1、.,1,教師講解： 1、校正就是控制； 2、同一個(gè)RC電路的不同應(yīng)用； 3、電子電路中滯后與超前的快速判定； 4、校正裝置在控制系統(tǒng)中的位置。 5、期望特性 6、PID控制器電子實(shí)現(xiàn) 7、PID控制軟件實(shí)現(xiàn),5.1 控制系統(tǒng)的校正(控制),.,2,基于一個(gè)控制系統(tǒng)可視為由控制器和被控對(duì)象兩大部分組成，當(dāng)被控對(duì)象確定后，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際上歸結(jié)為對(duì)控制器的設(shè)計(jì)，這項(xiàng)工作稱(chēng)為對(duì)控制系統(tǒng)的校正。,控制系統(tǒng)的校正（校正就是控制）,前面幾章討論了控制系統(tǒng)幾種基本方法。掌握了這些基本方法，就可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算。,本章討論另一命題，即如何根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先給定的性能指標(biāo)，去設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足性能要求的

2、控制系統(tǒng)。,.,3,在實(shí)際過(guò)程中，既要理論指導(dǎo)，也要重視實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，往往還要配合許多局部和整體的試驗(yàn)。所謂校正，就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個(gè)特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項(xiàng)性能指標(biāo)。,常用的校正方法，串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校正。,.,4,一般而言，當(dāng)控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益增大到滿足其靜態(tài)性能所要求的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)有可能不穩(wěn)定，或者即使能穩(wěn)定，其動(dòng)態(tài)性能一般也不會(huì)理想。在這種情況下，需在系統(tǒng)的前向通路中增加超前校正裝置，以實(shí)現(xiàn)在開(kāi)環(huán)增益不變的前題下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能亦能滿足設(shè)計(jì)的要求。,常用校正裝置及其特性,無(wú)源校正網(wǎng)絡(luò),超前校正,有源校正網(wǎng)絡(luò),無(wú)源超前校正,滯后

3、校正,滯后超前校正,先討論超前校正網(wǎng)絡(luò)的特性，而后介紹基于頻率響應(yīng)法的超前校正裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程。,.,5,校 正 方 式,串聯(lián)校正,反饋校正,校正裝置,校正裝置,前饋校正,復(fù)合校正,.,6,使得校正后（）角度超前的，為超前校正，使得校正后（）角度滯后的，為滯后校正，,從時(shí)間角度:是積分電路. 從頻率角度:低通濾波電路， 從相位角度:是滯后電路， 典型環(huán)節(jié)角度:是一階慣性電路,同一實(shí)際對(duì)象在不同應(yīng)用視角下有不同稱(chēng)呼.,電容在反饋中或有一端接地時(shí)，構(gòu)成滯后校正環(huán)節(jié)，反之,為超前校正環(huán)節(jié).判斷表5-1,5-2中電路,.,7,被控對(duì)象是不能改變的，通過(guò)控制器使總的特性滿足期望特性。,5.2 期望特性及控

4、制器實(shí)現(xiàn),.,8,期望特性,低頻段要斜率大,高頻段根據(jù)信號(hào)要求定轉(zhuǎn)折頻率,中頻段過(guò)零頻率 決定穩(wěn)定性等,求控制器(校正裝置)的步驟: 1、根據(jù)GO(s)幅頻特性,求出GO(s) 2、根據(jù)指標(biāo)要求查表并求出G(s) 3、根據(jù)公式Gc(s)= G(s)/GO(s)計(jì)算 4、根據(jù)計(jì)算的Gc(s)查表5-1，5-2中對(duì)應(yīng)電路。,.,9,以20dB/dec斜率穿越0dB線，和c與1和2的距離相當(dāng)為理想.,w,),(,L,w,-20,-40,-40,c,w,1,w,2,w,.,10,以20dB/dec斜率穿越0dB線，系統(tǒng)穩(wěn)定。為理想.,以40dB/dec斜率穿越0dB線，系統(tǒng)可能穩(wěn)定。,以60dB/de

5、c斜率穿越0dB線，系統(tǒng)不穩(wěn)定。,.,11,教師講解： 1、什么是PID調(diào)節(jié)； 2、型電子儀表PID控制； 3、PID的軟件實(shí)現(xiàn)； 4、單回路調(diào)節(jié)器； 5、控制器飽和處理 學(xué)生思考舉例：生產(chǎn)生活中的單回路調(diào)節(jié)器。,5.3 PID 調(diào)節(jié)器和自動(dòng)化儀表,.,12,PID控制技術(shù),PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，它是在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的一套控制方法。 在模擬控制系統(tǒng)中，基本控制回路是簡(jiǎn)單的反饋回路，。 被控量的值由傳感器或變送器來(lái)檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，并輸出控制量u(t)控制執(zhí)行器實(shí)施相應(yīng)操作， 使偏差趨近于零， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量的控

6、制。,.,13,基本反饋控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖,.,14,1. 比例調(diào)節(jié)（比例典型環(huán)節(jié)） 比例調(diào)節(jié)的控制規(guī)律為,u(t)=Kpe(t),（7-11）,式中，u（t）為調(diào)節(jié)器的輸出；Kp為比例系數(shù)；e（t）為調(diào)節(jié)器的輸入， 一般為偏差。 比例調(diào)節(jié)是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)規(guī)律，調(diào)節(jié)器的輸出u（t）與輸入偏差e（t）成正比，只要出現(xiàn)偏差e（t），就能及時(shí)地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用。 比例調(diào)節(jié)作用的大小，主要取決于比例系數(shù)Kp ，Kp越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，反之，Kp越小，調(diào)節(jié)作用越弱。但對(duì)于大多數(shù)慣性環(huán)節(jié)，Kp太大，會(huì)引起自激振蕩。,.,15,2. 比例積分調(diào)節(jié)（一階慣性環(huán)節(jié)） 比例調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)是存在靜態(tài)誤差，影響

7、調(diào)節(jié)精度。消除靜差的有效方法是加積分調(diào)節(jié)，構(gòu)成比例積分（PI）調(diào)節(jié)。 PI調(diào)節(jié)的控制規(guī)律為,（7-12）,式中, TI為積分時(shí)間常數(shù)，它表示積分速度的快慢，TI越大， 積分速度越慢，積分作用越弱；反之，積分速度越快，積分作用越強(qiáng)。,.,16,3. 比例微分PD調(diào)節(jié)（） 加入積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。然而， 當(dāng)控制對(duì)象具有較大的慣性時(shí)，用PI調(diào)節(jié)就無(wú)法得到滿意的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在調(diào)節(jié)器中加入微分作用，根據(jù)偏差變化的速度，提前給出較大的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快消除?？梢源蟠鬁p小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差及調(diào)節(jié)時(shí)間， 從而改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 ,.,17,同積分作用一樣，微分作用一般也不能單獨(dú)使用，需要與比例作

8、用相配合，構(gòu)成PD調(diào)節(jié)， 其控制規(guī)律為,（7-13）,式中，TD為微分時(shí)間常數(shù)。,.,18,4. 比例積分微分調(diào)節(jié)（PID） 為了進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，往往把比例、積分、微分三種作用結(jié)合起來(lái)， 形成PID三作用調(diào)節(jié)器， 其控制規(guī)律為,（7-14）,在PID調(diào)節(jié)器中，首先是比例、微分作用，使其調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，然后再進(jìn)行積分，直到最后消除靜差為止。因此，PID調(diào)節(jié)器無(wú)論是從靜態(tài)還是從動(dòng)態(tài)的角度看，調(diào)節(jié)品質(zhì)均得到了改善， 是一種應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器。,.,19,I 積分發(fā)生在低頻段，穩(wěn)態(tài)性能(提高) D微分發(fā)生在高頻段，動(dòng)態(tài)性能(改善),增加一個(gè)極點(diǎn)，提高型別，穩(wěn)態(tài)性能,兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，動(dòng)態(tài)性能比PI更具優(yōu)

9、越性,1,2,3,兩個(gè)零點(diǎn),一個(gè) 極點(diǎn),P117電路圖,.,20,數(shù)字PID控制算法,PID控制是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及理論分析，充分證明了PID控制規(guī)律用于多數(shù)被控對(duì)象能夠獲得較滿意的控制效果。 因此，在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中也廣泛地采用PID控制規(guī)律。,.,21,在模擬控制系統(tǒng)中，以微型計(jì)算機(jī)來(lái)代替模擬調(diào)節(jié)器， 可構(gòu)成微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。 在控制系統(tǒng)中引入微機(jī)，可以充分利用微機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)加以分析并根據(jù)所得結(jié)果做出邏輯判斷等方面的能力，編制出符合某種技術(shù)要求的控制程序、管理程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制與管理。在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)軟件來(lái)完成的。 改變控制規(guī)律，

10、 只要改變相應(yīng)的程序即可， 這是模擬控制系統(tǒng)所無(wú)法比擬的。,.,22,微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖,.,23,微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通常利用采樣方式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)回路進(jìn)行巡回檢測(cè)和控制， 它屬于采樣調(diào)節(jié)。 因而， 描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程應(yīng)由相應(yīng)的描述離散系統(tǒng)的差分方程來(lái)代替。 為了將模擬PID控制規(guī)律離散化， 令,tkT（為了簡(jiǎn)化表述， 一般在公式中將T省略） u（t）u（k） e（t）e（k）,.,24,式中，e（k）為第k次采樣所獲得的偏差信號(hào)；e（k）-e（k-1）為本次與上次測(cè)量值偏差之差，在給定值不變時(shí)，可表示為相鄰兩次測(cè)量值之差；T為采樣周期（兩次采樣的時(shí)間間隔）；k為采樣序號(hào)，k0， 1， 2

11、，。,.,25,則離散系統(tǒng)的PID算式為,在式所表示的控制算式中，其輸出值u（k）代表第k時(shí)刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)所應(yīng)達(dá)到的位置。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是閥門(mén)時(shí)，相當(dāng)于閥門(mén)的開(kāi)度，即與閥位一一對(duì)應(yīng)，因此，該式通常稱(chēng)為位置型PID算式。,.,26,在位置算式中，每次的輸出與過(guò)去的所有狀態(tài)有關(guān)，它不僅要微機(jī)對(duì)偏差進(jìn)行累加， 而且當(dāng)微機(jī)發(fā)生任何故障時(shí)， 會(huì)造成輸出量的變化，從而大幅度地改變閥門(mén)位置，這將給安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重后果，所以，目前微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的PID算式常作如下的變化，采用增量式控制。 根據(jù)式，可得第k-1次采樣有：,.,27,得到兩次采樣時(shí)輸出量之差為,式中，Kp稱(chēng)為比例增益；KI=Kp(T/TI)稱(chēng)為積分系數(shù)；

12、KD=KP(TD/T)稱(chēng)為微分系數(shù)。,.,28,為了編程方便，可將式整理成如下形式：,u(k)=a0e(k)+a1e(k-1)+a2e(k-2),式中，,.,29,4. 控制規(guī)律的選擇 長(zhǎng)期以來(lái)，PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用十分普遍，已為廣大工程技術(shù)人員所接受和熟悉。其原因如下：PID控制是一種最優(yōu)的控制算法；PID參數(shù)Kp、KI、KD相互獨(dú)立，參數(shù)整定比較方便； PID算法比較簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量較小，容易實(shí)現(xiàn)多回路控制。 在實(shí)際使用中，根據(jù)對(duì)象特性和負(fù)荷情況，合理選擇控制規(guī)律是至關(guān)重要的。根據(jù)分析可得出如下結(jié)論： （1） 對(duì)應(yīng)一階慣性對(duì)象， 由于負(fù)荷變化不大，工藝要求不高， 可采用比例（P）控制。,.,

13、30,（2） 對(duì)于一階慣性與純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的對(duì)象， 負(fù)荷變化不大， 但控制精度要求較高，可采用比例積分（PI）控制。 例如，壓力、流量、液位的控制。 （3） 對(duì)于純滯后時(shí)間較大，負(fù)荷變化也較大，控制性能要求高的場(chǎng)合，可采用比例積分微分（PID）控制。例如， 蒸氣溫度控制、 PH值控制等。,.,31,（2） 對(duì)于一階慣性與純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的對(duì)象， 負(fù)荷變化不大， 但控制精度要求較高，可采用比例積分（PI）控制。 例如，壓力、流量、液位的控制。 （3） 對(duì)于純滯后時(shí)間較大，負(fù)荷變化也較大，控制性能要求高的場(chǎng)合，可采用比例積分微分（PID）控制。例如， 蒸氣溫度控制、 PH值控制等。,.,32,計(jì)算機(jī)

14、控制系統(tǒng)的組態(tài)功能：硬件組態(tài)、 軟件組態(tài)。,硬件組態(tài)：常以總線式(PC或STD)工控機(jī)為主進(jìn)行選擇和配置?？偩€式工控機(jī)具有小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、組合化、結(jié)構(gòu)開(kāi)放的特點(diǎn)，因此可根據(jù)不同的控制對(duì)象，選擇相應(yīng)的功能模板，組成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。,工業(yè)控制組態(tài)軟件,1.主機(jī)單元 DDC系統(tǒng)的核心 2.輸入輸出單元 DDC系統(tǒng)的耳目、手腳 3.人機(jī)接口單元 DDC系統(tǒng)的窗口 4.抗干擾技術(shù) DDC系統(tǒng)的安全保障,.,33,.,34,軟件組態(tài)：常以工業(yè)控制組態(tài)軟件為主來(lái)實(shí)現(xiàn)。 工業(yè)控制組態(tài)軟件是標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、商品化的通用過(guò)程控制軟件，可采用菜單方式，用填表的辦法，對(duì)輸入、輸出信號(hào)用“儀表組態(tài)”方法進(jìn)行

15、軟聯(lián)接。簡(jiǎn)單明了、使用方便，大大減少了重復(fù)性、低層次、低水平應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，提高了軟件的使用效率和價(jià)值，提高了控制的可靠性，縮短了應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)周期。,1、控制組態(tài),2、圖形生成系統(tǒng),組態(tài)軟件主要包括：控制組態(tài)、圖形生成系統(tǒng)、顯示組態(tài)、I/O通道登記、單位名稱(chēng)登記、趨勢(shì)曲線登記、報(bào)警系統(tǒng)登記、報(bào)表生成系統(tǒng)。,一般有 PID等幾十種基本算法。 控制算法組態(tài)生成的兩種實(shí)現(xiàn)方式： 模塊宏方式：一個(gè)控制規(guī)律模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)宏命令。 功能模塊和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式。,圖形畫(huà)面主要是用來(lái)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程。 靜態(tài)畫(huà)面：反映監(jiān)視對(duì)象的環(huán)境和相互關(guān)系，它的顯示是不隨時(shí)間的變化的。 動(dòng)態(tài)畫(huà)面：反映被監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)和數(shù)值等，它隨現(xiàn)場(chǎng)被監(jiān)控對(duì)象的變化而變化。,.,36,3、顯示組態(tài),畫(huà)面顯示一般分為總貌、組貌、回路畫(huà)面。 顯示組態(tài)操作就是構(gòu)成這些畫(huà)面，包括選擇模擬顯示表、定義顯示表及顯示登記方法等操作。,調(diào)節(jié)控制表、報(bào)警顯示表、閥位