数字控制的实现技术.ppt

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1、数字控制的实现技术现在学习的是第1页，共38页PID算法的算法的实现技技术 目目的的：掌掌握握数数字字PID控控制制算算法法在在工工程程应用用中中的的实现技技术，包包括括采采样周周期期、字字长的的选取取，无无扰切切换与与抗抗积分分饱和和算算法法，控控制制器器的的正正反反作作用用方方式式等等等等。（参参考考教教材材：4.2节、2.6节）数字PID控制的位置式与增量式算法；数字PID控制器采样周期的选取；数字PID控制器的正、反作用方式；数字PID控制器积分字长的确定；过程输入约束及PID抗积分饱和算法；控制器的手动、自动无扰切换。现在学习的是第2页，共38页221 1：位置式与增量式算法位置式与

2、增量式算法一、基本PID的位置型离散表达式现在学习的是第3页，共38页数字数字PID控制的位置式算法控制的位置式算法二、位置式数字PID控制算法的递推形式:比例项：积分项：或者：以上各式中,现在学习的是第4页，共38页不完全微分递推算法 微分项：离散化有：注：不完全微分可看作是过程变量先经过完全微分环节，然后 再经一阶 惯性滤波环 节，据 此进行 离 散化操作。现在学习的是第5页，共38页增量式数字增量式数字PID控制算法控制算法三、增量式数字PID控制算法的递推形式：或：或：其中：其中：，而现在学习的是第6页，共38页增量式数字增量式数字PID控制算法控制算法n增量式算法的控制器结构举例：现

3、在学习的是第7页，共38页位置式与增量式算法的位置式与增量式算法的对比比1.增量式PID控制算法如取 为实际阀位反馈信号,或反映执行器特性的内部执行器模型输出,则不 会发生积分饱和现象;并 且 由M A N模 式切换到AUTO模式时,易于实现无扰.2.增量式PID算法必须采用积分项。因为比例、微分项除了在设定值改变后的一个周期内与设定值有关外，其它时间均与设定值无关；尤其是微分先行、比 例 先 行 算 法 更 是 如 此。这 样，被控过程会漂离设定点 现在学习的是第8页，共38页222 2：采采样周期的周期的选择 香香农“采采样定理定理”基于如下两点假基于如下两点假设：（1）原始信号是周期的；

4、（2）根据在无限时域上的采样信号来恢复原始信号。例如：现在学习的是第9页，共38页采采样周期的周期的选择n在实时采样控制系统中，则要求在每个采样时刻，以有限个采样数据近似恢复原始信号，所以不能照搬采样定理的结论。采样周期的选取要考虑以下几个因素：1.被控过程的动态特性；2.扰动特性；3.信噪比（信噪比小，采样周期就要大些）。现在学习的是第10页，共38页采采样周期的周期的选择n流量控制中不同采样周期的比较：现在学习的是第11页，共38页223 3：“正反作用正反作用”方式方式n控制系控制系统引入正反作用方式的必要性：引入正反作用方式的必要性：现在学习的是第12页，共38页223 3：“正反作用

5、正反作用”方式方式n控制系控制系统引入正反作用方式的必要性：引入正反作用方式的必要性：现在学习的是第13页，共38页223 3：“正反作用正反作用”方式方式n控制系控制系统引入正反作用方式的必要性：引入正反作用方式的必要性：现在学习的是第14页，共38页“正反作用正反作用”方式的定方式的定义n定定义（P.82）：）：正作用（Direct Action）：随着被控过程输出测量信号的增加，调节器输出也增加；反作用（Reverse Action）：随着被控过程输出测量信号的增加，调节器输出减小。现在学习的是第15页，共38页“正反作用正反作用”方式曲方式曲线描述描述n图示：示：现在学习的是第16页，

6、共38页“正反作用正反作用”方式的方式的选择 选择要点：要点：决定于对象特性象特性及调节阀结构构，最终是为了使控制回路成为“负反反馈”系统。具体工程上的判断方法为：（1）假假设检验法法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统（2）回路判回路判别法法，先画出控制系统的方块图，并确定回路中除控制器外的各环节的作用方向，再来确定控制器的正反作用。现在学习的是第17页，共38页气气动调节阀的的结构构u(t)：控制器输出 (420 mA 或 010 mA DC)；pc：调节阀气动控制信号（20 100kPa）；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。现在

7、学习的是第18页，共38页气气动调节阀的的结构构现在学习的是第19页，共38页阀门的的“气开气开”与与“气气关关”1.1.气开气开阀与气与气闭阀*气开阀：pc q (“气大阀开”)*气闭阀：pc q (“气大阀关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气闭阀全开。2.2.气开气开阀与气与气闭阀的的选择原原则*若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气闭阀，如加热炉进风蝶阀。现在学习的是第20页，共38页常常见的的现场执行机构行机构现在学习的是第21页，共38页 控制控制对象特性象特性n水位控制系统举例：在初始稳态条件下，有关系式：则当 时，实

8、际各变量为：现在学习的是第22页，共38页练习：调节阀与控制器的选取问题：请确定调节器LC的正反作用。现在学习的是第23页，共38页224 4：积分字分字长的确定的确定n必要性必要性：在DDC控制的数字仪表中，为提高运算速度，内部程序一般采用汇编语言编写，而若字长选取不当，会严重影响控制精度，以PID控制算法为例：若调节器的比例度P=500%，积分时间常数Ti=1800秒，采样周期T=0.2秒，则只有偏差：即只有当偏差幅度超过满刻度的2/3以上时，积分分量才会发挥作用，这事实上形同虚设。现在学习的是第24页，共38页PID控制器控制器积分字分字长的确定的确定n选取原取原则：根据如下积分式：在所

9、有有关参数取允许的极限值条件下，计算积分项可能达到最小值，据此最小值选取合适的字长，使得该最小值不会因为字长有限而被舍弃掉，从而导致积分作用形同虚设。其中，:采样周期；：比例增益；：积分时间常数。现在学习的是第25页，共38页PID控制器控制器积分字分字长的确定的确定n以上选择，可以保证：在最大允许积分时间常数、最小比例增益的极端情况下，积分作用仍能将12位A/D转换器所能分辨的最小测量值变化量进行累积，以提高稳态精度，改善调节品质。现在学习的是第26页，共38页225 5：PID抗抗积分分饱和算法和算法n工程背景分析（工程背景分析（P.82）：）：工作在扰动幅幅度度大大或频繁繁启启动的的断断

10、续生生产过程程中的调节器，如果调节规律中包含积分作用，由于被调量长时间偏离给定位，偏差信号长时间处于较大的数值，经常使积分器进入深度饱和状态。一且进入这种状态，偏偏差差信信号号反反向向时，由由于于积分分器器退退出出饱和和需需要要时间，调节器器输出出在在很很长的的时间中中仍仍将将保保持持饱和和值。这会会使使系系统调节质量量下下降降，超超调量量变大大，过度度过程程时间延延长，严重重时还会会发生事故生事故。积分器进入深度饱和的原因有下面两方面：一一是是大大幅幅度度偏偏差差信信号号的的长时间存存在在，二二是是积分分器器输出出达达到到饱和和值后后积分分项数数 据据 的的继 续累累 加加。解 决 其 中

11、的 一 个，便可避免深度饱和现象的发生。现在学习的是第27页，共38页PID抗抗积分分饱和算法和算法n积分饱和对系统性能的影响：现在学习的是第28页，共38页PID抗抗积分分饱和算法和算法 n积分分饱和和产生的根源生的根源:过程非程非线性（性（D/A转换器器输出有限；出有限；执行器行器动作范作范围有限）。有限）。n时域算法域算法:其中，若 ；，若 ；，若 .现在学习的是第29页，共38页控制器的控制器的AW/BT通用算法通用算法 在传统的控制器设计当中，一般采用如图所示的典型结构图中，K、G、R分别为控制器、对象及无扰切换/抗积分饱和算法，N为实际过程中的非线性环节或其模型在数字(位 置式)P

12、 ID控制算法中，一般取:其中，针对无扰切换及抗积分饱和，参数分别取为1及，为跟踪时间常数现在学习的是第30页，共38页抗抗积分分饱和算法方框和算法方框图n数字PID控制器的抗积分饱和算法 现在学习的是第31页，共38页PID抗抗积分分饱和算法和算法实现n算法算法实现 在一个周期内在一个周期内,首先首先进行行输出更新出更新:其中其中,积分分项 已由上一周期已由上一周期计算好算好.由由 可可计算出算出 .其次其次,进行状行状态更新更新,为下一下一 周期做准周期做准备:现在学习的是第32页，共38页前向差分的采用前向差分的采用n注注：容易看出,这里积分项采用了前项差分,这是必须的.因为,如采用后向

13、差分,如下所示:则由于上式右边 及 都是未知的,因而无法计算出 .现在学习的是第33页，共38页226 6：控制器无控制器无扰切切换技技术 一般不论数字还是模拟控制器都存在着多种控制模式，例如手动、自动等。在实际运行过程中，经常有必要在各控制模式间进行切换，同时要求此种操作不会对调节过程带来大的冲击；在改变控制器参数时，具有同样的要求。实现无扰切换的关键是在切在切换前后，控制器前后，控制器输出出值不会不会发生大的跳生大的跳跃（P.81）。）。现在学习的是第34页，共38页控制器无控制器无扰切切换技技术n回回答答如如下下问题：在手动控制时，PID算法是否还要继续运算？在手动控制模式下，动态控制器

14、的状控制器的状态（如（如积分器状分器状态、不完全微分、不完全微分项惯性性环节的的状状态等）数等）数值必必须是明确的，否是明确的，否则将会将会导致致由手由手动控制模式切控制模式切换到自到自动控制模式控制模式时，控，控制器的制器的输出出值是不可是不可预期的。期的。因此，有必要引入无因此，有必要引入无扰切切换算法。算法。现在学习的是第35页，共38页控制器无控制器无扰切切换技技术n无扰切换算法：考虑在手动模式下（或在PID参数调整之前），PID控制器输出可写作如下算式：要实现无扰切换，必须满足：在切换到自动（或参数修改）之后：现在学习的是第36页，共38页控制器无控制器无扰切切换技技术 我们可以通过

15、更新积分部分状态或微分状态来实现：。我们选择积分状态来实现，即有：微分项采用不完全微分，其状态每周期同步更新。因此，在手动控制时，要每周期由下式计算：现在学习的是第37页，共38页位置式与增量式算法的位置式与增量式算法的对比比1.增量式PID控制算法如取 为实际阀位反馈信号,或反映执行器特性的内部执行器模型输出,则不会发生积分饱和现象;并 且 由 M A N模 式切换到AUTO模式时,易于实现无扰.2.增量式 PID算法必须采用积分项。因为比例、微分项除了在设定值改变后的一个周期内与设定值有关外，其它时间均与设定值无关；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。这样，被控过程会漂离设定点 现在学习的是第38页，共38页