1、1 第四章第四章 计算机控制系统的控制策略计算机控制系统的控制策略4.1 数字数字PID控制控制4.2 串级控制串级控制4.3 大林算法大林算法4.4 数字控制器设计方法数字控制器设计方法2第四章第四章 计算机控制系统的控制策略计算机控制系统的控制策略(1)模拟系统的过程控制模拟系统的过程控制a.将被测参数由传感器变成统一的标准信号送入控制器，在控制器中与给将被测参数由传感器变成统一的标准信号送入控制器，在控制器中与给定值进行比较；定值进行比较；b.然后将比较出的差值经然后将比较出的差值经PID运算后送到执行器，改变控制量，以达到自运算后送到执行器，改变控制量，以达到自动调节的目的。动调节的目
2、的。(2)数字控制器的调节过程数字控制器的调节过程a.首先将过程参数进行采样，通过模拟量输入通道变成数字量；首先将过程参数进行采样，通过模拟量输入通道变成数字量；b.数字量通过计算按一定控制算法进行运算处理；数字量通过计算按一定控制算法进行运算处理；c.运算结果由模拟量输出通道输出，通过执行器控制生产，达到给定值。运算结果由模拟量输出通道输出，通过执行器控制生产，达到给定值。3第四章第四章 计算机控制系统的控制策略计算机控制系统的控制策略(3)计算机实现过程控制的优点计算机实现过程控制的优点a.多回路控制多回路控制节省设备费用；节省设备费用；b.控制规律灵活多样；控制规律灵活多样；c.系统维护
3、简单、可靠性高；系统维护简单、可靠性高；d.改善调节品质。改善调节品质。(4)设计数字控制器的方法设计数字控制器的方法a.用经典控制理论设计模拟控制器，在用经典控制理论设计模拟控制器，在DDC系统中用数字方法对系统中用数字方法对PID进进行数字模拟；行数字模拟；b.用采样控制理论进行数字直接分析和设计；用采样控制理论进行数字直接分析和设计；4常规仪表控制系统框图常规仪表控制系统框图euqy控控制制器器执执行行器器被被控控对对象象测测量量变变送送器器偏偏差差给给定定值值控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量 测测量量值值r+_zf干干扰扰uqy控控制制器器执执行行器器被被控控对对象象给给定
4、定值值控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量 图图1 1-2 2 常常规规仪仪表表控控制制系系统统原原理理框框图图r(a a)闭闭环环控控制制系系统统(b b)开开环环控控制制系系统统5D(z)Ho(s)Gc(s)e*(t)u*(t)E(z)U(z)r(t)+_R(z)G(z)c(t)C(z)给定值给定值计算机计算机输出通道输出通道 D/A输入通道输入通道 A/D广义对象广义对象被控变量被控变量y输入通道输入通道 A/D数字控制器的模拟化设计数字控制器的模拟化设计利用经典控制理论设计模拟调节器，用数字利用经典控制理论设计模拟调节器，用数字方法对方法对PID进行模拟进行模拟数字控制器的直接
5、设计数字控制器的直接设计把计算机控制系统中的连续部分数字化，把整把计算机控制系统中的连续部分数字化，把整个系统看作离散系统，用离散化的方法设计控制器个系统看作离散系统，用离散化的方法设计控制器6表表 41 控制系统的研究方法控制系统的研究方法分分 类类方方 法法系系 数数输入量与输出量之关系输入量与输出量之关系数数 学学 工工 具具使使 用用 函函 数数现现 代代 控控 制制 理理 论论连连 续续 系系 统统离离 散散 系系 统统微微 分分 方方 程程拉拉 氏氏 变变 换换传传 递递 函函 数数状状 态态 方方 程程差差 分分 方方 程程Z 变变 换换脉冲传递函数脉冲传递函数离散时间状态方程离
6、散时间状态方程74.1 数字数字PID控制控制PID控制广泛应用的原因：控制广泛应用的原因：a.技术成熟技术成熟常规常规PID、各种、各种PID控制变形；控制变形；b.接受程度高接受程度高操作人员熟悉；操作人员熟悉；c.不需要求出数学模型；不需要求出数学模型；d.控制效果好。控制效果好。84.1.1 模拟模拟PID控制器控制器 1、比例控制器（、比例控制器（P）PuKe t 图4-1 阶跃响应特性曲线 e(t)t y t kPe(t)0 0 只要偏差只要偏差e(t)一出现，就能及时的产一出现，就能及时的产生与之成比例的调节作用，具有生与之成比例的调节作用，具有调节及调节及时，改善动态特性时，改
7、善动态特性的优点，它是一种最基的优点，它是一种最基本的调节规律本的调节规律。对于大多数惯性环节，对于大多数惯性环节，KP太大太大时会时会引起自激震荡。引起自激震荡。主要主要缺点缺点是存在静差。对于扰动较是存在静差。对于扰动较大、惯性也较大的系统，若采用单纯的比大、惯性也较大的系统，若采用单纯的比例调节器，就难于兼顾动态和静态特性例调节器，就难于兼顾动态和静态特性。9 控制作用控制作用u 系统实际输出系统实际输出y10对于大多数惯性环节，对于大多数惯性环节，Kp太大太大时会引起自激震荡。时会引起自激震荡。112、比例积分控制器（、比例积分控制器（PI）1Iue t dtT 图 4-3 积分作用响
8、应曲线 e(t)t y t 0 0 所谓所谓积分作用积分作用，是指调节器的输出，是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。与输入偏差的积分成比例的作用。优点优点：消除静差。只要有偏差存在，：消除静差。只要有偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消输出就会随时间不断增长，直到偏差消除，调节器的输出才不会变化。除，调节器的输出才不会变化。缺点：缺点：作用动作缓慢，且在偏差刚一作用动作缓慢，且在偏差刚一出现时，调节器作用很弱，不能及时克服出现时，调节器作用很弱，不能及时克服扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增大，调节过程增长，大，调节过程增长，因此很少单独
9、使用。因此很少单独使用。1213如果把比例和积分两种作用合起来，就构成如果把比例和积分两种作用合起来，就构成PI调节器：调节器：1PIuKe te t dtT 图4-4 PI调节器的输出特性曲线 e(t)t y t 0 0 e(t)给定值 y1=kPe(t)y2 kIkPe(t)既克服了单纯比例调节既克服了单纯比例调节器有静差存在的缺点，又避器有静差存在的缺点，又避免了积分调节器响应慢的缺免了积分调节器响应慢的缺点，即静态和动态特性均得点，即静态和动态特性均得到了改善，所以应用比较广到了改善，所以应用比较广泛。泛。14153、比例微分控制器（、比例微分控制器（PD）Dde tu Tdt 图 4
10、-5 微分作用响应特性曲线 e(t)t y t 0 0 t0 t0 微分作用微分作用，在偏差刚刚出现偏差值尚不，在偏差刚刚出现偏差值尚不大时，根据偏差变化的趋势，提前给出较大大时，根据偏差变化的趋势，提前给出较大的调节作用，使偏差尽快消除。由于调节及的调节作用，使偏差尽快消除。由于调节及时，可以大大减小系统的动态误差及调节时时，可以大大减小系统的动态误差及调节时间，使过程的动态品质得到改善。间，使过程的动态品质得到改善。特点特点：输出只能反应偏差输入变化的速：输出只能反应偏差输入变化的速度，而对于一个固定不变的偏差则不会有微度，而对于一个固定不变的偏差则不会有微分作用输出。因此，微分作用分作用
11、输出。因此，微分作用不能消除静不能消除静差差，而只能在偏差刚刚出现的时刻产生一个，而只能在偏差刚刚出现的时刻产生一个很大的调节作用。很大的调节作用。16比例积分微分控制器（比例积分微分控制器（PID）1()pDid e tuKetetTTd ta.调节过程调节过程首先是比例和微分作用，加强调节作用；首先是比例和微分作用，加强调节作用；然后再进行积分作用，直到消除静差。然后再进行积分作用，直到消除静差。b.PID控制优点控制优点改善静态、动态调节品质；改善静态、动态调节品质；17PD调节器调节器)()(1)(1dttdeTdtteTteKuDpPID调节器调节器 图 4-6 PD 调节器的阶跃响
12、应曲线 e(t)t y t 0 0 t0 t0 kie(t)图 4-7 PID 调节器阶跃响应特性曲线 e(t)t y t 0 0 KPe(t)kPkIe(t)kPkIe(t)说明：并非所有工业控制系统都需要使用说明：并非所有工业控制系统都需要使用PID调节器，调节器，PI、PD调节器也常常被人们所采用，因为它们比较简单。究调节器也常常被人们所采用，因为它们比较简单。究竟使用哪种调节器，应根据具体情况和现场实验进行选定。竟使用哪种调节器，应根据具体情况和现场实验进行选定。18 194.1.2 数字数字PID控制器控制算法控制器控制算法 1pDIde tu tKe te tTTdt将其离散化，用
13、数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程 000nnnjje t dte jtTe j 11d e te ke ke ke kdttT1、PID算法的数字化算法的数字化(1)PID算法的模拟表达式：算法的模拟表达式：20 0()1nDpjITTu kKe keje ke kTT(2)离散离散PID算法算法(3)位置型位置型PID算法算法 11212pIpU kU kK e ke kKe kK e ke ke k 图 4-8 DDC 控制原理图 U(n)=式(4-11)对象 Wd x(t)e(t)c(t)计算机 U(n)(a)位置式控制+
14、21(4)增量式增量式PID算法算法 图4-8 DDC 控制原理图 U(n)=式(4-12)对象 步进电机 x(t)e(t)c(t)计算机 U(n)(b)增量式控制+对象 Wd 1U kU kU k 11212pIpU kU kU kKe ke kK e kKe ke ke k22增量控制优点：增量控制优点：增量控制误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；增量控制误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；手动手动/自动切换时冲击比较小；自动切换时冲击比较小；不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。增量控制缺点：增量控制缺点：积分截断效应
15、大，有静态误差；积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。溢出的影响大。232、PID算法程序设计算法程序设计(1)位置型位置型PID算法的程序设计算法的程序设计 根据式（根据式（4-14）编写的位置型）编写的位置型PID程序程序 01kPIDjU kK E kKE jKE kE kTTKKDpD积分系数积分系数 微分系数微分系数)()()()(kUkUkUkUDIPIpITTKK 24a.将小数或混合小数化为整数将小数或混合小数化为整数l 由于用汇编语言进行浮点运算非常麻烦，运算前通过由于用汇编语言进行浮点运算非常麻烦，运算前通过乘以乘以2N将其化为整将其化为整数，然后数，然后把运算结果再乘
16、以把运算结果再乘以2-N，即可恢复到原来的数值；，即可恢复到原来的数值；l KP，KI，KD可采用同一比例因子折算。可采用同一比例因子折算。b.采用采用16位有符号指令运算位有符号指令运算l 计算计算U(k)时采用时采用32位加法，位加法，这样可以提高计算精度；这样可以提高计算精度；l 定义定义A/D采样值单元为采样值单元为16位，不会造成计算溢出。位，不会造成计算溢出。25DATA SEGMENT UR EQU0050H；设定值；设定值=0050H=80 KP EQU 0380H；KP=3.5*28=896=0380HKI EQU 0040H；KI=0.25*28=64=0040H KD E
17、QU 0000H；KD=0 SAMP DW?；定义；定义A/D采样值采样值E0 DW 0 ；定义；定义E(k)E1 DW 0；定义；定义E(k-1)UPK DW 2 DUP(0)；定义；定义UP(k)UIK1 DW 2 DUP(0)；定义；定义UI(k-1）UK DW 2 DUP(0)；定义；定义U(k)DATA ENDS26CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATASTART PROCMOV AX,DATAMOV DS,AXPID：MOV AX,UR；取设定值；取设定值MOV BX,SAMP；取采样值；取采样值SUB AX,BX；计算；计算E(k)MOV E0,A
18、XMOV BX,KP；计算；计算UP(k)=KP*E(k)IMUL BXMOV UPK,AX；存；存UP(k)MOV DS:UPK+2,DXMOV AX,E0；计算；计算KI*E(k)MOV BX,KIIMUL BXADD UIK1,AX；计算；计算UI(k)=UI(k-1)+KI*E(k)ADC DS:UIK1+2,DX27MOV AX,E0；计算；计算UD(k)=KD(E(k)-E(k-1)MOV BX,E1SUB AX,BXMOV BX,KDIMUL BXADD AX,UIK1；计算；计算UD(k)+UI(k)ADC DX,DS:UIK1+2ADD AX,UPK；计算；计算UD(k)+U
19、I(k)+UP(k)ADC DX,DS:UPK+2MOV UK,AX；存；存U(k)MOV DS:UK+2,DXMOV AX,E0；E(k-1)=E(k)MOV E1,AXRETCODEENDSEND START28MUL r8/m8；无符号字节乘法；无符号字节乘法；AXALr8/m8MUL r16/m16；无符号字乘法；无符号字乘法；DX：AXAXr16/m16IMUL r8/m8；有符号字节乘法；有符号字节乘法；AXALr8/m8IMUL r16/m16；有符号字乘法；有符号字乘法；DX：AXAXr16/m1629乘法指令的功能乘法指令的功能v乘法指令乘法指令分无符号和有符号乘法指令分无符
20、号和有符号乘法指令v乘法指令的源操作数显式给出，乘法指令的源操作数显式给出，隐含使用另一个操作数隐含使用另一个操作数AX和和DX字节量相乘：字节量相乘：AL与与r8/m8相乘，得到相乘，得到16位的结果，存入位的结果，存入AX字量相乘：字量相乘：AX与与r16/m16相乘，得到相乘，得到32位的结果，位的结果，其高字存入其高字存入DX，低字存入低字存入AXv乘法指令乘法指令利用利用OF和和CF判断乘积的高一半是否具有有效数值判断乘积的高一半是否具有有效数值30乘法指令对标志的影响乘法指令对标志的影响v乘法指令如下影响乘法指令如下影响OF和和CF标志：标志：MUL指令指令若乘积的高一半（若乘积的
21、高一半（AH或或DX）为）为0，则，则OF=CF=0；否；否则则OF=CF=1IMUL指令指令若乘积的高一半是低一半的若乘积的高一半是低一半的符号扩展符号扩展，则，则OF=CF=0；否则均为否则均为1v乘法指令对其他状态标志乘法指令对其他状态标志没有定义没有定义 对标志没有定义：指令执行后这些标志是任意的、对标志没有定义：指令执行后这些标志是任意的、不可预测（就是谁也不知道是不可预测（就是谁也不知道是0还是还是1）对标志没有影响：指令执行不改变标志状态对标志没有影响：指令执行不改变标志状态31mov al,0b4h；al=b4h=180mov bl,11h；bl=11h=17mul bl；ax
22、=Obf4h=3060；OF=CF=1，AX高高8位不为位不为0mov al,0b4h；al=b4h=76mov bl,11h；bl=11h=17imul bl；ax=faf4h=1292；OF=CF=1，AX高高8位含有效数字位含有效数字32DIV r8/m8；无符号字节除法：；无符号字节除法：ALAXr8/m8的商，的商，AhAXr8/m8的余数的余数DIV r16/m16；无符号字除法：；无符号字除法：；AXDX：AXr16/m16的商，的商，DXDX：AXr16/m16的余数的余数IDIV r8/m8；有符号字节除法：；有符号字节除法：ALAXr8/m8的商，的商，AhAXr8/m8的
23、余数的余数IDIV r16/m16；有符号字除法：；有符号字除法：；AXDX：AXr16/m16的商，的商，DXDX：AXr16/m16的余数的余数33除法指令的功能除法指令的功能v除法指令分无符号和有符号除法指令除法指令分无符号和有符号除法指令v除法指令的除数显式给出，隐含使用另一个操作数除法指令的除数显式给出，隐含使用另一个操作数AX和和DX作为被除数作为被除数字节量除法：字节量除法：AX除以除以r8/m8，8位商存入位商存入AL，8位余数存位余数存入入AH字量除法：字量除法：DX.AX除以除以r16/m16，16位商存入位商存入AX，16位位余数存入余数存入DXv除法指令对标志没有定义除
24、法指令对标志没有定义v除法指令会除法指令会产生结果溢出产生结果溢出34除法错中断除法错中断v当被除数远大于除数时，所得的商就有可能超出它所能表达当被除数远大于除数时，所得的商就有可能超出它所能表达的范围。如果存放商的寄存器的范围。如果存放商的寄存器AL/AX不能表达，便产生溢出，不能表达，便产生溢出，8086CPU中就产生编号为中就产生编号为0的内部中断的内部中断除法错中断。除法错中断。对对DIV指令，除数为指令，除数为0，或者在字节除时商超过，或者在字节除时商超过8位，或者在字除时商位，或者在字除时商超过超过16位，则发生除法溢出；位，则发生除法溢出；对对IDIV指令，除数为指令，除数为0，
25、或者在字节除时商不在，或者在字节除时商不在-128127范围内，或范围内，或者在字除时商不在者在字除时商不在-3276832767范围内，则发生除法溢出。范围内，则发生除法溢出。35mov ax,0400h；ax=400h=1024mov bl,0b4h；bl=b4h=180div bl；商；商al05h5；余数；余数ah7ch124mov ax,0400h；ax=400h=1024mov bl,0b4h；bl=b4h=76idiv bl；商；商alf3h13；余数；余数ah24h3636(2)增量型增量型PID算法的程序设计算法的程序设计第第k次采样增量型次采样增量型PID表达式：表达式：P
26、IDU kUkUkUk 1212PpIIDpUkKE kE kUkK E kUkKE kE kE k优点：限制优点：限制 ，防止控制增量过大，对系统稳定有利。，防止控制增量过大，对系统稳定有利。U k374.1.3 数字数字PID控制器算法的改进控制器算法的改进数字数字PID算法相对与模拟算法相对与模拟PID控制器的不足控制器的不足l 模拟调节器进行的控制是连续的，控制作用每时每刻都在进行；模拟调节器进行的控制是连续的，控制作用每时每刻都在进行；而数字控制器在保持器作用下，控制量在一个采样周期内是不变化的。而数字控制器在保持器作用下，控制量在一个采样周期内是不变化的。l 由于计算机的数值运算和
27、输入由于计算机的数值运算和输入/输出需要一定的时间，控制作用在时间输出需要一定的时间，控制作用在时间 上有延滞。上有延滞。l 计算机的运算字长有限和计算机的运算字长有限和A/D、D/A转换器的分辨率及精度而使控制有转换器的分辨率及精度而使控制有 误差。误差。381、积分饱和及其防止方法、积分饱和及其防止方法(1)积分饱和的原因及影响积分饱和的原因及影响 a.原因原因由于执行器的限制和积分项的存在，引起了由于执行器的限制和积分项的存在，引起了PID算法的饱和；算法的饱和；b.影响影响增加了超调量和系统的调整时间。增加了超调量和系统的调整时间。(2)积分饱和的抑制积分饱和的抑制a.积分分离法积分分
28、离法当误差较大时，取消积分作用；当误差较大时，取消积分作用；当被调量接近设定值时，再加入积分作用，以减小静差当被调量接近设定值时，再加入积分作用，以减小静差即：即：e 使用使用PD数字控制器数字控制器,取消积分作用，克服积分饱和；取消积分作用，克服积分饱和；e umax?结束 Y N 计算偏差 ek uk-1umin ek0 Y N 把比例、积分、微分项相加得出控制量uk 开始 N Y 412、数字、数字PID控制微分作用的改进控制微分作用的改进(1)数字数字PID控制微分作用的缺点控制微分作用的缺点 a.对于单位阶跃输入，标准对于单位阶跃输入，标准PID数字控制器的微分作用仅在第一个采样数字
29、控制器的微分作用仅在第一个采样周期存在，以后就无作用。周期存在，以后就无作用。b.偏差偏差e(k)突然变大时，突然变大时，U(k)在在E(k)产生的那一个采样周期内，输出数产生的那一个采样周期内，输出数值很大，可能使执行机构发生饱和。值很大，可能使执行机构发生饱和。c.对阶跃输入特别敏感。对阶跃输入特别敏感。42(2)微分先行微分先行PID控制控制 a.结构结构在标准在标准PID数字控制器算式中，加入一个惯性环节可构成微数字控制器算式中，加入一个惯性环节可构成微 分先行分先行PID数字控制器。数字控制器。b.优点优点不仅以平滑微分产生的瞬时脉动，减小干扰的影响，而且能不仅以平滑微分产生的瞬时脉
30、动，减小干扰的影响，而且能 加强微分对全控制过程的影响。加强微分对全控制过程的影响。T2s+1 aT2s+1 K1 sTK11 M(s)比例 E(s)V(s)积分 U(s)+)2()1()()2()1()(43210kekekekukuku43(3)不完全微分不完全微分PID控制控制 a.结构结构在标准在标准PID算法的微分环节上直接加上一个一阶惯性环节；算法的微分环节上直接加上一个一阶惯性环节；b.优点优点使得偏差发生突变时，微分作用比较平缓；使得偏差发生突变时，微分作用比较平缓；111/dpiddT sG sKTsT s K其中：其中：Kd微分增益，微分增益，3Kd B 时，采用时，采用P
31、ID算法决定控制量的输出；算法决定控制量的输出；l e B 时，设置一个固定的控制量时，设置一个固定的控制量(可以为可以为0)；c.可调参数可调参数Bl B过大过大调节动作过于频繁，达不到稳定控制过程的目的；调节动作过于频繁，达不到稳定控制过程的目的；l B过小过小产生很大的误差和滞后。产生很大的误差和滞后。45(2)砰砰砰砰PID复合控制复合控制 a.砰砰（砰砰（Bang-Bang）控制）控制时间最优控制、快速控制时间最优控制、快速控制l 输出状态输出状态开、关；开、关；l 磅磅控制的优点磅磅控制的优点控制速度快；控制速度快；l 磅磅控制的缺点磅磅控制的缺点若系统特性发生变化时，控制将发生失
32、误，从而若系统特性发生变化时，控制将发生失误，从而 产生大误差，使系统不稳定。产生大误差，使系统不稳定。e Q 时时 采用砰砰控制，加快响应速度。采用砰砰控制，加快响应速度。可调参数可调参数Q过大过大砰砰控制范围大，过渡过程时间短，超调量较大；砰砰控制范围大，过渡过程时间短，超调量较大；可调参数可调参数Q过小过小砰砰控制范围小，过渡过程时间长，超调量较小；砰砰控制范围小，过渡过程时间长，超调量较小；b.砰砰砰砰PID复合控制复合控制 464.1.4 数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定1、采样周期采样周期T的确定的确定(1)香农（香农（shannon）采样定理）采样定理当系统的采样频
33、率当系统的采样频率fs2fmax，可真实，可真实 地恢复到原来的连续信号；地恢复到原来的连续信号；(2)此采样频率此采样频率fs越高，失真越小；越高，失真越小；(3)影响采样周期影响采样周期T的主要因素的主要因素a.加到被控对象的加到被控对象的扰动频率扰动频率扰动频率越高，则采样频率也越高；扰动频率越高，则采样频率也越高；b.对象的动态特性对象的动态特性采样周期采样周期T=对象对象纯滞后时间纯滞后时间或选为或选为T=n；c.数字控制器数字控制器D(z)所使用的所使用的算法算法及及执行机构执行机构的类型的类型l 若控制算法较复杂，则应选择较长的采样周期以保证计算时间；若控制算法较复杂，则应选择较
34、长的采样周期以保证计算时间；l 快速执行机构应选择较短的采样周期；慢速执行机构则反之。快速执行机构应选择较短的采样周期；慢速执行机构则反之。47d.控制回路数控制回路数回路数越多，则采样周期越长；回路数越多，则采样周期越长；e.对象所要求的对象所要求的控制质量控制质量通常，控制精度要求越高，采样周期越短通常，控制精度要求越高，采样周期越短(4)采样周期采样周期T的选择方法的选择方法a.计算法计算法比较复杂，工程上用的比较少；比较复杂，工程上用的比较少；b.经验法经验法先选择一个采样周期先选择一个采样周期T，然后送入微机控制系统进行试验，根，然后送入微机控制系统进行试验，根 据被控对象的实际控制
35、效果，再反复改变采样周期，直到满据被控对象的实际控制效果，再反复改变采样周期，直到满 意为止。意为止。被控量被控量采样周期（采样周期（s）备备 注注流量流量15优选优选12s压力压力310优选优选35s液位液位68优选优选7s温度温度1520取纯滞后时间常数取纯滞后时间常数成分成分1520优选优选18s482、扩充临界比例度法、扩充临界比例度法 整定步骤：整定步骤：(1)选择一个足够短的采样周期选择一个足够短的采样周期Tmin;(2)求出临界比例度求出临界比例度u和临界振荡周期和临界振荡周期Tu;(3)选择控制度选择控制度(4)根据控制度，查表根据控制度，查表4-3即可求出即可求出T、KP、T
36、I和和TD的值。的值。2020DDCEt dtEtdt模拟控制度49控制度控制度控制规律控制规律TKpTiTd1.05PI PID0.03 Tu 0.014 Tu0.53 u0.63 u0.88 Tu0.49 Tu0.14 Tu1.2PI PID0.05 Tu 0.043 Tu0.49 u0.47 u0.91 Tu0.47 Tu0.16 Tu1.5PI PID0.14 Tu 0.09 Tu 0.42 u0.34 u0.99 Tu0.43 Tu0.20 Tu2.0PI PID0.22 Tu 0.16 Tu0.36 u0.27 u1.05 Tu0.40 Tu0.22 Tu模拟调节器模拟调节器PI
37、PID0.57 u0.70 u0.83 Tu0.50 Tu0.13 Tu临界比例度临界比例度PI PID0.45 u0.60 u0.83 Tu0.50 Tu0.125 Tu表表4.3 扩充临界比例度整定扩充临界比例度整定T,Kc,Ti,Td503、扩充响应曲线法、扩充响应曲线法 整定步骤：整定步骤：(1)断开数字调节器，使系统在手动状态下断开数字调节器，使系统在手动状态下工作。当系统在给定值处平衡后，给一工作。当系统在给定值处平衡后，给一阶跃输入，图阶跃输入，图4-14(a)；(2)记录被调参数在阶跃作用下的变化过程记录被调参数在阶跃作用下的变化过程曲线曲线(即飞升特性曲线即飞升特性曲线)，图
38、，图4-14(b)；(3)在曲线最大斜率处做切线，求得被控对在曲线最大斜率处做切线，求得被控对象滞后时间象滞后时间，惯性时间常数，惯性时间常数及及/；(4)根据所求得的根据所求得的，和和/的值，查表的值，查表4-4即即可求得控制器的各参数。可求得控制器的各参数。图4-14 广义特性飞升曲线 t 阶跃信号 u u(t)t y y(t)(a)阶跃信号(b)反应曲线 稳态值 51控制度控制度控制规律控制规律TKpTiTd1.05PI PID0.10.05 0.84/1.15/3.42.0 0.45 1.2PI PID0.2 0.16 0.78/1.0/3.61.90.55 1.5PI PID0.50
39、.340.68/0.85/3.91.62 0.65 2.0PI PID0.80.6 0.57/0.6/4.21.50.82 模拟调节模拟调节器器PI PID0.9/1.2/3.32.00.4 临界比例临界比例度度PI PID0.9/1.2/3.32.00.5 表表4.4 4.4 扩充响应曲线法整定扩充响应曲线法整定T T和和KpKp、TiTi、TdTd524、大滞后系统的参数整定、大滞后系统的参数整定(1)被控对象为一阶滞后系统，即被控对象为一阶滞后系统，即其中：其中：K=y/u为相对增益；为相对增益；为惯性时间常数；为惯性时间常数；为纯滞后时间。为纯滞后时间。(2)计算公式计算公式sesKs
40、G1)(dPBAKK1dICT0DT5,2TTd 表 4-5 性能指标 A B C 5%超调 0 13/25 0 1%超调 0 3/7 0 最小 IAE 3/10 3/10 4/10 53例：已知某一阶滞后被控对象的参数为例：已知某一阶滞后被控对象的参数为K=1.47，=750秒，秒，=50秒。秒。1、按扩充响应曲线法求得当控制度、按扩充响应曲线法求得当控制度=1.05时，时，PID控制器参数为：控制器参数为：T=2.5，KP=17.25，TI=100，TD=22.5。2、按、按D.M.Bain方法，当方法，当T=5秒时，按最小秒时，按最小IAE 指标选择指标选择PID控制器参数为控制器参数为
41、：KP=3.1，TI=771。54仿真结果PID控制器参数为：T=2.5，KP=17.25，TI=100，TD=22.5。55最小IAE 指标选择PID控制器参数为：KP=3.1，TI=771。56试凑法试凑法 凑试法凑试法是通过模拟或实际的闭环运行情况、观察系统的响应曲线，然是通过模拟或实际的闭环运行情况、观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定响应，从而确定PID控制器中的三个调节参数。控制器中的三个调节参数。(1)增大比例系数增大比例系数KP 加快系统响应，在有稳态
42、误差的情况下有利于减加快系统响应，在有稳态误差的情况下有利于减小稳态误差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使小稳态误差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统的稳定性变坏；系统的稳定性变坏；(2)增大积分时间增大积分时间TI 有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但减慢系统消除稳态误差过程；减慢系统消除稳态误差过程；57(3)增大微分时间增大微分时间TD 加快系统的响应，减小振荡，使系统稳定性增加快系统的响应，减小振荡，使系统稳定性增加，但系统对干扰的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应；加，但系统对干扰的抑制能
43、力减弱，对扰动有较敏感的响应；另外，过大的微分系数也特使系统的稳定性变坏；另外，过大的微分系数也特使系统的稳定性变坏；参数的调整步骤参数的调整步骤先比例，后积分，再微分的整定步骤，即：先比例，后积分，再微分的整定步骤，即：v 先整定比例部分先整定比例部分：将比例系数：将比例系数KP由小调大，并观察相应的系统响应趋由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到势，直到得到反应快、超调小的响应曲线得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有稳态误差或稳。如果系统没有稳态误差或稳态误差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那么只须用态误差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那么只须用比例调
44、节器即可，最优比例系数也由此确定。比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。58v 如果在比例调节的基础上系统的如果在比例调节的基础上系统的稳态误差不能满足设计要求，则须加入稳态误差不能满足设计要求，则须加入积积分环节分环节。整定时一般先置一个较大的积分时间系数。整定时一般先置一个较大的积分时间系数TI，同时将第一步整定得，同时将第一步整定得到的比例系数到的比例系数KP缩小一些（比如取原来的缩小一些（比如取原来的80%），然后减小积分时间系数使），然后减小积分时间系数使在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的稳态误差得到消除。在此在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的稳态误差得到消除。
45、在此过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数KP和积分时间系和积分时间系数数TI从而实现满意的控制过程和整定参数。从而实现满意的控制过程和整定参数。v 如果使用比例积分控制器消除了偏差，但如果使用比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不尽满意，则可以动态过程仍不尽满意，则可以加加入微分环节入微分环节，构成，构成PID控制器。在整定时，可先置微分时间系数控制器。在整定时，可先置微分时间系数TD为零，在为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数第二步整定的基础上，增大微分时间系数TD，同时相应地改变比例系数，同时相应地改变比例系数K
46、P和积分时间系数和积分时间系数TI，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。594.2 串级控制串级控制4.2.1 基本原理基本原理1、串级控制系统的基本概念、串级控制系统的基本概念(1)串级控制串级控制系统中有两个控制器系统中有两个控制器(主控制器和副控制器主控制器和副控制器)，主控制器的，主控制器的 输出作为副控制器的给定值；输出作为副控制器的给定值；(2)双回路控制系统双回路控制系统a.副回路的组成副回路的组成副控制器副控制器+副对象；副对象；b.主回路的组成主回路的组成副回路副回路+主对象主对象+主控制器；主控制器；(3)串级控制目的串级控
47、制目的保证主被控量稳定；保证主被控量稳定；60(4)相关名词相关名词a.主控制量主控制量主导作用的被控制量主导作用的被控制量y1；b.副控制量副控制量为稳定主控制量或因某种需要引入的辅助变量为稳定主控制量或因某种需要引入的辅助变量y2；c.主对象主对象由主被控制量表征其主要特征的生产设备；由主被控制量表征其主要特征的生产设备；d.副对象副对象 副副 ；e.主控制器主控制器输入为主被控制量与规定值的偏差输入为主被控制量与规定值的偏差e1，输出为副控制器的设定值输出为副控制器的设定值u1；f.副控制器副控制器输入为副被控制量与主控制器设定值的偏差输入为副被控制量与主控制器设定值的偏差e2，输出直接
48、操纵执行器输出直接操纵执行器u2；g.主回路主回路主对象、主检测变送器、主控制器、外回路；主对象、主检测变送器、主控制器、外回路；h.副回路副回路副对象、副检测变送器、副控制器、执行器；副对象、副检测变送器、副控制器、执行器；612、串级控制系统的工作原理、串级控制系统的工作原理(1)F1作用于主回路作用于主回路主控制器主控制器u1根据根据y1改变副控制器的设定值，副控制改变副控制器的设定值，副控制 器器u2产生校正作用使产生校正作用使y1稳定，缩短调整时间；稳定，缩短调整时间；(2)F1、F2同时作用于主、副回路；同时作用于主、副回路；l 主被控量与副被控量变化方向主被控量与副被控量变化方向
49、相同相同e2增大、增大、y2变化较大、迅速克服变化较大、迅速克服干扰；干扰；l 主被控量与副被控量变化方向主被控量与副被控量变化方向相反相反e2减小、减小、y2变化较小、克服扰动变化较小、克服扰动623、串级控制的优点、串级控制的优点不仅能克服作用于副回路的干扰；不仅能克服作用于副回路的干扰；且能使作用于主回路的干扰加快调节过程；且能使作用于主回路的干扰加快调节过程；(1)副回路副回路先调、快调、粗调；先调、快调、粗调；(2)主回路主回路后调、慢调、细调；后调、慢调、细调；634.2.2 设计举例设计举例1、管式加热炉温度串级控制系统、管式加热炉温度串级控制系统(1)问题提出问题提出将石油将石
50、油/重油温度加热到一定温度重油温度加热到一定温度1；(2)影响原料油出口温度影响原料油出口温度1扰动因素扰动因素a.燃料油方面的扰动燃料油方面的扰动F2；b.喷油用的过热蒸汽压力波动喷油用的过热蒸汽压力波动F4；c.被加热油料方面的扰动被加热油料方面的扰动F1；d.炉膛漏风和大气温度方面的扰动炉膛漏风和大气温度方面的扰动F3；(3)串级控制系统串级控制系统a.主回路主回路主被控制量主被控制量1、主对象为加热炉；、主对象为加热炉；b.副回路副回路副被控量副被控量2(炉膛温度炉膛温度)、副对象为炉膛检测点至调节阀、副对象为炉膛检测点至调节阀 之间的设备；之间的设备；643、串级控制系统的工作过程、
