计算机控制系统的控制策略.ppt

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1、第四章第四章 计算机控制系统的控制策计算机控制系统的控制策略略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(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，以达到自动运算后送到执行器，改变控制量，以达到自动调节的目的。调节的目的。(2)数

2、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。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(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.系统维护简单、可靠性

3、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；3常规仪表控制系统框图常规仪表控制系统框图4D(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

4、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5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

5、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散时间状态方程64.1 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。74.1.1 模拟模拟PID控制器控制器 1、比例控制器（、比例控制器（P）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

6、善动态特性时，改善动态特性的优点，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。8 控制作用控制作用u 系统实际输出系统实际输出y9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。102、比例积分控制器（、比例积分控制器（PI）所谓所谓积分作用积分作用，是指

7、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，因此很少单独使用。因此很少单独使用。1112如果把比例和积分两种作用合起来，就

8、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：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。13143、比例微分控制器（、比例微分控制器（PD）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

9、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。15比例积分微分控制器（比例积分微分控制器（PID）a.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；b.然后再进行积分作用

10、，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；16PD调节器调节器 PID调节器调节器 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。17184.1.2数字数字PID控制器控制算法控制器控制算法将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程将其离散化，用数字

11、形式的差分方程来代替连续系统的微分方程 1、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：19(2)离散离散PID算法算法(3)位置型位置型PID算法算法20(4)增量式增量式PID算法算法21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：积分截断效应大，有静态误差；积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大

12、。溢出的影响大。222、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程序程序积分系数积分系数 微分系数微分系数 23a.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；lKP，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

13、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。24DATA 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 EQU 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；

14、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 ENDS25CODE 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,AXMOV 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)M

15、OV BX,KIIMUL BXADD UIK1,AX；计算；计算UI(k)=UI(k-1)+KI*E(k)ADC DS:UIK1+2,DX26MOV AX,E0；计计算算UD(k)=KD(E(k)-E(k-1)MOV BX,E1SUB AX,BXMOV BX,KDIMUL BXADD AX,UIK1；计计算算UD(k)+UI(k)ADC DX,DS:UIK1+2ADD AX,UPK；计计算算UD(k)+UI(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,AXRETCODEEND

16、SEND START27MULr8/m8；无符号字；无符号字节乘法乘法；AXALr8/m8MULr16/m16；无符号字乘法；无符号字乘法；DX：AXAXr16/m16IMULr8/m8；有符号字节乘法；有符号字节乘法；AXALr8/m8IMULr16/m16；有符号字乘法；有符号字乘法；DX：AXAXr16/m1628DIVr8/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DIVr16/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IDIVr8/m8；有符号字节除

17、法：；有符号字节除法：ALAXr8/m8的商，的商，AhAXr8/m8的余数的余数IDIVr16/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32(2)增量型增量型PID算法的程序算法的程序设计设计第第k次采样增量型次采样增量型PID表达式：表达式：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。364.1.3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

18、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。371、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

19、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；b.当被调量接近设定值时，再加入积分作用，以减小静当被调量接近设定值时，再加入积分作用，以减小静差差即：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 使用使用PID数字控制器数字控制器,加入积分作用，以减小静差；加入积分作用，以减小静差；其中：其中：为积分界限；为积分界限；3

20、8l 积分分离优点积分分离优点控制量不易进入饱和区，即使进入了饱和区也能较控制量不易进入饱和区，即使进入了饱和区也能较 快退出，使系统输出特性比单独快退出，使系统输出特性比单独PID控制得到改善。控制得到改善。l 的选取的选取通过实验整定；通过实验整定；39b.遇限制削弱积分法遇限制削弱积分法 l原理原理当控制量进入饱和区后，当控制量进入饱和区后，只执行削弱积分项的累加，而不进行只执行削弱积分项的累加，而不进行增加积分项的累加，以减小系统处于增加积分项的累加，以减小系统处于饱和区的时间。饱和区的时间。l先判断先判断u(k-1)是否超过是否超过umax或或umin，若已超过若已超过umax则只累

21、计负偏差，若则只累计负偏差，若 小于小于umin则只累计正偏差。则只累计正偏差。l 优点优点减小系统处于饱和区的时间；减小系统处于饱和区的时间；402、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

22、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。41(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b.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动，减小干扰的影响，而且能c.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。42(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；

23、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；其中：其中：Kd微分增益，微分增益，3KdB时，采用时，采用PID算法决定控制量的输出；算法决定控制量的输出；leB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BlB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；lB过小过小产生很大的误差和滞后。产生很大的误差和滞后。44(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、

24、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。eQ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454.1.4数字数字PID控制器的参数

25、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率当系统的采样频率fs2fmax，可真实，可真实(2)地恢复到原来的连续信号；地恢复到原来的连续信号；(3)(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

26、的算法算法及及执行机构执行机构的类型的类型d.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，则应选择较长的采样周期以保证计算时间；e.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。46d.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f.(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

27、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c.据被控对象的实际控制效果，再反复改变采样周期，直到据被控对象的实际控制效果，再反复改变采样周期，直到满满d.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18s472、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

28、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、TI和和TD的值。的值。48控制度控制度控制规律控制规律TKpTiTd1.05PIPID0.03Tu0.014Tu0.53u0.63u0.88Tu0.49Tu0.14Tu1.2PIPID0.05Tu0.043Tu0.49u0.47u0.91Tu0.47Tu0.16Tu1.5PIPID0.14Tu0.09Tu0.42u0.34u0.99Tu0.43Tu0.20Tu2.0PIPID0.22Tu0.16Tu0.36u0.27u1.05Tu0.40Tu0.22Tu模拟调节

29、模拟调节器器PIPID0.57u0.70u0.83Tu0.50Tu0.13Tu临界比例临界比例度度PIPID0.45u0.60u0.83Tu0.50Tu0.125Tu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,Td493、扩充响应曲线法、扩充响应曲线法整定步骤：整定步骤：(1)断断开开数数字字调调节节器器，使使系系统统在在手手动动状状态态下下工工作作。当当系系统统在在给给定定值值处处平平衡衡后后，给给一一阶跃输入，图阶跃输入，图4-14(a)；(2)记记录录被被调调参参数数在在阶阶跃跃作作用用下下的的变变化化过过程程曲线曲线(即飞升特性曲线即飞升特性曲线)，图，图4-14(b

30、)；(3)在在曲曲线线最最大大斜斜率率处处做做切切线线，求求得得被被控控对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)根根据据所所求求得得的的，和和/的的值值，查查表表4-4即可求得控制器的各参数。即可求得控制器的各参数。50控制度控制度控制规律控制规律TKpTiTd1.05PIPID0.10.050.84/1.15/3.42.00.451.2PIPID0.20.160.78/1.0/3.61.90.551.5PIPID0.50.340.68/0.85/3.91.620.652.0PIPID0.80.60.57/0.6/4.21.50.82模拟调节模拟调节器器PIPID0.9

31、/1.2/3.32.00.4临界比例临界比例度度PIPID0.9/1.2/3.32.00.5表表4.4 扩充响应曲线法整定扩充响应曲线法整定T和和Kp、Ti、Td514、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52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，=750秒，秒，=50秒。秒。1、按扩充响应曲线法求得当控制度时，、按扩充响应曲线法求得当控制度时，PID控制器参数为：，控制

32、器参数为：，TI=100，。，。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：，TI=771。53仿真结果PID控制器参数为：，TI=100，。54最小IAE 指标选择PID控制器参数为：，TI=771。55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

33、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)增增大大积积分分时时间间TI 有有利利于于减减小小超超调调，减减小小振振荡荡，使使系系统统更更加加稳稳定定，但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；56(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

34、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

35、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。57v 如如果果在在比比例例调调节节的的基基础础上上系系统统的的稳稳态态误误差差不不能能满满足足设设计计要要求求，则则须须加加入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

36、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。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 如如果果使使用用比比例例积积分分控控制制器器消消除除了了偏偏差差，但但动动态态过过程程仍仍不不尽尽满满意意，则则可可以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

37、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KP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。584.2 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(2)输出作为副控制器的给定值；输出作为副控制器的给定值；(3)(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

38、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；c.(3)串级控制目的串级控制目的保证主被控量稳定；保证主被控量稳定；59(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，f.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

39、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；602、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(2)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；(3)(2)

40、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613、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；624.2.2

41、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

42、为炉膛检测点至调节阀、副对象为炉膛检测点至调节阀c.之间的设备；之间的设备；633、串级控制系统的工作过程、串级控制系统的工作过程二次扰动二次扰动包含于副回路的扰动；包含于副回路的扰动；一次扰动一次扰动作用于副回路之外的扰动；作用于副回路之外的扰动；(1)扰动进入副回路扰动进入副回路a.扰动扰动小小时时副环可以完全克服此扰动的影响；副环可以完全克服此扰动的影响；b.扰动扰动大大时时副环抢先控制，剩下少量的干扰由主、副环一起控制；副环抢先控制，剩下少量的干扰由主、副环一起控制；c.(2)扰动进入主回路扰动进入主回路d.原理原理扰动进入主回路时，使主被控量波动，由主主控器先起作用，扰动进入主回路时

43、，使主被控量波动，由主主控器先起作用，e.通过改变副控制器的设定值使其发出控制信号，改变调通过改变副控制器的设定值使其发出控制信号，改变调节阀节阀f.的开度，使主被控量尽快回到设定值；的开度，使主被控量尽快回到设定值；b.优点优点副回路的存在，加速控制作用；副回路的存在，加速控制作用；64(3)扰动同时作用于主、副回路扰动同时作用于主、副回路a.扰动使主、副被控量扰动使主、副被控量同同方向变化方向变化副控制器所接受的偏差为主、副被副控制器所接受的偏差为主、副被控量两方向作用之控量两方向作用之和和，偏差值较，偏差值较大大，此时副控制器的输出以较，此时副控制器的输出以较大大幅度改幅度改变调节阀开度

44、，使主被控量尽快向设定值靠近；变调节阀开度，使主被控量尽快向设定值靠近；b.扰动使主、副被控量扰动使主、副被控量反反方向变化方向变化副控制器所接受的偏差为主、副被副控制器所接受的偏差为主、副被控量两方向作用之控量两方向作用之差差，其值较，其值较小小，此时调节阀开度只需较，此时调节阀开度只需较小小变化，就可变化，就可把主被控量调整回来；把主被控量调整回来；653、串级控制系统的特性分析、串级控制系统的特性分析(1)克服二次扰动的能力强克服二次扰动的能力强副回路具有快速作用；副回路具有快速作用；a.串级控制系统的方框图串级控制系统的方框图lGc1(s)、Gc2(s)主、副控制器的传函；主、副控制器

45、的传函；lGp1(s)、Gp2(s)主、副对象的传函；主、副对象的传函；lGm1(s)、Gm2(s)主、副变送器的传函；主、副变送器的传函；lGv(s)调节阀的传函；调节阀的传函；lGf2(s)二次扰动通道的传函；二次扰动通道的传函；66b.二次扰动经过扰动通道二次扰动经过扰动通道Gf2(s)后后c.单回路控制系统单回路控制系统d.结论结论被控制量受二次扰动的影响可减小至被控制量受二次扰动的影响可减小至。67(2)改变对象的动态特性，提高系统的工作频率改变对象的动态特性，提高系统的工作频率副回路等效对象副回路等效对象设副回路各环节传函设副回路各环节传函令令副回路的存在起到了改善系统动态特性的作

46、用；副回路的存在起到了改善系统动态特性的作用；68(3)串级控制系统有一定的自适应能力串级控制系统有一定的自适应能力a.单回路单回路负荷变化大，控制系数超过工作范围，控制质量下降；负荷变化大，控制系数超过工作范围，控制质量下降；b.串级系统串级系统负荷变化引起副回路内各环节参数的变化，较少影响负荷变化引起副回路内各环节参数的变化，较少影响c.或不影响系统的控制质量；或不影响系统的控制质量；c.串级系统自适应能力分析串级系统自适应能力分析l 系统的副回路能自动地克服非线性因素的影响，保持或接近原有控制系统的副回路能自动地克服非线性因素的影响，保持或接近原有控制 质量；质量；l 系统操作条件或负荷

47、改变时，主控制器将改变其输出值，副回路能快系统操作条件或负荷改变时，主控制器将改变其输出值，副回路能快 速跟踪并及时精确地控制操纵量，保持系统的控制品质；速跟踪并及时精确地控制操纵量，保持系统的控制品质；69例：串级控制系统的控制效果例：串级控制系统的控制效果估算结果：估算结果：品质指标品质指标单回路控制系统单回路控制系统串级控制系统串级控制系统Kc1=3.7，Ti=38Kc1=3.7，Ti=12.8，Kc2=10衰减比衰减比0.750.75静差静差00工作频率工作频率0.0870.23二次扰动下的最大动态偏差二次扰动下的最大动态偏差0.240.011二次扰动下的最大动态偏差二次扰动下的最大动

48、态偏差0.30.11704.3 大林算法大林算法准备知识：准备知识：(1)当当 时，常规时，常规PID控制难以达到控制目标；控制难以达到控制目标；Z域最少拍设计方法，不能达到最少拍的预期效果，域最少拍设计方法，不能达到最少拍的预期效果，造成系统较大的超调和振荡；造成系统较大的超调和振荡；大林算法或补偿控制可以取得好的控制效果；大林算法或补偿控制可以取得好的控制效果；(2)纯滞后系统特点纯滞后系统特点超调量为超调量为0或较小，允许较长的调节时间；或较小，允许较长的调节时间；(3)纯滞后系统传函纯滞后系统传函一阶惯性环节一阶惯性环节 、二阶惯性环节、二阶惯性环节其中：其中：滞后时间，滞后时间，T1

49、、T2时间常数，时间常数，K放大系数放大系数714.3.1 大林算法的设计原理大林算法的设计原理1、设计原理、设计原理以大林算法设计的数字控制器，使所设计的系统闭环传以大林算法设计的数字控制器，使所设计的系统闭环传 函相当于一个带有滞后的一阶惯性环节，其滞后时间与函相当于一个带有滞后的一阶惯性环节，其滞后时间与 被控对象被控对象G0(s)滞后时间相同，即滞后时间相同，即其中：其中：闭环系统的时间常数；闭环系统的时间常数；2、大林算法的闭环系统的脉冲传函、大林算法的闭环系统的脉冲传函 数字控制器数字控制器D(z)的脉冲传函的脉冲传函72(1)带纯滞后的一阶惯性环节的大林算法带纯滞后的一阶惯性环节

50、的大林算法 73(2)带纯滞后的二阶惯性环节的大林算法带纯滞后的二阶惯性环节的大林算法 其中：其中：744.3.2 振铃现象及其消除振铃现象及其消除1、振铃现象的相关概念、振铃现象的相关概念(1)振铃现象振铃现象数字控制器的输出数字控制器的输出u(kT)以接近的频率大幅度波动；以接近的频率大幅度波动；(2)振铃现象的危害振铃现象的危害对系统输出几乎无影响，会使执行器频繁地调整，对系统输出几乎无影响，会使执行器频繁地调整，加速磨损；加速磨损；(3)衡量振铃现象强烈程度衡量振铃现象强烈程度振铃幅度振铃幅度RA；(4)振铃幅度振铃幅度RA数字控制器在单位阶跃输入作用下，第数字控制器在单位阶跃输入作用