比例度法是基于模擬PID控制器的臨界比例度法的擴充。整定數(shù)字控制器參數(shù)的步驟如下。 a. 選擇一個足夠短的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。 第47頁/共95頁第四十八頁，編輯于星期二：一點 分。 b. 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作, 去掉積分作用（TI取很大的數(shù)）和微分作用（TD=0），僅保留比例作用。然后逐漸減小比例度( )，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度 及系統(tǒng)的臨界振蕩周期TK。 c. 選擇控制度Q，控制度是

26、以模擬控制器為基準(zhǔn)，將數(shù)字控制器的控制效果與模擬控制器的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通常用偏差平方積分表示。 KPK/1第48頁/共95頁第四十九頁，編輯于星期二：一點 分。 實際應(yīng)用中并不需要計算出兩個誤差平方積分，控制度是僅表示控制效果的物理概念。例如，當(dāng)控制度為 1.05時，就是指數(shù)字控制與模擬控制效果相當(dāng)；控制度為2.0時，是指數(shù)字控制比模擬控制效果差。 模擬控制數(shù)字控制控制度0202)()(dttedtteQ第49頁/共95頁第五十頁，編輯于星期二：一點 分。 d. 根據(jù)選定的控制度，查表5-2，求得T、Kp、TI、TD的值。 e. 在PID控制器中設(shè)定所得參數(shù)，將系統(tǒng)投入運行

27、并觀察控制效果。根據(jù)效果可適當(dāng)微調(diào)參數(shù)，以獲得滿意的控制效果。 注意：擴充臨界比例度法應(yīng)用時會使被控對象輸出產(chǎn)生振蕩，在被控對象不允許出現(xiàn)振蕩時，則不能使用該整定法。 第50頁/共95頁第五十一頁，編輯于星期二：一點 分。表5-2擴充臨界比例度法整定參數(shù)表 第51頁/共95頁第五十二頁，編輯于星期二：一點 分。 這是工程中的另一種整定法，整定Kp，TI, TD和T的步驟如下。a. 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，手動突加階躍信號。b. 用記錄儀表記錄對象階躍輸入下的輸出飛升曲線c. 在曲線最大斜率處作切線，按圖示求得滯后時間被控對象時間常數(shù) ，以及它們的比值 ，查表5-3可得：Kp，TI, TD及采

28、樣周期T。 T/T第52頁/共95頁第五十三頁，編輯于星期二：一點 分。 d. 在 PID 控制器中設(shè)定所得參數(shù)，系統(tǒng)投入運行并觀察控制效果。 微調(diào)參數(shù)，以獲得滿意的控制效果。 第53頁/共95頁第五十四頁，編輯于星期二：一點 分。第54頁/共95頁第五十五頁，編輯于星期二：一點 分。已知增量型PID控制的公式為 )2() 1(2)()()1()()(kekekeTT keTTkekeKkuDIp 如令k, TIk, TDk。 式中Tk為純比例作用下的臨界振蕩周期。則 )2(25. 1) 1(5 . 3)(45. 2)(kekekeKkup第55頁/共95頁第五十六頁，編輯于星期二：一點 分。

29、 這樣，整個問題便簡化為只要整定一個參數(shù)KP。改變KP，觀察控制效果，直到滿意為止。該法為實現(xiàn)簡易的自整定PID控制帶來方便。第56頁/共95頁第五十七頁，編輯于星期二：一點 分。 試湊法是通過仿真或?qū)嶋H運行觀察系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)，根據(jù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試控制器參數(shù)，直到滿足要求。 在試湊時，可參考以上影響趨勢，按先比例，后積分，再微分的整定步驟。 整定步驟： a. 先整定比例部分(TI=,TD=0) 將KP由小變大，觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，比例系數(shù)可由此確定。 第57頁/共9

30、5頁第五十八頁，編輯于星期二：一點 分。 b. 加入積分控制 對靜差不滿意，可加積分控制。先置TI為一較大值，并將得到的KP略為縮小一些(如縮小為原值的0.8倍)，然后逐步減小TI，使系統(tǒng)有良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可能要反復(fù)改變KP與TI，以期得到滿意的效果。 c. 加入微分控制 若用PI控制器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分控制，構(gòu)成PID控制器。在整定時，先置TD為零。逐步增大TD，同時相應(yīng)地改變KP和TI，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。返回本章首頁第58頁/共95頁第五十九頁，編輯于星期二：一點 分。 串級控制是在單回路PID控

31、制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種控制技術(shù)。當(dāng)PID控制應(yīng)用于單回路控制一個被控量時，其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制參數(shù)易于整定。但是當(dāng)系統(tǒng)同時有多個因素控制被控量時，如果只控制其中一個因素，很難滿足系統(tǒng)的控制性能。這時采用串級控制技術(shù)，在原控制回路中，增加一個或幾個控制回路，可以提高系統(tǒng)的控制性能。第59頁/共95頁第六十頁，編輯于星期二：一點 分。 如圖為爐溫控制系統(tǒng)原理圖。其中主回路為爐溫控制，副回路為煤氣流量控制。D1(s)為主控制器， D2(s)為副控制器，副對象為閥門，主對象為加熱爐。爐溫串級控制結(jié)構(gòu)圖爐溫串級控制結(jié)構(gòu)圖 第60頁/共95頁第六十一頁，編輯于星期二：一點 分。 不管串級控制有多少級，計

32、算的順序總是從最外面的回路向內(nèi)進(jìn)行 。 下圖為爐溫計算機串級控制系統(tǒng)圖，其中下圖為爐溫計算機串級控制系統(tǒng)圖，其中H(S)為零為零階保持器，階保持器，T為采樣周期，為采樣周期， D1(z) 、D2(z) 通常是通常是PID控制器。控制器。爐溫計算機串級控制系統(tǒng)爐溫計算機串級控制系統(tǒng) 第61頁/共95頁第六十二頁，編輯于星期二：一點 分。 爐溫控制系統(tǒng)的計算順序為：（1）計算主回路的偏差e1(k)；（2）計算主回路控制器D1(Z)的輸出u1(k)；（3）計算副回路的偏差e2(k)；（4）計算副回路控制器D2(Z)的輸出u2(k)；（5）計算副回路的輸出y2(t)；（6）計算主回路的輸出y1(t)。

33、第62頁/共95頁第六十三頁，編輯于星期二：一點 分。 為了防止主控制器的輸出過大而引起的副回路的不穩(wěn)定，同時也為了克服副對象慣性過大而引起的品質(zhì)惡化，在副回路的反饋通道中加入微分控制，稱為副回路微分先行串級控制。如圖所示。副回路微分先行串級控制系統(tǒng)副回路微分先行串級控制系統(tǒng)第63頁/共95頁第六十四頁，編輯于星期二：一點 分。副回路微分先行串級控制的計算順序為：（1）計算主回路的偏差e1(k)；（2）計算主回路控制器D1(Z)的輸出u1(k)；（3）計算微分先行部分的輸出y2d(k)；（4）計算副回路的偏差e2(k)；（5）計算副回路控制器D2(Z)的輸出u2(k)；（6）計算副回路的輸出y

34、2(t)；（7）計算主回路的輸出y1(t)。返回本章首頁第64頁/共95頁第六十五頁，編輯于星期二：一點 分。 反饋控制是在擾動的作用下，對設(shè)定值與實際值的偏差進(jìn)行控制，以抵消干擾的影響。如果干擾不斷增加，則系統(tǒng)總是跟在干擾作用之后波動。前饋控制是按擾動量進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，前饋控制就按擾動量直接產(chǎn)生校正作用，以抵消擾動的影響。 前饋控制是一種開環(huán)控制形式，因此，很少只采用前饋控制，而常常前饋-反饋控制。第65頁/共95頁第六十六頁，編輯于星期二：一點 分。 前饋控制的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。其中Gn(S)為被控對象擾動通道的傳遞函數(shù)， Dn(S)為前饋控制器的傳遞函數(shù)， G(S)被控對象控

35、制通道的傳遞函數(shù)。前饋控制結(jié)構(gòu)圖前饋控制結(jié)構(gòu)圖 第66頁/共95頁第六十七頁，編輯于星期二：一點 分。 采用前饋與反饋控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮前饋控制對擾動的補償作用，又能保留反饋控制對偏差的控制作用。前饋前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)圖反饋控制結(jié)構(gòu)圖 第67頁/共95頁第六十八頁，編輯于星期二：一點 分。 在實際應(yīng)用中，還常采用前饋-串級控制結(jié)構(gòu)如圖所示。前饋前饋-串級控制結(jié)構(gòu)圖串級控制結(jié)構(gòu)圖 第68頁/共95頁第六十九頁，編輯于星期二：一點 分。 例如鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，如圖所示。鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)示意圖給水流量蒸汽流量給定水位第69頁/共95頁第七十頁，編輯于星期

36、二：一點 分。 采用前饋-串級反饋控制結(jié)構(gòu)設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，以前饋控制蒸汽流量G，以串級控制的內(nèi)環(huán)控制給水量D，水位H作為系統(tǒng)的最終輸出量。如圖所示。第70頁/共95頁第七十一頁，編輯于星期二：一點 分。 計算機前饋-反饋控制系統(tǒng)方框圖如圖所示。計算機前饋計算機前饋-反饋控制系統(tǒng)方框圖反饋控制系統(tǒng)方框圖第71頁/共95頁第七十二頁，編輯于星期二：一點 分。計算機前饋-反饋控制的計算順序為：（1）計算反饋控制偏差e(k)；（2）計算反饋控制器D(z) （PID）的輸出u1(k)；（3）計算前饋調(diào)節(jié)器Dn(Z)的輸出un(k)；（4）計算前饋-反饋調(diào)節(jié)器的輸出u2(k)。返回本章首頁第72

37、頁/共95頁第七十三頁，編輯于星期二：一點 分。 順序控制是生產(chǎn)過程中常用的一種控制技術(shù)，它按照預(yù)先確定好的程序及時間控制某一過程從一個工序向下一個工序依次執(zhí)行。 順序控制是生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)則，通過事先編好的程序，在輸入信號的作用下，使執(zhí)行機構(gòu)按照預(yù)定程序動作，實現(xiàn)以開關(guān)為主的自動控制。一、順序控制概述一、順序控制概述 第73頁/共95頁第七十四頁，編輯于星期二：一點 分。 一般來說，為實現(xiàn)一個工業(yè)生產(chǎn)過程而對出現(xiàn)的開關(guān)量按時間或條件進(jìn)行操作都屬于順序控制。如繼電器的接通與斷開、電磁閥的開閉、電動機的啟停、定時器預(yù)定時間是否到達(dá)、計數(shù)器預(yù)定計數(shù)值是否計滿等。 按照順

38、序控制輸入元器件及邏輯控制器件的特點可將順序控制器分為繼電器控制裝置、半導(dǎo)體邏輯控制裝置、可編程控制器三大類型。第74頁/共95頁第七十五頁，編輯于星期二：一點 分。 繼電器控制裝置是根據(jù)控制對象的特點及工藝要求，先算出輸出與輸入條件的邏輯關(guān)系式，再按照該邏輯關(guān)系式把一定數(shù)量的繼電器、接觸器、開關(guān)及其他電器的相關(guān)觸點用導(dǎo)線連接成相應(yīng)的控制電路，從而達(dá)到自動順序控制的目的。 繼電器控制裝置主要適用于簡單的機床電器控制、化工、包裝等控制邏輯不太復(fù)雜、工作電流較大的領(lǐng)域。第75頁/共95頁第七十六頁，編輯于星期二：一點 分。 將半導(dǎo)體邏輯器件按一定的邏輯運算關(guān)系在印制電路板上連接成順序控制系統(tǒng)，即稱為半導(dǎo)體邏輯控制裝置。 半導(dǎo)體邏輯控制裝置可以構(gòu)成邏輯功能極強、控制方式和種類非常豐富的系統(tǒng)，也是現(xiàn)場控制領(lǐng)域常用的控制方法之一。但該類控制裝置往往專門為某一控制對象而研發(fā)，一旦控制對象或生產(chǎn)流程改變，需要對系統(tǒng)電路板進(jìn)行更改。第76頁/共95頁第七十七頁，編輯于星期二：一點 分。 可編程控制器把CPU、I/O、程序存儲器、數(shù)字存儲器等元件集成在同一個控制器中，強化了I/O口的數(shù)量、種類及功能，使控制器不需擴展就具有帶多種負(fù)載的能力，有的控制器內(nèi)還集成了光耦、電子看門狗等抗干擾電路，提高了抗干擾能力。應(yīng)用時，操作人員只要將程序指令存儲在程序存儲器中，控制器便能根據(jù)程序的設(shè)置和