1、數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計,數(shù)字控制器是計算機控制系統(tǒng)的核心部分。 數(shù)字控制器通常是利用計算機軟件編程，完成特定的控制算法。 控制算法通常以差分方程、脈沖傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等形式表示。 采用不同的控制算法，可以實現(xiàn)不同的控制作用，得到不同的控制性能。因此，只要改變控制算法，并改變相應的軟件編程，就可以使計算機控制系統(tǒng)完成不同的控制目的。這一點，是計算機控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)的一個重要方面。 本章介紹數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法和相應的控制算法。 模擬化設(shè)計方法：基于模擬控制系統(tǒng)理論的數(shù)字控制器設(shè)計方法。,1、自動控制技術(shù)及其應用 所謂自動控制，是指沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（

2、稱控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控量）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。 如： 飛機導航,3,2、反饋控制原理,反饋控制是這樣的一種控制過程，它能構(gòu)在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）之間的偏差，而其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的，這就是反饋控制的原理。 如人取桌上書的過程（見下圖）：,4,系統(tǒng)方框圖符號組成：“ ”,下圖為反饋控制原理方框圖,信號從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱為前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個主反饋

3、通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個或兩個以上反饋通路的 系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。,3、典型的反饋控制系統(tǒng)基本框圖：,6,4、自動控制系統(tǒng)基本控制方式,(1)、反饋控制方式 按偏差進行控制，具有抑制擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力和較高的控制精度。,7,(2)、開環(huán)控制方式 指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而 沒有反向聯(lián)系的控制過程。,8,9,(3)、復合控制方式 按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制方式 稱為復合控制方式。,1 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計技術(shù),典型的計算機控制系統(tǒng)如下圖所示。這種系統(tǒng)中既有連續(xù)信號，又有離散信號，可以稱為混合系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中連續(xù)信號和離散信號通過ADC和DAC實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。,計

4、算機控制系統(tǒng)中既有連續(xù)信號又有離散信號，是一個混合系統(tǒng)。 數(shù)字控制器的設(shè)計方法可以分為模擬化設(shè)計法和直接數(shù)字設(shè)計法。 模擬化設(shè)計法先將數(shù)字控制器看做是模擬控制器。采用連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計的方法，首先設(shè)計模擬控制系統(tǒng)的模擬控制器，使模擬控制系統(tǒng)滿足性能指標要求。然后，采用離散化的方法將設(shè)計好的模擬控制器離散化成數(shù)字控制器，最后構(gòu)成數(shù)字控制系統(tǒng)。 這種方法對習慣于模擬控制系統(tǒng)設(shè)計的人來說比較容易理解和接受，但這種方法當采樣周期較大時，系統(tǒng)實際達到的性能往往比預計的設(shè)計指標差。,直接數(shù)字設(shè)計法則首先將系統(tǒng)中被控對象加上保持器一起構(gòu)成的廣義對象離散化，得到相應的以脈沖傳遞函數(shù)、差分方程或離散系統(tǒng)狀態(tài)方程表示的

5、離散系統(tǒng)模型，然后利用離散控制系統(tǒng)理論，直接設(shè)計數(shù)字控制器。 由于直接設(shè)計法直接在離散系統(tǒng)的范疇內(nèi)進行，避免了由模擬控制器向數(shù)字控制器轉(zhuǎn)化，也繞過了采樣周期對系統(tǒng)動態(tài)性能產(chǎn)生嚴重影響的問題，是目前采用較為廣泛的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計方法。,數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計步驟：,1 設(shè)計假想的模擬控制器 按給定對象和要求的性能指標，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 將D(s)離散化后得到的D(z)的控制性能會和D(s)不一樣，因為離散化過程必然會帶來誤差，且這種誤差與采樣周期有關(guān)。為了在離散化時不至于造成太大的誤差，要求采樣周期盡可能短，即采取模擬化設(shè)計方法時采樣周期

6、要小。,3 將D(s)離散化為D(z) 根據(jù)所選擇的采樣周期，用合適的離散化方法將D(s)離散化為D(z) 。可以選擇的離散化方法有雙線性變換法、后向差分法、零極點配置法等。,4 通過計算機仿真驗證系統(tǒng)性能是否符合要求。 5 選擇合適的控制算法，編程實現(xiàn)控制功能。,概 述,1、PID（Proportional Integral Differential）控制 PID意為比例、積分、微分， PID控制是自動控制中一種重要的控制方法。 2、PID控制實現(xiàn)的方式 模擬方式：用電子電路調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中，將被測信號與給定值比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID電路運算后送到執(zhí)行機構(gòu)，改變給進量，達到調(diào)節(jié)之目

7、的。 數(shù)字方式：用計算機進行PID運算，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，輸出去控制執(zhí)行機構(gòu)。 3、計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)點 一機多用；控制算法靈活；可靠性高；可改變調(diào)節(jié)品質(zhì)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量；安全生產(chǎn)、改善工人勞動條件等。,概 述（2）,4、計算機控制的任務就是設(shè)計一個數(shù)字調(diào)節(jié)器，常用以下控制方法： 程序和順序控制 比例積分微分控制（簡稱PID控制） 直接數(shù)字控制 最優(yōu)控制 生產(chǎn)管理及生產(chǎn)過程始終處于最佳工作狀態(tài)，亦叫自適應控制。 模糊控制 把設(shè)計者的控制決策（目標）用模糊規(guī)則加以描述，即可實現(xiàn)模糊控制。,1. 比例調(diào)節(jié)器,1. 比例調(diào)節(jié)器 比例調(diào)節(jié)器的微分方程為： y=KPe(t) 式中：y為調(diào)節(jié)器輸

8、出；Kp為比例系數(shù)； e(t)為調(diào)節(jié)器輸入偏差。 由上式可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比。因此，只要偏差出現(xiàn)，就能及時地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時的特點。比例調(diào)節(jié)器的特性曲線，如圖1所示。,圖1 階躍響應特性曲線,2. 比例積分調(diào)節(jié)器 所謂積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差的積分成比例的作用。積分方程為：,式中： TI是積分時間常數(shù)，它表示積分速度的大小，TI越大，積分速度越慢，積分作用越弱。積分作用的響應特性曲線。,圖2 積分作用響應曲線,若將比例和積分兩種作用結(jié)合起來，就構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)規(guī)律為：,PI調(diào)節(jié)器的輸出特性曲線如圖所示。,3. 比例微分調(diào)節(jié)器,微分調(diào)節(jié)器的微

9、分方程為：,微分作用響應曲線如圖所示。,PD調(diào)節(jié)器的階躍響應曲線如圖所示。,4. 比例積分微分調(diào)節(jié)器,為了進一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，往往把比例、積分、微分三種作用組合起來，形成PID調(diào)節(jié)器。理想的PID微分方程為：,PID調(diào)節(jié)器對階躍響應特性曲線,典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn),概 述 PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。 PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，其運算結(jié)果用于輸出控制。 在實際應用中，根據(jù)具體情況，可以靈活地改變PID的結(jié)構(gòu)，取其一部分進行控制。,1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)（2）,1.1 PID算法的數(shù)字化 1、

10、模擬系統(tǒng)的PID算法表達式 在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達式為： (6-1) 式中 P（t）-調(diào)節(jié)器的輸出信號 e(t)-調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差 KP調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) TI-調(diào)節(jié)器的積分時間 TD-調(diào)節(jié)器的微分時間,6.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)（3）,2、離散系統(tǒng)的PID算法表達式 對式（6-1）進行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，則積分項和微分項可用求和及增量式表示： （6-2） （6-3） （1）位置型PID控制算式 將式（6-2）和式（6-3）代入式（6-1），則可得離散的PID表達式 （6-4） 式中 t=T-采樣周期，必須使T足夠??； k

11、-采樣序號，k=0，1，2. E（k）、 E(k-1) -第k次和第（k-1）次采樣時的偏差值 P（k）-第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出,6.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)（4）,由于式（6-4）的輸出值與閥門開度的位置一一對應，因此，通常把式（6-4）稱為位置型PID控制算式。 （2）增量型PID控制算式 式（6-4）不僅計算繁瑣，而且為保存E（j）要占用很多內(nèi)存。因此，用該式直接進行控制很不方便。做如下改動，根據(jù)遞推原理，可寫出（k-1）次的PID輸出表達式： 用式（6-4）減去式（6-5），可得： （6-6） 式中 KI=KPT/TI -積分系數(shù) KD=KPTD/T -微分系數(shù),6.1 PID算法的

12、數(shù)字實現(xiàn)（5）,由（6-6）可知，要計算k次輸出值P（k），只需知道P（k-1），E（k-1），E（k-2）即可 。 在很多控制系統(tǒng)中，控制機構(gòu)采用的是步進電機或多圈電位器，所以只要給出一個增量信號即可。式（7-4）與式（7-5）相減得： （6-7） 式中 KP 、KD同式（6-6）。 式（7-7）叫增量型PID控制算式。, 實用遞推算法 (偏差系數(shù)控制算法),令三個動態(tài)參數(shù)為中間變量：,則有：,將增量型PID控制算法：,改寫為：,6.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)（6）,（3）計算機實現(xiàn)PID控制原理圖,6.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)（7）,（4）增量型PID控制的優(yōu)點與不足： 優(yōu)點： ）增量算法控

13、制誤動作影響小 ）增量算法控制易于實現(xiàn)手動自動無擾動切換 ）不產(chǎn)生積分失控，易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì) 缺點： ）積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差 ）溢出影響大 在實際應用中，應根據(jù)被控對象的實際情況加以選擇。 一般認為，在以閘管或伺服電機作為執(zhí)行器件，或?qū)刂凭纫筝^高的系統(tǒng)中，應當采用位置型算法；而在以步進電機或多圈電位器作執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則應采用增量式算法。,6.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)（8）,（5）速度型PID控制算法 由式（6-7）得 T是采樣周期，為常量，式（6-8）與式（6-7）沒有多大區(qū)別，使用的也不多。,6.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)（9）,6.1.2 PID算法的程序設(shè)計 1、位置型

14、PID算法的程序設(shè)計 由式（6-4）可寫出k次采樣時PID的輸出表達式 （6-9） 式中 KI 、KD同式（6-6） 思路：將三項拆開，并應用遞推進行編程 設(shè)比例輸出： Pp (k)=KP E(k) 積分項輸出：,6.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)（10）,微分項輸出： 所以，式（6-9）可寫為 （6-10） 該式即為離散化的位置PID編輯公式。 其流程圖如右圖所示，,6.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)（11）,2、增量型PID算法的程序設(shè)計 由式（6-7），設(shè) 代入式（6-7）得 （6-11） 此即為離散化的增量型的PID編程表達式。,增量型PID算法程序流程圖 如右圖所示。,6.1 PID算法的數(shù)字實

15、現(xiàn)（12）,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的幾個實際問題（1）,6.2.0 應用中的問題 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器在實際應用中，根據(jù)系統(tǒng)對被控參數(shù)的要求、D/A轉(zhuǎn)換器的輸出位數(shù)、以及對于干擾的抑制能力的要求等，還有一些具體問題需要解決。如正、反作用問題、積分飽和問題、限位問題、字變換問題、電流/電壓輸出問題、干擾抑制問題、以及手動/自動無擾動切換問題等。這在模擬儀表常需要采取改變線路，或更換不同型調(diào)節(jié)器的辦法加以解決。在計算機系統(tǒng)中，則可通過改變軟件的方法，很容易地實現(xiàn)。在這一節(jié)主要介紹正、反作用問題、積分飽和問題和自動與手動后援等問題。,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（2）,6.2.1 正、反作用問題

16、 1、什么是正、反作用問題 例如，在煤氣加熱爐溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，被測溫度高于給定值時，煤氣進給閥門應該關(guān)小，以降低爐膛的溫度。又如在爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，當被測壓力值高于給定值時，則需將煙道閥門開大，以減小爐膛壓力。在調(diào)節(jié)過程中，前者稱作反作用，而后稱為正作用。,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（3）,2、處理方法 （1）模擬系統(tǒng)中的處理方法： 是靠改變模擬調(diào)節(jié)器中的正、反作用開關(guān)來實現(xiàn)的。 （2）計算機系統(tǒng)中的處理方法： 在由計算機所組成的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，可用兩種方法來實現(xiàn)。 1）改變偏差公式E（k）： 其作法是，正作用時，E（k）=M（k）R（k）；反作用時，則E（k）=R（k）M（k）

17、，程序的其他部分不變。 2）反作用時計算結(jié)果求補： 例如都按公式（6-10）、（6-11）計算，只是在反作用時，完成PID運算之后，先將其結(jié)果求補，而后再送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出。,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（4）,6.2.2 積分飽和作用的抑制 0、積分飽和現(xiàn)象 積分項的作用：在PID控制中的積分項，其作用是消除靜差，提高穩(wěn)定度和精度。 積分項的副作用：主要是飽和、超調(diào) 在控制系統(tǒng)中，由于負載的突變或給定值的突變，如過程的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時，短時間內(nèi)輸出有很大的偏差，即|E(k)|大，造成PID運算的積分積累，致使算得的控制量超過了執(zhí)行機構(gòu)可能最大動作范圍對應的極限控制量

18、，如超過了閥門的全開（或全閉）的控制量Pmax（或Pmin），此時實際的控制量只能限制在Pmax（下頁圖b），而不是計算值（圖a）。這就是控制執(zhí)行機構(gòu)的飽和；對于輸出量來說，超過給定值r(t)，叫做超調(diào)。 輸出量不超過給定值r(t)時，為正偏差（E(k)0） ，當輸出超過給定值r(t)時，為負偏差（E(k)0）。由于積分項的作用，進入飽和區(qū)后，即便是負偏差，也不能使輸出控制量立即退出飽和區(qū)，如圖b所示，延時一段時間才退出飽和區(qū)。 注意區(qū)分：偏差 e(t)、給定值r(t)、輸出量m(t)、控制量P(t)。,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（5）,這種飽和稱為“積分飽和”，飽和引起輸出超調(diào)，甚至

19、產(chǎn)生震蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 為了消除積分飽和的影響，人們研究了很多對PID算法的修正方法，如遇限削弱法、有效偏差法、積分分離法等。,給定值,超調(diào),超調(diào),測量值（輸出值）,超調(diào),控制限定值,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（6）,1、遇限削弱積分法 基本思想：一旦控制量進入飽和區(qū)，則停止進行增大積分的運算。 具體的說，在計算P(t)值時，首先判斷一下上一次采樣時刻控制量 P(k-1)，是否已超過限制范圍，如果已超出，將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)的輸出是否已進入超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將偏差計入積分項。 見右圖。,給定值，如溫度、壓力或?qū)臄?shù)字量,控制量,如調(diào)整溫度的電壓,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的

20、實際問題（7）,遇限削弱積分PID算法流程圖如右圖所示。,考慮下限,考慮上限,不計入積分項,不計入積分項,計入積分項,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（8）,2、有效偏差法 當用式（6-4）位置型PID算式算出的控制量超出限制范圍時，控制量實際上只能取邊界值，即： P(k)=Pmax （為100%閥位） 或 P(k)= Pmin （為0 %閥位） 有效偏差法的實質(zhì)是，將相當于這一控制量P* 的偏差值，作為有效偏差值進行積分，而不是將實際偏差值進行積分。 如果實際的控制量為P(k)= P*（Pmax或Pmin ），則有效偏差值可以按式（6-4）逆推出，即 得有效偏差： （6-12）,6.2 數(shù)

21、字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（9）,有效偏差算法的程序流程圖如右圖所示。,考慮下限,考慮上限,有效偏差,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（10）,對于增量型PID算法，由于執(zhí)行機構(gòu)本身是存儲元件，在算法中沒有積分累積，所以不容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，但可能出現(xiàn)比例和微分飽和現(xiàn)象，其表現(xiàn)形式不是超調(diào)，而是減慢動態(tài)過程。這種現(xiàn)象對很多系統(tǒng)來講，影響并不很大，故不詳述。,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（11）,3、限位問題 在某些自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，往往不希望調(diào)節(jié)閥“全開”或“全關(guān)”，而是有一個上限限位 Pmax和一個下限限位Pmin，即要求調(diào)節(jié)器輸出限制在一定的幅度范圍內(nèi)， PmaxP P

22、min 。這就是限位問題。 在具體系統(tǒng)中，不一定上、 下限位都需要。如加熱燃料， 只有下限，不能關(guān)閉閥門。 考慮限位問題后的流程圖 如右圖所示。 為了提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，當程 序判斷輸出為 后， 也可按有效偏差重新求出 P（k）值。,考慮下限,考慮上限, 積分分離PID算法,對增量型PID算法：,改進為：,可采取積分分離的PID控制來解決常規(guī)PID控制的較大超調(diào)和長時間振動問題。即在偏差較大時，取消積分項的作用；而偏差較小時，積分項投入。,設(shè)開關(guān)函數(shù)：,變速積分PID控制算法,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（12）,6.2.3 手動/自動跟蹤及手動后援問題 0、手動/自動跟蹤 （1）自動跟蹤 在

23、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，必須在由手動到自動做切換時，能夠?qū)崿F(xiàn)自動跟蹤，即在由手動到自動切換時刻，在PID的輸出等于手動時的閥位值，然后在此基礎(chǔ)上，即可按采樣周期進行自動調(diào)節(jié)。 為達此目的，必須使系統(tǒng)能采樣兩種信號： 1）自動/手動狀態(tài) 2）手動時的閥位 （2）手動后援 當系統(tǒng)切換到手動時，要能夠輸出手動控制信號。能夠完成這一功能的設(shè)備，我們稱之為手動后援。如電動機調(diào)速器。 在計算機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，手動/自動跟蹤及手動后援是系統(tǒng)安全可靠運行的重要保障。,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（13）,手動/自動跟蹤及手動后援，可以采用多種方法實現(xiàn)。下邊介紹兩種實現(xiàn)手動/自動跟蹤及手動后援的方法。 1、簡易方法

24、一個簡易的手動/跟蹤及手動后援系統(tǒng)，如下圖所示。 圖中狀態(tài)（開關(guān)位于11）為微機控制。,測試狀態(tài),測量手動時的控制量P0,微機控制輸出,手動輸出,手動調(diào)節(jié)電位器,驅(qū)動電路,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（14）,實現(xiàn)上圖手動/自動跟蹤及手動后援的控制過程的軟件流程圖，如右圖所示。,判斷狀態(tài),計算控制增量,計算控制量,計算控制量,6.2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)中的實際問題（15）,2、利用模擬儀表的操作器 實現(xiàn)手動/自動無擾動切換及手動后援，也可以利用模擬儀表的操作器，如DQ2000和DFQ2100型等。這種方法的優(yōu)點是手動后援和閥位指示在操作器上均已安排好，這樣可節(jié)省系統(tǒng)的開時間。這種方法的基本思

25、想與前面講的方法大致相同。同樣要檢測手動/自動狀態(tài)及手動后援出閥位值，然后對手動/自動開關(guān)狀態(tài)進行分析，詳見圖7-10。,在算法中加入低通濾波環(huán)節(jié)（慣性環(huán)節(jié)），構(gòu)成不完全微分PID控制算法，可使系統(tǒng)性能得到改善。 低通濾波環(huán)節(jié)可以加到微分環(huán)節(jié)上，也可以加到PID控制規(guī)律之后。如下圖。,對微分項的改進：, 不完全微分的PID算法,微分的引入可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，但也加劇了高頻干擾的作用。,對于低通濾波環(huán)節(jié)加到微分環(huán)節(jié)上的數(shù)字PID控制，控制器的傳遞函數(shù)為 ：,不完全微分PID控制的比例部分、積分部分與完全微分PID控制的相同，而微分部分不同。,對于低通濾波環(huán)節(jié)加到PID控制規(guī)律之后的數(shù)字PID

26、控制，低通濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 ：,不完全微分PID控制與完全微分PID控制的比較，如下圖。 完全微分PID控制的微分部分僅在第一個周期內(nèi)有較大的輸出，對執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生很大沖擊，且易引入高頻干擾。 不完全微分PID控制的微分部分產(chǎn)生的輸出能持續(xù)幾個采樣周期，且在第一個周期內(nèi)也沒有完全微分PID控制的微分部分的輸出那么大。,被控量微分PID控制算法（微分先行PID控制算法）：,帶有死區(qū)的PID算法:,3 數(shù)字PID控制算法參數(shù)的整定(T、Kp、Ti、Td) 采樣周期T的選擇, 對于響應快、波動大、容易受干擾影響的過程，應該選取較短的采樣周期；反之，則長一些。 過程純滯后較明顯，采樣周期可與純滯后時

27、間大致相等。,選取采樣周期時應考慮的幾個因素： 采樣周期應遠小于對象的擾動信號周期 采樣周期應遠小于對象時間常數(shù) 考慮執(zhí)行器的響應速度 考慮對象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì) 考慮控制系統(tǒng)的性能價格比 考慮計算機所承擔的工作量,4 PID程序的實現(xiàn) 在編程的過程中，必須考慮的問題： 操作特征的設(shè)置 每個回路手動/自動特征位 每個執(zhí)行機構(gòu)設(shè)置正向/反向特征位 執(zhí)行機構(gòu)極限保護 目的：防止執(zhí)行機構(gòu)過開或過關(guān)。 方法： 防止極限環(huán) 解決方法：對計算機輸出規(guī)定一個不靈敏區(qū)，如果 則計算機不輸出。,3-3 串級控制系統(tǒng)設(shè)計,例：加熱爐串級溫度控制系統(tǒng),單回路控制系統(tǒng)簡單、控制精度不高 串級控制系統(tǒng)（多回路控制系統(tǒng)）復

28、雜、控制性能好,燃料油經(jīng)過蒸氣霧化后在爐膛中燃燒，被加熱的介質(zhì)從爐膛四周的管道中流過。燃料油管道上裝有調(diào)節(jié)閥。,1 為什么要采取串級控制？ 對于復雜工業(yè)對象，如管式加熱爐：加熱某種介質(zhì)。 加熱爐工藝過程：燃料油經(jīng)過蒸氣霧化后在爐膛中燃燒，被加熱的介質(zhì)從爐膛四周的管道中流過。燃料油管道上裝有調(diào)節(jié)閥。 工作過程分析：如果燃料油壓力恒定不變，閥位與燃料油流量成線性關(guān)系，可以采取單回路控制措施。如果燃料油壓力不是恒定不變，則單回路控制措施效果不理想，應采取串級控制方式。,2 串級控制方式的構(gòu)成 由兩個或兩個以上的控制回路構(gòu)成，大多數(shù)情況下只有兩個控制回路：內(nèi)回路、外回路。 內(nèi)回路，也稱副回路：在控制過程中起粗調(diào)作用； 外回路，也稱主回路：起細調(diào)作用。,加熱爐串級控制系統(tǒng)框圖,F1被加熱介質(zhì)的流量和入口溫度； F2燃料油壓力和成份； F3噴油用的過熱蒸氣壓力； F4配風、爐膛漏風和大氣溫度等。,3 串級控制系統(tǒng)的數(shù)字實現(xiàn),基本原則：從外向內(nèi)依次計算,4 副回路的確定 當把副回路看作一個等效對象時，串級控制系統(tǒng)就等效為一個單回路控制系統(tǒng)，因此主回路的設(shè)計可以按單回路控制系統(tǒng)的方法進行。 副回路也是一個單回路控制系統(tǒng)，在確定了副回路以后，副回路的設(shè)計也可以按單回路控制系統(tǒng)的方法進行。, 副回路中應包