1、数字控制系统与数字PID控制器张建明浙江大学智能系统与控制研究所 n放热反应器采用串级控制，通过调节冷却水流量Fw来控制反应器温度T。出于安全的原因，冷却水调节阀采用气关阀。n画出控制系统方块图，注明每个方块的输入输出信号；n判断每个控制器的正反作用；n指出TC21的广义对象的输入和输出，计算广义对象模型的动态参数 K、T、;n如果采用PID控制器，采用离线整定法确定控制器TC21的参数。工艺介质冷却水u(t)FwTTm冷却水出口TT 21TC 21TspFT 31FC 31FspFmFC31 和 TC21 均为正作用控制器广义被控对象的输入是 Fsp，输出是Tm 8070%20000.251
2、0/18/%40/ooooCCCCKThrThrThr 63.2%28.3%1.5Ttt1.5 19156minT 63.2%0196 103mintTt1116201.20.251.2 33cTTKKK 6miniTT0.51.5mindT内 容n串级控制系统的抗积分饱和n数字控制系统的概念n数字滤波器的选择 n数字PID控制算法及其改进型 n集散控制系统（DCS）简述n小结积分饱和问题的由来若工艺介质温度过低，或工艺介质流量过大，或蒸汽量供应不足，导致控制阀即使全开，也难以保证换热温度达到其设定值。此时，分析PID控制器输出信号的变化情况。PID控制器的积分饱和问题积分饱和的实质当调节能力
3、不足时，控制器内部状态超出正常工作范围。而当主要干扰消除后，控制器内部状态首先需要返回至正常工作范围，然后控制器才真正开始起调节作用。单回路PID控制器的积分饱和现象讨论以下现象：（1）控制器的积分饱和现象（2）控制阀全开或全关0204060801001201401601802005560657075Ym,Ysp020406080100120140160180200-15-10-505D02040608010012014016018020050100150Uc,Up单回路控制的抗积分饱和原理原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。maxmaxmaxminminmin)(,)(),
4、()(,)(utuifuutuuiftuutuifutuccccp0204060801001201401601802005560657075%Ysp,Ym020406080100120140160180200050100150%time,minUc,Up抗积分饱和仿真举例单回路系统的防积分饱和单回路系统的防积分饱和111:(1)111iicccT siiTsPIKKKTsTs可以吗？工业单回路PID控制器PID1PID2串级PID系统的积分饱和问题问题问题：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，在限位参数不一致的情形下，同样存在发生“积分饱和”的可能性。Why?How?加热炉出口温度串级控
5、制方案炉出口温度串级控制系统炉出口温度串级控制系统仿真模型为揭示串级控制的积分饱和现象，待加热的工艺介质进料温度发生了较大的变化仅采用单回路抗积分饱和措施的仿真结果200250300350400450100105110115120125timeTi，200250300350400450303540455055606570Time%Ysp1Ym1Ysp2Ym2串级控制系统的防积分饱和炉出口温度串级控制系统仿真模型3采用串级控制的抗积分饱和措施的仿真结果200250300350400450100105110115120125timeTi，20025030035040030354045505560T
6、ime%Ysp1Ym1Ysp2Ym2数字PID控制如何实现数字PID控制？数字PID的主要组成下面来看看各个组成部分信号采集 采样速率发生了什么？连续信号采样速度应多快？快速采样慢速采样信号采集 采样速率连续信号发生了什么？失真慢速采样失真：当采样速率与信号的变化相比太慢会造成失真。Shannon定理：采样频率必须大于等于信号最高频率的两倍。信号采集 信号保持保持会改变动态吗？连续信号零阶保持后的信号在执行控制期间信号保持为上次采样的值信号采集 信号保持连续信号保持后的近似连续信号与原始信号有约半个采样周期的纯滞后A/D转换硬件实现02N1测量值软件实现数字控制系统与模拟控制系统的组成模拟控制
7、系统数字控制系统数字控制器内部结构举例数据处理n数据有效性检查测量变送器失灵或故障会产生无效数据 n信号补偿有些信号需要进行补偿，如热电偶需要进行冷端温度补偿n线性化处理有些信号与真实的物理量不是成线性关系，如差压变送器输出信号与真实的流量信号是开方关系，热电偶的热电势与所测温度之间也是非线性关系n归一化处理 滤波信号？噪声？噪声：测量中不可再现的部分称为噪声。很难得到如此明确地区分！滤波模拟滤波电路(RC)n程序判断滤波n中值滤波n递推平均滤波n加权递推平均滤波n一阶滞后滤波如何实现？数字滤波,()()()(1),()(1)by ky kif y ky kby ky k110()()NNiy
8、 ky ki011()()(1)(1)Ny kC y kC y kCy kNn程序判断滤波n中值滤波n递推平均滤波n加权递推平均滤波n一阶滞后滤波连续三次采样的中间值作为有效信号()(1)(1)(),01y ky ky k数字PID001()()()tcdide tuKe te t dtTuTdt()()Pcu kK e kn比例作用n积分作用n微分作用1()()kcsiiK Tu ke iTI()(1)()cdse ke ku kK TTD()()()me kr kyk取：数字PID 位置式1()()()()(1)ksdcsiisTTu kKe ke ie ke kuTT001()()()t
9、cdide tuKe te t dtTuTdt数字PID，位置式计算到终端执行器的输出将三种作用汇集起来数字PID 增量式1()()()()(1)ksdcsiisTTu kKe ke ie ke kuTT增量式计算到达终端执行器的变化量变化量()()(1)()()2(1)(2)()()(1)sdcisTTu kKe ke ke ke ke ke kTTu ku ku k 11(1)(1)()(1)(2)ksdcsiisTTu kKe ke ie ke kuTT有什么好处？位置式和增量式的比较n位置式需由外部引入初始阀位值，增量式不需要n位置式需防积分饱和，增量式不会产生积分饱和n只有存在偏差时
10、，增量式才会有输出n增量式容易实现从手动到自动的切换PID改进方法()2()()(1)(2)1)()sdcisTTe ke ku kKe ke ke kTTe k()2()()(1)(2)1)()sdcisTTy ky ku kKey kke ke kTT,()0,()siiTe kATKe kAn微分先行n积分分离n不灵敏区(),()()0,()u ke kBu ke kB抗积分饱和的数字PID增量式n常规的数字PID增量式：n抗积分饱和的PID增量式：()()(1)()()2(1)(2)()(1)()sdcisTTu kKe ke ke ke ke ke kTTu ku ku kmaxma
11、xmaxminminmin)(,)(),()(,)(),()1()()2()1(2)()()1()()(ukvifuukvuifkvukvifukukvkukvkekekeTTkeTTkekeKkvsdisc数数字字PID的的实实现现数字控制的效果改变控制周期会如何？连续控制时控制参数为：ssdkiiscukekeTTieTTkeKku)1()()()()(0Kc=30Ti=11 minTd=0.80 min数字控制的效果为何采用数字控制n可实现高级控制算法n可对过程进行监视n可实现过程优化n可实现诊断工业数字PID控制器完整结构数字控制模块 PID手操与选择模块手操器高选器低选器123max
12、,OUTI II123min,OUTI II常见数字运算模块（1）1 1223 30OUTK IK IK IB加减器开方器11OUTKI比值器10OUTKIB常见数字运算模块（2）乘法器01 112220()()OUTKK IBK IBB除法器1 11003 33K IBOUTKBK IB集散控制系统结构 (DCS，Distributed Control Systems)分散控制意义分析?为什么DCS广受欢迎?PID控制小结n过程动态特性的描述与获取n气开/气关控制阀与PID控制器正反作用的选择nPID控制器类型的选择nPID控制参数的整定（离线法与在线法）n流量控制回路的特殊性与控制参数整定n液位均匀控制回路的控制目标与参数整定n单回路控制中的积分饱和现象及其防止n串级控制系统的设计及抗积分饱和n数字PID控制算法
