1、DCSDCS及现场总线技术及现场总线技术第4章 DCS控制算法及组态4.1 PID控制算法控制算法 4.1.1 理想理想PID控制算法控制算法 离散PID控制算法可分为三类：位置算法、增量算法、速度算法。1.位置算法位置算法TkekeTKTjeTKkeKkudpkjipp)1()()()()(0)1()()()()(0kekeKjeKkeKkuDkjIpipITTKK TTKKdpD 积分系数；微分系数；2.增量算法增量算法 PID控制增量算法为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即)2()1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkuDIp)1()()()()(kekeKke
2、KkeKkuDIp)1()()()()()(2kekeTTKkeTKTkeKTkukvdpipp3.速度算法速度算法 PID控制速度算法是增量算式除以采样周期T，即4.1.2 控制度和采样周期控制度和采样周期ANADDCANADDCISEISEdtedte)min()min(minmin 0202控制度 控制度表明了直接数字控制与模拟连续控制在控制品质上的差异程度。模拟调节器的控制品质好于数字调节器，所以控制度大于1，控制度越大，表示离散系统的控制品质越差。4.1.3 改进改进PID控制算法控制算法1.积分算法的改进积分算法的改进1）积分分离法 它的基本思想是：当偏差大于某个规定的门限值时，取
3、消积分作用，从而使不至于过大；只有当偏差较小时，才引入积分作用，以消除余差。积分分离PID算法可以表示为：)1()()()()(0kekeKjeKKkeKkuDkjIep时，加入积分作用，当时，取消积分作用，当00)(1)(0EkeEkeKe2）遇限削弱积分法 它的基本思想是：当控制量进入饱和区后，只执行消弱积分项的累加，而不进行增大积分项的累加。为此，在计算u(k)时，先判断u(k-1)是否达到饱和，若已超过umax，则只累加负偏差；若小于umin，则只累加正偏差，从而避免控制量长时间停留在饱和区。3）变速积分法 它的基本思想是：改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，即偏差越大，积分越
4、小，以致减到全无；偏差越小，积分越大，以利于消除余差。变速积分PID算法可以表示为：其中，是偏差e(k)的函数，当 增大时，f减小；减小时，f增大。)1()()()()()()(10kekeKkekefjeKkeKkuDkjIp)(kef1)(0kef)(ke)(ke4）圆整误差问题 由于工业计算机往往采用定点计算，存在字长精度限制的问题，当计算结果超过机器字长精度所能表示的范围时，计算机就将其作为机器零而把此数丢掉。常用的解决方法是在程序编制时设计一个累加单元，来解决由于定点运算的字长限制而丢掉积分作用的问题。另外圆整误差问题主要是针对增量式算法存在的。5）梯形积分法 若用梯形求积公式代替矩
5、形积分 来进行数字积分，可提高积分计算的精度且少受噪声的影响。但需要增加计算时间和内存容量。Tje)(Tjeje2)1()(2.微分算法的改进微分算法的改进1）微分先行 微分先行是只对被控变量进行微分作用，而不对设定值进行微分作用。微分先行的PID位置算式为：)1()()()()(0kykyKjeKkeKkuDkjIp 微分先行的PID增量算式为：)2()1(2)()()1()()(kykykyKkeKkekeKkuDIp 不完全微分PID位置算式为：)1()1()()()()(*0kukekeTTKjeTTKkeKkuDdpkjipp2）不完全微分 微分环节具有超前调节作用，常用来改善被控系
6、统的动态性能，但微分作用对信号的高频噪声很敏感，实际使用时通常需要加上惯性环节。3）四点中心差分法 该方法在组成差分时，不是直接使用前后两次偏差，而是用平均差做基准，再用加权平均的方式构成近似微分项。采用四点中心差分法的PID位置算式为：)3()2(3)1(3)(6)()()(0kekekekeTTKjeTTKkeKkudpkjipp3.其他形式的其他形式的PID控制算法控制算法1）带有不灵敏区的PID控制算法 对于某些对控制要求不高，且希望控制作用尽量少变的系统，可以采用带有不灵敏区的PID控制算法，即时，当时当，BkekuBkekuku)()1()()()(其中，B为不灵敏区2）二维PID
7、控制算法 当=0时，形成常规的PID控制，即PID输出是偏差的函数；当=1时，形成 I-PD控制。调整和，可使控制系统在定值和随动控制时都有较好的控制品质。3）给定值的前置滤波法 采用前置滤波器对给定值r进行滤波，使进入控制回路的给定值不突变。4.2 复杂控制算法复杂控制算法具体流程控制图补讲具体流程控制图补讲4.2.1前馈控制前馈控制 所谓前馈控制，实质上是一种对扰动按补偿原理进行调节的开环控制系统。其特点是当扰动产生后，在被控变量还未显示出变化之前，根据扰动作用的大小进行调节，以补偿扰动作用对被控变量的影响。如果这种前馈作用运用恰当，可以使被控变量不会因扰动作用而产生偏差，比反馈控制要及时
8、，并且不受系统滞后的影响。右图为前馈控制系统方框图，为了使系统在扰动作用下不受影响，则0)()()(sGsGsGodf)()()(sGsGsGofd 对于某一特定扰动，如果补偿得当，前馈控制系统的品质十分理想，但是要实现完全补偿并非易事，因为工业过程的数学模型是时变的、非线性的；同时扰动也是不可完全预见的（扰动往往不只一种），前馈控制只能在一定程度上补偿扰动对被控变量的影响。因此，在实际应用中通常将前馈控制和反馈控制结合起来，构成前馈反馈控制系统。前馈控制克服主要扰动的影响。反馈控制克服其余扰动及前馈补偿不完全部分。这样，系统即使在大而频繁的扰动下，依旧可以获得良好的控制品质。4.2.2串级控
9、制串级控制 串级控制系统的方框图如下图所示：4.2.3 Smith预估补偿控制预估补偿控制 Smith预估补偿器的表达式为：)1)()(spkesGsGSmith预估补偿控制方案如下图所示：4.2.4选择性控制选择性控制 常用的选择器是高选器和低选器，它们通常有两个或多个输入。低选器把低信号作为输出，用LS表示；而高选器将高信号作为输出，用HS表示，即),max(),min(2121uuuuuu高低4.2.5比值控制比值控制1.开环比值控制系统开环比值控制系统2.单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统3.双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统4.2.6先进控制先进控制 先进控制算法是基于先进控制策
10、略产生出的各种控制算法。在工业生产过程中已成功应用的算法包括模型预测控制、内模控制、模糊控制、神经网络控制和专家控制等，其中模糊控制、神经网络控制和专家控制是智能控制的组成部分。先进控制策略如果应用得当则具有比常规PID更好的控制效果，给企业带来显著的经济效益。4.3 顺序控制算法顺序控制算法 顺序控制是按照预先规定的顺序（逻辑关系），逐步对各阶段进行信息处理的控制方法。顺序控制以逻辑关系为前提，运算过程以逻辑运算为主，输出信息是二进制的0、1或者通断等逻辑值，因此顺序控制又称为逻辑控制。顺序控制系统可分为时间顺序、逻辑顺序和条件顺序控制三类。典型的顺序控制系统方框图如下图所示：4.4 DCS
11、控制算法的组态控制算法的组态4.4.1 DCS的控制功能模块的控制功能模块 DCS是把各种控制算法编制成程序，并设计成模块形式，称为功能块，功能块是最基本的算法单元。DCS中有许多种不同的功能块。在控制功能块中，除各种PID模块以外，通常还包括以下几种类型的功能块：1.运算类功能块。2.输入/输出功能块。3.通信功能块。4.转换类功能块。5.函数功能块。6.逻辑功能块。控制器中能完成的基本功能都可以通过功能块组态来完成。优化控制功能可以通过DCS中的高级编程语言组态编程和功能块结合实现。4.4.2 控制算法的组态及流程控制算法的组态及流程1、INFI 90 系统的控制算法组态方法系统的控制算法
12、组态方法 下图为INFI 90系统的单回路控制组态图：下图为INFI 90系统的串级控制组态图：2.MACS的应用组态流程 1）前期准备工作 2）建立目标工程 3）系统设备组态 4）数据库组态 5）算法组态 6）图形、报表组态7）编译生成 8）系统下装 3.MACS的控制组态方法1）工程分析2）建立工程3）编辑数据库4）系统设备组态5）I/O设备组态6）算法组态4先进控制的组态方法 先进控制算法可以通过DCS中的高级语言编制相应的算法，通过其程序语言中的过程参数读、写语句同过程变量交互信息。本章小结 本章介绍了数字PID控制算法及其改进算法，在此基础上对前馈控制、串级控制、Smith补偿控制等分别作了阐述。讲述了顺序控制的基本概念，针对描述顺序控制的梯形图以及编制方法作了相应的说明。本章最后以不同时期的DCS系统为例，介绍了控制 算法在DCS中的实现方法以及组态过程。
