数字控制系统黄.ppt

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1、 前言前言一、过程计算机控制系统结构种类一、过程计算机控制系统结构种类一、过程计算机控制系统结构种类一、过程计算机控制系统结构种类 单机控制系统单机控制系统单机控制系统单机控制系统 两级计算机控制系统两级计算机控制系统两级计算机控制系统两级计算机控制系统 分布式控制系统（分布式控制系统（分布式控制系统（分布式控制系统（DCSDCS）递阶控制系统（递阶控制系统（递阶控制系统（递阶控制系统（HCSHCS）1 1 1 1、两级计算机控制系统、两级计算机控制系统、两级计算机控制系统、两级计算机控制系统Level 2SystemRedundant PROFIBUSRedundant controller

2、Redundant IMSensor/control elementPROFIBUS DP自动化集成自动化集成自动化集成自动化集成SIMATIC 控制器SIMATIC PGSIMATIC PC7894561230.DEFABCIN SD E LS H IF TH E L PE S CE N T E RA C KS IM A T IC O P17S H IFTH E LPK1K5K6K7K 8K2K3K4K9K10K11K12K13K14K15K16SIMATIC HMIASIFMSVSIMATIC DPSIMATIC NETPROFIBUS-DP工业以太网PROFIBUS MPI-网络SIMA

3、TIC NET 不仅要完成生不仅要完成生不仅要完成生不仅要完成生产过程的在线控产过程的在线控产过程的在线控产过程的在线控制任务，还要进制任务，还要进制任务，还要进制任务，还要进行现代化的集中行现代化的集中行现代化的集中行现代化的集中管理。管理。管理。管理。利用小型或微利用小型或微利用小型或微利用小型或微型计算机进行型计算机进行型计算机进行型计算机进行DDCDDCDDCDDC控制，再用中型控制，再用中型控制，再用中型控制，再用中型或大型计算机完或大型计算机完或大型计算机完或大型计算机完成现代化企业管成现代化企业管成现代化企业管成现代化企业管理。理。理。理。通过高速通信通过高速通信通过高速通信通过

4、高速通信线路线路线路线路-网络，使网络，使网络，使网络，使各部门协调地进各部门协调地进各部门协调地进各部门协调地进行工作。行工作。行工作。行工作。2 2 2 2、集散控制系统、集散控制系统、集散控制系统、集散控制系统(DCS)(DCS)：分散控制系统体系结构分散控制系统体系结构3 3 3 3、递阶控制系统、递阶控制系统、递阶控制系统、递阶控制系统(HCS)HCS)HCS)HCS)：也称综合自动化系统、计算机集成制造系统（也称综合自动化系统、计算机集成制造系统（CIMSCIMS）、计）、计算机集成过程系统（算机集成过程系统（CIPSCIPS）。）。现代企业大型化、连续化，生产过程设备联系密切、变

5、现代企业大型化、连续化，生产过程设备联系密切、变量关联严重；生产计划对市场依赖性大；实现局部控制和量关联严重；生产计划对市场依赖性大；实现局部控制和优化难以奏效优化难以奏效。以全局优化为目标，以小型机为中心，协调各局部子系以全局优化为目标，以小型机为中心，协调各局部子系统，实现分散与集中相结合的计算机控制系统。统，实现分散与集中相结合的计算机控制系统。是过程控制未来的发展方向。是过程控制未来的发展方向。1998。9。21二、过程计算机控制系统二、过程计算机控制系统二、过程计算机控制系统二、过程计算机控制系统可以可以可以可以具有四个功能层次具有四个功能层次具有四个功能层次具有四个功能层次 控制层

6、（控制层（控制层（控制层（基础自动化层基础自动化层基础自动化层基础自动化层）代替模拟控制器，完成闭环控制任务；代替模拟控制器，完成闭环控制任务；监控层（监控层（监控层（监控层（过程控制层过程控制层过程控制层过程控制层）生产过程进行监视、高级控制；生产过程进行监视、高级控制；计划调度层计划调度层计划调度层计划调度层 根据决策管理层的指令，根据决策管理层的指令，制定生产计划，原料组成、能源、制定生产计划，原料组成、能源、设备运行进行最优调度、提高效率，获取最大利润；设备运行进行最优调度、提高效率，获取最大利润；决策管理层决策管理层决策管理层决策管理层 最上层，市场分析与预测，多目标优化计算，制定生

7、产规划。最上层，市场分析与预测，多目标优化计算，制定生产规划。连铸生产过程方坯板坯连铸控制系统监控界面多目标控制点多目标控制点 矫直温度矫直温度 二二冷冷区区凝凝固固单单元元跟跟踪踪铸坯表面测温装置铸坯表面测温装置 铸坯温度软测量铸坯温度软测量 冶金工艺凝固理论冶金工艺凝固理论 中包液位测量中包液位测量 钢水连续测温装置钢水连续测温装置 铸坯凝固模型与在线自校正铸坯凝固模型与在线自校正 应力场模型应力场模型 动态多目标优化动态多目标优化 基础自动化基础自动化 过程动态优化控制过程动态优化控制 末端电磁搅拌控制末端电磁搅拌控制 质量分析与预报质量分析与预报 连铸过程优化控制系统DDCDDC系统中

8、有关数据采集及处理方面的系统中有关数据采集及处理方面的系统中有关数据采集及处理方面的系统中有关数据采集及处理方面的问题；问题；问题；问题；DDCDDC系统中的位置型和增量型系统中的位置型和增量型系统中的位置型和增量型系统中的位置型和增量型PIDPID算式算式算式算式及相应的改进算法；及相应的改进算法；及相应的改进算法；及相应的改进算法；DDCDDC系统中系统中系统中系统中PIDPID参数整定问题。参数整定问题。参数整定问题。参数整定问题。第第1313章章 数字控制系统数字控制系统本章主要内容：本章主要内容：13.1 13.1 13.1 13.1 数字控制系统的组成数字控制系统的组成数字控制系统

9、的组成数字控制系统的组成直接数字控制（直接数字控制（DDCDDC）系统即是用）系统即是用计算机代替模拟控制器。计算机代替模拟控制器。原理图如以下图所示。原理图如以下图所示。反多路开关反多路开关计算机计算机DDCDDC系统具有以下特点：系统具有以下特点：系统具有以下特点：系统具有以下特点：1 1、计算机运算速度快，可以分时处理多个控制回路，实现、计算机运算速度快，可以分时处理多个控制回路，实现、计算机运算速度快，可以分时处理多个控制回路，实现、计算机运算速度快，可以分时处理多个控制回路，实现几十个甚至更多的几十个甚至更多的几十个甚至更多的几十个甚至更多的PIDPID控制。控制。控制。控制。2 2

10、、计算机运算能力强，很容易实现各种比较复杂的控制规、计算机运算能力强，很容易实现各种比较复杂的控制规、计算机运算能力强，很容易实现各种比较复杂的控制规、计算机运算能力强，很容易实现各种比较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、解耦控制、预测控制等律，如串级控制、前馈控制、解耦控制、预测控制等律，如串级控制、前馈控制、解耦控制、预测控制等律，如串级控制、前馈控制、解耦控制、预测控制等。3 3、对计算机可靠性要求很高，计算机故障会使全部控制回、对计算机可靠性要求很高，计算机故障会使全部控制回、对计算机可靠性要求很高，计算机故障会使全部控制回、对计算机可靠性要求很高，计算机故障会使全部控制回路失灵。

11、一般要求连续无故障运行时间达几千小时以上。路失灵。一般要求连续无故障运行时间达几千小时以上。路失灵。一般要求连续无故障运行时间达几千小时以上。路失灵。一般要求连续无故障运行时间达几千小时以上。（这也是（这也是（这也是（这也是DDCDDC系统的缺点）。系统的缺点）。系统的缺点）。系统的缺点）。计算机过程控制系统由计算机过程控制系统由计算机过程控制系统由计算机过程控制系统由被控对象、检测仪表、执被控对象、检测仪表、执被控对象、检测仪表、执被控对象、检测仪表、执行器和工业控制机组成。行器和工业控制机组成。行器和工业控制机组成。行器和工业控制机组成。单回路控制系统典型构成如下图所示。单回路控制系统典型

12、构成如下图所示。单回路控制系统典型构成如下图所示。单回路控制系统典型构成如下图所示。DDCDDC系统的组成方框图系统的组成方框图1 1 1 1、主机、主机、主机、主机2 2 2 2、过程接口、过程接口、过程接口、过程接口:输入、输出；模拟量、开关量。输入、输出；模拟量、开关量。3 3 3 3、外围设备、外围设备、外围设备、外围设备：输入设备、输出设备、外存储器。：输入设备、输出设备、外存储器。4 4 4 4、自动化仪表、自动化仪表、自动化仪表、自动化仪表：过程通道必须通过自动化仪表才：过程通道必须通过自动化仪表才能和被控过程发生联系。能和被控过程发生联系。5 5 5 5、软件系统、软件系统、软

13、件系统、软件系统：程序设计系统、操作系统、监控系：程序设计系统、操作系统、监控系统和诊断系统等，通常由计算机制造厂家提供。统和诊断系统等，通常由计算机制造厂家提供。6 6 6 6、应用软件、应用软件、应用软件、应用软件：是用户根据具体的生产工艺要求完：是用户根据具体的生产工艺要求完成某种控制功能所必须的软件，由用户自编。成某种控制功能所必须的软件，由用户自编。上图包括：上图包括：上图包括：上图包括：1998。9。21DDC控制系统处理的参数有：控制系统处理的参数有：开关量、脉冲量、大部分是模拟量开关量、脉冲量、大部分是模拟量开关量、脉冲量、大部分是模拟量开关量、脉冲量、大部分是模拟量计算机处理

14、的是数字量，解决两个问题：计算机处理的是数字量，解决两个问题：模拟量数字化（单位数字量对应模拟量大小）；模拟量数字化（单位数字量对应模拟量大小）；模拟量数字化（单位数字量对应模拟量大小）；模拟量数字化（单位数字量对应模拟量大小）；时间数字化（采样周期）；时间数字化（采样周期）；时间数字化（采样周期）；时间数字化（采样周期）；提高信号的信噪比和可靠性提高信号的信噪比和可靠性 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波 数据处理数据处理数据处理数据处理13.2 13.2 13.2 13.2 数字控制系统的基础知识数字控制系统的基础知识数字控制系统的基础知识数字控制系统的基础知识 提高控制品质，提高控制品质，

15、T T0 0可取小些可取小些 减小超调量，减小超调量，T T0 0可取大些可取大些 减小调节时间，减小调节时间，T T0 0可取小些可取小些 数字数字PIDPID控制要把控制要把T T0 0 、T TI I、T TD D一起考虑一起考虑采样周期的选择原则：根据被控对象的物理特性选择采样周期的选择原则：根据被控对象的物理特性选择采样周期的选择原则：根据被控对象的物理特性选择采样周期的选择原则：根据被控对象的物理特性选择T T T T0 013.2.3 13.2.3 13.2.3 13.2.3 连续控制系统到数字控制系统的转换连续控制系统到数字控制系统的转换连续控制系统到数字控制系统的转换连续控制

16、系统到数字控制系统的转换1 1 1 1、采样周期、采样周期、采样周期、采样周期：T T0 0=T T/2/22 2 2 2、模拟量的数字化、模拟量的数字化、模拟量的数字化、模拟量的数字化如下图所示如下图所示.数字数字调节器调节器A/DA/D转换器转换器D/AD/A转换器转换器采样采样保持器保持器计算机控制系统中信号变换与传递计算机控制系统中信号变换与传递设模拟量为设模拟量为y yn n,则相应的二进制代码则相应的二进制代码y yn n可表示为：可表示为：其中其中K Km m 为变送器输入量与输出量之比，为变送器输入量与输出量之比，q q 为量化单位为量化单位其中其中M M 为模拟量电信号全量程

17、，为模拟量电信号全量程，N N 为为A/DA/D位数。位数。例题：设温度变送器量程为例题：设温度变送器量程为0 0100100，其相应的输出为，其相应的输出为0 010mA10mA，试求，试求 温度为温度为50 50 时相应的六位二进制代码。时相应的六位二进制代码。3 3 3 3、数据采集、数据采集、数据采集、数据采集：当模入点数不多时，可通过输入指令逐点读入；当模入点数较当模入点数不多时，可通过输入指令逐点读入；当模入点数较多时，可利用数据通道直接把一批数据送到内存指定的缓冲区，以多时，可利用数据通道直接把一批数据送到内存指定的缓冲区，以节省时间。节省时间。数字滤波即是通过一定的程序对采样信

18、号进行平滑加数字滤波即是通过一定的程序对采样信号进行平滑加数字滤波即是通过一定的程序对采样信号进行平滑加数字滤波即是通过一定的程序对采样信号进行平滑加工，提高有用信号，消除或削减各种干扰和噪声；工，提高有用信号，消除或削减各种干扰和噪声；工，提高有用信号，消除或削减各种干扰和噪声；工，提高有用信号，消除或削减各种干扰和噪声；优点：优点：优点：优点：不增加任何设备，由软件来实现；不增加任何设备，由软件来实现；不增加任何设备，由软件来实现；不增加任何设备，由软件来实现；稳定性高；稳定性高；稳定性高；稳定性高；不存在阻抗匹配问题；不存在阻抗匹配问题；不存在阻抗匹配问题；不存在阻抗匹配问题；多通道共用

19、；多通道共用；多通道共用；多通道共用；可对低频干扰滤波（模拟，受电容量的影响）；可对低频干扰滤波（模拟，受电容量的影响）；可对低频干扰滤波（模拟，受电容量的影响）；可对低频干扰滤波（模拟，受电容量的影响）；使用方便、灵活。使用方便、灵活。使用方便、灵活。使用方便、灵活。13.2.4 13.2.4 13.2.4 13.2.4 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波 限幅滤波限幅滤波限幅滤波限幅滤波 限速滤波限速滤波限速滤波限速滤波 顺序采样时刻顺序采样时刻顺序采样时刻顺序采样时刻t1,t2,t3t1,t2,t3,采集参数采集参数采集参数采集参数y1,y2,y3y1,y2,y3，当，当，当，当1 1、程

20、序判断滤波、程序判断滤波适用：温度、液位变化比较缓慢的信号适用：温度、液位变化比较缓慢的信号适用：温度、液位变化比较缓慢的信号适用：温度、液位变化比较缓慢的信号2 2、递推平均滤波、递推平均滤波(算术平均滤波算术平均滤波)适用适用适用适用：有周期性噪声的信号平滑处理，：有周期性噪声的信号平滑处理，：有周期性噪声的信号平滑处理，：有周期性噪声的信号平滑处理，N N N N决定了平滑度和灵敏度决定了平滑度和灵敏度决定了平滑度和灵敏度决定了平滑度和灵敏度缺点缺点缺点缺点：N N N N较大时，占用机时较长，效率低较大时，占用机时较长，效率低较大时，占用机时较长，效率低较大时，占用机时较长，效率低3

21、3、加权递推加权平均滤波、加权递推加权平均滤波(滑动平均值法滑动平均值法)适用：纯延迟较大的对象适用：纯延迟较大的对象适用：纯延迟较大的对象适用：纯延迟较大的对象如采用四项进行加权，可取：如采用四项进行加权，可取：如采用四项进行加权，可取：如采用四项进行加权，可取：对于慢过程，可采用动态滤波方法，如一阶惯性滤对于慢过程，可采用动态滤波方法，如一阶惯性滤对于慢过程，可采用动态滤波方法，如一阶惯性滤对于慢过程，可采用动态滤波方法，如一阶惯性滤波方法。波方法。波方法。波方法。4 4、一阶惯性滤波、一阶惯性滤波 适用：慢变化过程，动态滤波。适用：慢变化过程，动态滤波。适用：慢变化过程，动态滤波。适用：

22、慢变化过程，动态滤波。上式通过差分变换可得：上式通过差分变换可得：上式通过差分变换可得：上式通过差分变换可得：T T T T0 0 0 0远小于远小于远小于远小于T T T Tf,f,f,f,因此是惯性环节因此是惯性环节因此是惯性环节因此是惯性环节另一个表达式：另一个表达式：另一个表达式：另一个表达式：（1 1）（2 2）（Z Z Z Z变换或状态方程方法变换或状态方程方法变换或状态方程方法变换或状态方程方法-思考题？）思考题？）思考题？）思考题？）三、数据处理三、数据处理三、数据处理三、数据处理 读入数据读入数据读入数据读入数据 多路模入采用一个多路模入采用一个多路模入采用一个多路模入采用一

23、个A/DA/D时，要考虑采样周期和转换时间的关系时，要考虑采样周期和转换时间的关系时，要考虑采样周期和转换时间的关系时，要考虑采样周期和转换时间的关系 有效性检查有效性检查有效性检查有效性检查 溢出、无效等溢出、无效等溢出、无效等溢出、无效等 线性化处理线性化处理线性化处理线性化处理 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波 工程量化工程量化工程量化工程量化 计算处理计算处理计算处理计算处理 间接测量（软测量技术）间接测量（软测量技术）间接测量（软测量技术）间接测量（软测量技术）上下限检查及报警上下限检查及报警上下限检查及报警上下限检查及报警13.3数字控制算法数字控制算法概概概概述述述述 1 1、P

24、IDPID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广调节是连续系统中技术最成熟、应用最广调节是连续系统中技术最成熟、应用最广调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。泛的一种调节方式。泛的一种调节方式。泛的一种调节方式。2 2、PIDPID调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的积分、微分的积分、微分的积分、微分的 函数关系进行运算，其运算结果用函数关系进行运算，其运算结果用函数关系进行运算，其运算结果用函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。于输出控制。于输出控

25、制。于输出控制。3 3、在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改、在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改、在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改、在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改变变变变PIDPID的结构，取其一部分进行控制。的结构，取其一部分进行控制。的结构，取其一部分进行控制。的结构，取其一部分进行控制。PIDPID控制算式控制算式控制算式控制算式1 1、模拟系统的、模拟系统的、模拟系统的、模拟系统的PIDPID算法表达式算法表达式算法表达式算法表达式在模拟系统中，在模拟系统中，在模拟系统中，在模拟系统中，PIDPID算法的表达式为：算法的表达式为：算法的表达式为：算法的表达式

26、为：式中式中式中式中 u u（t t）-调节器的输出信号调节器的输出信号调节器的输出信号调节器的输出信号e(t)-e(t)-调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差 KKC C调节器的比例系数调节器的比例系数调节器的比例系数调节器的比例系数T TI I-调节器的积分时间调节器的积分时间调节器的积分时间调节器的积分时间 T TD D-调节器的微分时间调节器的微分时间调节器的微分时间调节器的微分时间（3 3 3 3）2 2、离散系统的、离散系统的、离散系统的、离散系统的P

27、IDPID算法表达式算法表达式算法表达式算法表达式对式（对式（对式（对式（8-158-15）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，则积分项和微分项可用求和及增量式表示：程，则积分项和微分项可用求和及增量式表示：程，则积分项和微分项可用求和及增量式表示：程，则积分项和微分项可用求和及增量式表示：（1 1）位置型）位置型）位置型）位置型PIDPID控制算式控制算式控制算式控制算式将式（将式（将式（将式（4

28、 4）代入式（）代入式（）代入式（）代入式（3 3），则可得离散的），则可得离散的），则可得离散的），则可得离散的PIDPID表达式表达式表达式表达式式中式中式中式中 t=Tt=T0-0-采样周期，必须使采样周期，必须使采样周期，必须使采样周期，必须使T T0 0足够小；足够小；足够小；足够小；k-k-采样序号，采样序号，采样序号，采样序号，k=0k=0，1 1，2.2.ee（k k）、）、）、）、e(k-1)-e(k-1)-第第第第k k次和第（次和第（次和第（次和第（k-1k-1）次采样时的偏差值）次采样时的偏差值）次采样时的偏差值）次采样时的偏差值u u（k k）-第第第第k k次采样时

29、调节器的输出次采样时调节器的输出次采样时调节器的输出次采样时调节器的输出（4 4 4 4）（5 5 5 5）（6 6 6 6）由于上式的输出值与阀门开度的位置一一对应，由于上式的输出值与阀门开度的位置一一对应，由于上式的输出值与阀门开度的位置一一对应，由于上式的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常把上式称为因此，通常把上式称为因此，通常把上式称为因此，通常把上式称为位置型位置型位置型位置型PIDPIDPIDPID控制算式。应用控制算式。应用控制算式。应用控制算式。应用于调节阀执行器的控制。于调节阀执行器的控制。于调节阀执行器的控制。于调节阀执行器的控制。（2）增量型）增量型PID控制算式

30、控制算式 式式式式（6 6）做做做做如如如如下下下下改改改改动动动动，根根根根据据据据递递递递推推推推原原原原理理理理，可可可可写写写写出出出出（k-1k-1）次次次次的的的的PIDPID输出表达式：输出表达式：输出表达式：输出表达式：用上面两式（用上面两式（用上面两式（用上面两式（6 6）与（）与（）与（）与（7 7）相减，可得：）相减，可得：）相减，可得：）相减，可得：式中式中式中式中KKI I=K=KC CT T0 0/T/TI I-积分系数积分系数积分系数积分系数KKD D=K=KC CT TD D/T/T0 0-微分系数微分系数微分系数微分系数（7 7 7 7）（8 8 8 8）在很

31、多控制系统中，控制机构采用的是步进电机或多圈电在很多控制系统中，控制机构采用的是步进电机或多圈电在很多控制系统中，控制机构采用的是步进电机或多圈电在很多控制系统中，控制机构采用的是步进电机或多圈电位器，所以采用增量式位器，所以采用增量式位器，所以采用增量式位器，所以采用增量式PIDPIDPIDPID算式。算式。算式。算式。（3 3）速度型）速度型）速度型）速度型PIDPID控制算式：控制算式：控制算式：控制算式：综上，控制算式的选择原则：综上，控制算式的选择原则：综上，控制算式的选择原则：综上，控制算式的选择原则：执行器的型式执行器的型式执行器的型式执行器的型式 应用时的方便应用时的方便应用时

32、的方便应用时的方便应用于积分式执行器控制应用于积分式执行器控制应用于积分式执行器控制应用于积分式执行器控制（9 9 9 9）（4 4）计算机实现）计算机实现）计算机实现）计算机实现PIDPID控制原理图控制原理图控制原理图控制原理图（5 5 5 5）增量型）增量型）增量型）增量型PIDPIDPIDPID控制的优点：控制的优点：控制的优点：控制的优点：）增量算法控制误动作影响小）增量算法控制误动作影响小）增量算法控制误动作影响小）增量算法控制误动作影响小）增量算法控制易于实现手动自动无扰动切换）增量算法控制易于实现手动自动无扰动切换）增量算法控制易于实现手动自动无扰动切换）增量算法控制易于实现手

33、动自动无扰动切换）不产生积分失控，易获得较好的调节品质）不产生积分失控，易获得较好的调节品质）不产生积分失控，易获得较好的调节品质）不产生积分失控，易获得较好的调节品质 位置算式 增量算式 u(k)(k)u(k)(k)(6)PID算法的程序设计算法的程序设计1)1)、位置型、位置型、位置型、位置型PIDPID算法的程序设计算法的程序设计算法的程序设计算法的程序设计 由式（由式（由式（由式（5 5）可写出）可写出）可写出）可写出k k次采样时次采样时次采样时次采样时PIDPID的输出表达式的输出表达式的输出表达式的输出表达式（1010）思路：将三项拆开，并应用递推进行编程思路：将三项拆开，并应用

34、递推进行编程思路：将三项拆开，并应用递推进行编程思路：将三项拆开，并应用递推进行编程设比例输出：设比例输出：设比例输出：设比例输出：u up p(k)=K(k)=KC Ce(k)e(k)积分项输出：积分项输出：积分项输出：积分项输出：（11111111）微分项输出：微分项输出：微分项输出：微分项输出：所以，式（所以，式（所以，式（所以，式（1010）可写为）可写为）可写为）可写为（1212）该式即为离散化的位置该式即为离散化的位置该式即为离散化的位置该式即为离散化的位置PIDPID编辑公式。编辑公式。编辑公式。编辑公式。其流程图如右图所示，其流程图如右图所示，其流程图如右图所示，其流程图如右图

35、所示，2)2)、增量型、增量型、增量型、增量型PIDPID算法的程序设计算法的程序设计算法的程序设计算法的程序设计 由式（由式（由式（由式（8 8），设），设），设），设代入式（代入式（代入式（代入式（8 8）得）得）得）得（1313）此即为离散化的增量型的此即为离散化的增量型的此即为离散化的增量型的此即为离散化的增量型的PIDPID编程表达式。编程表达式。编程表达式。编程表达式。13.3.2PID控制算式的改进控制算式的改进 由由由由于于于于计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的灵灵灵灵活活活活性性性性，除除除除了了了了按按按按（8-188-18）和和和和式式式式（

36、8-208-20）进进进进行行行行标标标标准准准准的的的的PIDPID控控控控制制制制计计计计算算算算外外外外，可可可可根根根根据据据据系系系系统统统统的的的的实实实实际际际际要要要要求求求求，对对对对PIDPID控控控控制制制制进进进进行行行行改改改改进进进进，以以以以达到提高调节品质的目的。本节介绍几种达到提高调节品质的目的。本节介绍几种达到提高调节品质的目的。本节介绍几种达到提高调节品质的目的。本节介绍几种 改进的改进的改进的改进的PIDPID算式。算式。算式。算式。11不完全微分的不完全微分的不完全微分的不完全微分的PIDPID算式算式算式算式 1 1 1 1）、问题）、问题）、问题）

37、、问题-微分项的副作用微分项的副作用微分项的副作用微分项的副作用 微微微微分分分分项项项项的的的的引引引引入入入入，主主主主要要要要是是是是提提提提高高高高系系系系统统统统的的的的响响响响应应应应速速速速度度度度，但但但但也也也也有有有有副副副副作作作作用用用用。当当当当高高高高频频频频扰扰扰扰动动动动的的的的生生生生产产产产过过过过程程程程或或或或阶阶阶阶跃跃跃跃信信信信号号号号输输输输入入入入时时时时，微微微微分分分分项项项项输输输输出出出出急急急急剧剧剧剧增增增增加加加加，容容容容易易易易引引引引起起起起超超超超调和输出振荡，导致调节品质下降。调和输出振荡，导致调节品质下降。调和输出振荡

38、，导致调节品质下降。调和输出振荡，导致调节品质下降。2 2）、解决方法）、解决方法）、解决方法）、解决方法-PID-PID不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分 为为为为了了了了解解解解决决决决这这这这一一一一问问问问题题题题，同同同同时时时时要要要要保保保保证证证证微微微微分分分分作作作作用用用用有有有有效效效效，可可可可以以以以参参参参照照照照模模模模拟拟拟拟调调调调节节节节器器器器的方法，在的方法，在的方法，在的方法，在输出端串接一惯性环节输出端串接一惯性环节输出端串接一惯性环节输出端串接一惯性环节，即采用不完全微分的，即采用不完全微分的，即采用不完全微分的，即采用不完全微分的PIDP

39、ID算式：算式：算式：算式：PIDGf(s)E(S)E(S)E(S)E(S)U U U U(S)(S)(S)(S)U(S)U(S)U(S)U(S)不完全微分不完全微分PIDPID算式算式离散化后得：离散化后得：（14141414）PID惯性环节惯性环节 不完全微分的不完全微分的不完全微分的不完全微分的PIDPID增量算式：增量算式：增量算式：增量算式：（1515）在标准的在标准的在标准的在标准的PIDPID算法中，加入一个一阶惯性环节，可以组成不完全算法中，加入一个一阶惯性环节，可以组成不完全算法中，加入一个一阶惯性环节，可以组成不完全算法中，加入一个一阶惯性环节，可以组成不完全微分的数字控制

40、器。微分的数字控制器。微分的数字控制器。微分的数字控制器。思考题：只在微分环节加惯性环节后，思考题：只在微分环节加惯性环节后，思考题：只在微分环节加惯性环节后，思考题：只在微分环节加惯性环节后，PIDPID算式是？算式是？算式是？算式是？3 3）、不完全微分）、不完全微分）、不完全微分）、不完全微分PIDPID的输出特性的输出特性的输出特性的输出特性在单位阶跃信号作用下，完全微分与不完全微分输出的差异，如下图在单位阶跃信号作用下，完全微分与不完全微分输出的差异，如下图在单位阶跃信号作用下，完全微分与不完全微分输出的差异，如下图在单位阶跃信号作用下，完全微分与不完全微分输出的差异，如下图所示。所

41、示。所示。所示。易引起振荡易引起振荡和超调和超调系统稳定系统稳定22带不灵敏区的带不灵敏区的带不灵敏区的带不灵敏区的PIDPID算式算式算式算式 1)1)、问题、问题、问题、问题在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的以消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的以消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的以消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PIDPID控制系统。

42、控制系统。控制系统。控制系统。2)2)死区的死区的死区的死区的PIDPID概念概念概念概念：是人为地设置一个是人为地设置一个是人为地设置一个是人为地设置一个不灵敏区域不灵敏区域不灵敏区域不灵敏区域B B，当偏差，当偏差，当偏差，当偏差e(t)e(t)的绝对值小于的绝对值小于的绝对值小于的绝对值小于B B时，其控制输出不变，否则使其输出为正常输出。时，其控制输出不变，否则使其输出为正常输出。时，其控制输出不变，否则使其输出为正常输出。时，其控制输出不变，否则使其输出为正常输出。避免频繁动作所引起的振荡。避免频繁动作所引起的振荡。避免频繁动作所引起的振荡。避免频繁动作所引起的振荡。（1616161

43、6）3)3)、带死区的、带死区的、带死区的、带死区的PIDPID控制流程图控制流程图控制流程图控制流程图带死区的带死区的PID控制程序控制程序取数字滤波后的数据取数字滤波后的数据y(k)求偏差求偏差e(k)=r(k)-y(k)计算计算u(k)u(k)=u(k)|e(k)|B?NY 3 3、积分分离的、积分分离的、积分分离的、积分分离的PIDPID算式算式算式算式 解决当开工、停工、给定值大幅变化，引起系统大幅的超调或震荡。解决当开工、停工、给定值大幅变化，引起系统大幅的超调或震荡。解决当开工、停工、给定值大幅变化，引起系统大幅的超调或震荡。解决当开工、停工、给定值大幅变化，引起系统大幅的超调或

44、震荡。积分分离控制算式积分分离控制算式积分分离控制算式积分分离控制算式（17171717）44微分先行微分先行微分先行微分先行PIDPID算式算式算式算式 避避避避免免免免给给给给定定定定值值值值升升升升降降降降变变变变化化化化给给给给控控控控制制制制系系系系统统统统带带带带来来来来的的的的冲冲冲冲击击击击（超超超超调调调调量量量量过过过过大大大大或或或或调调调调节节节节阀阀阀阀动作剧烈）动作剧烈）动作剧烈）动作剧烈）只对被调量只对被调量只对被调量只对被调量 y(t)y(t)微分微分微分微分增量增量增量增量PIDPIDPIDPID算式算式算式算式（18181818）13.3.3数字式数字式PI

45、D调节参数的整定调节参数的整定11问题引出问题引出问题引出问题引出问题问题问题问题1 1：PIDPID控制中的参数的确定控制中的参数的确定控制中的参数的确定控制中的参数的确定 在在在在数数数数字字字字控控控控制制制制系系系系统统统统中中中中，参参参参数数数数的的的的整整整整定定定定是是是是十十十十分分分分重重重重要要要要的的的的，调调调调节节节节系系系系统统统统参参参参数数数数整整整整定定定定的好坏直接影响调节品质。的好坏直接影响调节品质。的好坏直接影响调节品质。的好坏直接影响调节品质。问题问题问题问题2 2：采样周期：采样周期：采样周期：采样周期T T0 0的确定的确定的确定的确定 一一一一

46、般般般般的的的的生生生生产产产产过过过过程程程程都都都都具具具具有有有有较较较较大大大大的的的的时时时时间间间间常常常常数数数数，而而而而数数数数字字字字PIDPID控控控控制制制制系系系系统统统统采采采采样样样样周周周周期期期期则则则则要要要要小小小小得得得得多多多多，所所所所以以以以数数数数字字字字调调调调节节节节器器器器的的的的参参参参数数数数整整整整定定定定，完完完完全全全全可可可可以以以以按按按按照照照照模模模模拟拟拟拟调调调调节节节节器器器器的的的的各各各各种种种种参参参参数数数数整整整整定定定定方方方方法法法法进进进进行行行行分分分分析析析析的的的的综综综综合合合合。但但但但是是

47、是是，数数数数字字字字控控控控制制制制器器器器与与与与模模模模拟拟拟拟调调调调节节节节器器器器相相相相比比比比，即即即即除除除除了了了了比比比比例例例例系系系系数数数数积积积积分分分分时时时时间间间间和和和和微微微微分分分分时时时时间间间间外外外外，还还还还有有有有一一一一个个个个重重重重要要要要的的的的参参参参数数数数采采采采样样样样周周周周期期期期T T0 0。合合合合理理理理的的的的选选选选择择择择周周周周期期期期T T0 0，也也也也是是是是数数数数字字字字控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的关关关关键问题之一。键问题之一。键问题之一。键问题之一。PID参数的整定方法（参数的整定方

48、法（2）影响采样周期影响采样周期影响采样周期影响采样周期T T0 0的扰动频率的扰动频率的扰动频率的扰动频率扰动频率愈高，采样频率也应提高，采样周期应缩短扰动频率愈高，采样频率也应提高，采样周期应缩短扰动频率愈高，采样频率也应提高，采样周期应缩短扰动频率愈高，采样频率也应提高，采样周期应缩短。2 2）被控对象的动态性）被控对象的动态性）被控对象的动态性）被控对象的动态性 主主主主要要要要是是是是与与与与被被被被控控控控对对对对象象象象的的的的纯纯纯纯滞滞滞滞后后后后的的的的时时时时间间间间 及及及及时时时时间间间间常常常常数数数数T T有有有有关关关关。当当当当纯纯纯纯滞滞滞滞后比较显著时，采

49、样周期后比较显著时，采样周期后比较显著时，采样周期后比较显著时，采样周期T T0 0与纯滞后时间与纯滞后时间与纯滞后时间与纯滞后时间 基本相等。基本相等。基本相等。基本相等。3 3）控制的回路数）控制的回路数）控制的回路数）控制的回路数控制的回路越多，则控制的回路越多，则控制的回路越多，则控制的回路越多，则T T0 0越大，否则越大，否则越大，否则越大，否则T T0 0越小。越小。越小。越小。4 4）对象所要求的控制质量）对象所要求的控制质量）对象所要求的控制质量）对象所要求的控制质量 一一一一般般般般来来来来说说说说，控控控控制制制制精精精精度度度度要要要要求求求求越越越越高高高高，采采采采

50、样样样样周周周周期期期期越越越越短短短短，以以以以减减减减小小小小系系系系统统统统的的的的纯纯纯纯滞后。滞后。滞后。滞后。PID参数的整定方法（参数的整定方法（3）采样周期的确定方法采样周期的确定方法采样周期的确定方法采样周期的确定方法 有有有有两两两两面面面面种种种种方方方方法法法法：计计计计算算算算法法法法和和和和经经经经验验验验法法法法。计计计计算算算算法法法法由由由由于于于于比比比比较较较较复复复复杂杂杂杂，特特特特别别别别是是是是被被被被控控控控系系系系统统统统各各各各环环环环节节节节时时时时间间间间常常常常数数数数难难难难以以以以确确确确定定定定，所所所所以以以以工工工工程程程程上