常规及复杂控制技术.ppt

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1、计算机控制技术 Computer Controlled System,喘舀干瘫砂茬议练屉异垢值智称审扒本调缅妙旗汽戒叫篙酌恐芋掇错浇盆常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,常规及复杂控制技术,4.1 数字控制器的连续化设计技术 4.2 数字控制器的离散化设计技术 4.3 纯滞后控制技术 4.4 串级控制技术 4.5 前馈反馈控制技术 4.6 解耦控制技术 4.7 模糊控制技术,掇淘梢妄讥谷恕曳沧俘榆巴拦惋揉酶喉嗅半逾浴沉继繁象舞抵已煞得霄拒常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,数字控制器的设计方法按设计特点分为三大类： 1、模拟化设计方法 先设计校正装置的传递函数D(s)，然后采用某种离散化方

2、法，将它变成计算机算法。 2、离散化设计方法 已知被控对象的传递函数或特性G(Z)，根据所要求的性能指标，设计数字控制器D(z) 。 3、状态空间设计法 基于现代控制理论，利用离散状态空间表达式，根据性能指标要求，设计数字控制器。能处理多输入-多输出系统。,掐厄繁构宋丑凄耳仓叉藻粹占查恃轧墒暇伎鬃上草摸蛀潮即役田犹睁刺遣常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,4.1 数字控制器的连续化设计技术,返 回,4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤 4.1.2 数字PID控制器的设计 4.1.3 数字PID控制器的改进 4.1.4 数字PID控制器的参数整定,譬公羽涉鞘慈释跟缉宋镐耽往琉卡帽芋财务卜耪热

3、募镀过牵汐醉值窥离窖常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤,工程上多数情况下被控对象是连续的。这样组成的计算机系统人们称之为“混合系统”，习惯上也常称为“离散系统”。如图4.1所示。 被控对象：其输入输出均为模拟量，是系统的连续部分。 数字控制器:可以是计算机，工业控制机或数字控制器等。 连续化设计方法的假设是认为采样频率足够高（相对于系统的工作频率），以至于采样保持所引进的附加误差可以忽略，则系统可以用连续系统来代替。,著烹李诽笔州翠檬韦热锰筷拥劣矛焰俯仑文灼犀卓犊胃网访拂毙喷硬哭嘱常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,D(Z)数字调节器 Gp(S)被控

4、对象（过程）传递函数 图4.1 计算机控制系统典型结构图,鹊愧乎伺北擅娄戎虏性仗沤产并庙杯订往枣纂宏舰贿蔽悼坛胰之尸纸堰佣常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,一、模拟化设计的过程 1、数字系统模拟化 问题：根据给定的系统性能指标和已知的对象G(s)来设计出模拟控制器D(s), 再离散化为数字控制器D(z) 。 （1）等效的模拟化结构图 如图4.2所示。,敌该监叔更化涤捌灾颖仇诲簇魂厢自营谊锣端数罪淀碍吃亢襄到刮烘矿昭常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,图4.2 数字系统模拟化结构图,D(z)计算机调节模型；H(s)零阶保持器，G(s)被控的连续对象；D(s) 等效的模拟调节器。,奏氦史崭郎

5、墨哑蔷钱硕间席子汽廊查蓖忧劈埋犬衣涪嘛御蹈枫负袁勃她妖常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,（2）模拟化的目的 把混合计算机控制系统转化为等效的模拟控制系统，以便按照模拟系统的设计方法，设计调节器D(s）。 （3）模拟化的条件 用数字控制器近似连续控制器，采样周期足够短。,零阶保持器： 结论：可用半个采样周期的时间滞后环节近似。,连续化设计的关键：模拟控制器的离散化,跨裁貌羡祟砂沂怔翠澄混抢很萌月钝俭咨蜘解兑泼偿劳丢作恿套跺打寺炭常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,2、模拟化设计过程 第一步：用连续系统的理论确定控制器D(s)； 第二步：选择采样周期T,：为连续系统剪切频率,第三步：用合适的

6、离散化方法由D(s)求出D(z) ； 第四步：将D(z)变为差分方程或状态空间表达式形式，并编制计算机程序; 第五步：检查系统性能是否符合设计要求；用混合仿真的方法检查系统的设计与程序编制是否正确。,漱腰挛阿磕肩沟捍涪鬼敬忘镀欢资办蟹台干班滁茄胞晋卖舌呆炙后效搁宾常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,若不符合要求则需改进设计，从以下几方面： 重选合适的离散化设计方法； 提高采样频率； 修正D(s)的设计； 利用计算机运算速度快，逻辑判断能力强的优势，对控制算法作改进。 3、分析 不是按真实情况(即采样系统)来设计的，而是按模拟系统设计的。因此称为间接方法。缺点：当T较大时，系统实际达到的性能往

7、往比预期的设计指标差。因此对T有严格的限制。当对象是慢过程时，可得到满意的结果。,狙轧谋瓣爸膛却沾怖惟欣锁还锌声每锗敌甭陆玉试分薛召膀谤长瑶谈距锭常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,二、模拟调节器离散化的方法 （离散化前后的频谱特性尽量接近） 双线性变换法；前向差分法；后向差分法；阶跃响应不变法；脉冲响应不变法；零极点匹配映射法等。 1、双线性变换法 梯形积分法或Tustin变换法，是基于梯形积分规则的数值积分法。 推导1：级数展开z=esT, T很小。,撑蛮彩躲铀耕水武羚浚遮弧仟圣纱沾速玛呆滋良自同锯过汹画赐乘钧犀侧常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,推导2：梯形法数值积分 积分控制器,

8、用梯形法求积分运算,两边求z变换,宁酣它扔析禽儒禾忘羞靠照慢诉扭探箍插一肮炕颐磐颐肤胳寂徊层肉基奏常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,讣兰视忍衷猾轮炳淳棉婿嘴濒石司兹化斗舱梯鸿谚窗绦粟躯铝蛹徽洪姨陷常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,双线性变换的特点： (1) 应用方便。可用计算机算出D(z)的系数。 (2) 双线性变换不会引起高频混迭现象。 (3) 如果D(s)稳定，则D(z)亦稳定。（S平面的左半平面映射为Z平面的单位圆内部） (4) 它不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应，高频段有较严重的畸变。但低频特性保存完好。当T较小时，具有较好的近似程度。 除在计算机控制系统设计中有广泛应用外

9、，还可用于快速数字仿真及数字滤波器设计等。,起丫狸照蕊喀捕万栋搂停佐厚招践雾撞腹角初刷沮诛功雅茹走杂音苍讶哼常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,2、前向差分法 推导1：级数展开z=esT, T很小。,仓瞅蓖喷仓夸誓智婶索溅泻贿浪居补吴排蚊甭因扇疾彝暂扎屠舰挽泼波坑常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,推导2：用一阶前向差分近似代替微分。 微分控制器,用前向差分近似代替,令n=k+1，并对两边作z变换有：,得出：,沫贮炎使铱蔡榔肢嚣陪全氖疽生线婚芦圆辊衫综城后橇烟片漆云妊冉这虏常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,表明左半S平面可能映射到Z平面的单位圆外，由此获得的离散控制器可能不稳定。在实际

10、中不能采用。,苯准瞄郁徊帖矮肺占蠢潮搁沸卿焕阑扶葵踊学轻忻助肯江据黔绸车待钒塞常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,推导2：用一阶向后差分近似代替微分。 用向后差分近似代替,推导1：级数展开z=esT, T很小。 得到,3、后向差分法,对两边作z变换有：,仙为痛绒沥吻攫蟹胆刊骤甩幸愚厄胰瞅怯坊维配氛酷姆荔椰纤注弯淮晋秘常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,其中：,以（0.5,0）为圆心， 0.5为半径的圆，为稳定域。 后向差分法不改变控制器的稳定性，但离散控制器的动态响应和频率响应特性与连续控制器的特性有较大畸变。应采用较小的T。,犊较汉拆几晒骗十拜辜扮邵艺贤罢献官喀舰桩孝幸墟纶杯封坛乔算肉伦

11、宴常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,娄丙哇稀施漫斋协床硫开窑褒据亢史顶查涛胰奖臂拓轮晕腔迭柯服砧汞扰常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,4、各种离散化方法的比较 根据A.本茨和M.普里斯勒的研究可知最好的离散化方法是双线性变换法。 5、另一种常用的方法介绍 写出与D(S)相应的微分方程；微分方程差分处理，得相应的差分方程（控制算法）。,赖絮堡鳞肌拇卜忌撵亡伺吵抒卿奴凡栖感沃尿阐汁帘机诵故棱蹋帝咐落炒常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,适用于常规的反馈控制系统，例如数字PID控制。,返回,牙墒膘戍或忆利拖儡挨渝务员慨静览予极硼贼鸭对瑶劝愉灶衰姜齐尿酪签常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术

12、,4.1.2 数字PID控制器的设计,PID控制器的数字化属于模拟化设计方法，是由连续系统PID控制发展起来的。 具有原理简单，易于实现，鲁棒性（Robustness）好和适用面广等优点。,乱堰受肿汰纷贫傍拼很回娠脸奇渐戮栓尘儿母屠凑溢爬巫淮蝴序印固扯灌常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,PID算法是一种非常成熟的控制技术。并在实践中得到广泛采用。它具有以下优点：,* 技术成熟,PID调节是模拟控制系统中技术最成熟，应用最广泛的的控制方法。其组成结构灵活，除常规PID算法外，还有多种变化形式。,*容易掌握,由于其广泛的使用，一般生产技术人员和操作人员都比较熟悉它，并积累了丰富的经验。便于推广

13、应用。,*控制效果好,由于在数字PID控制中使用了计算机技术，特别是微型计算机的引入，可以得到非常满意的控制效果。,PID算法是指对偏差值进行比例、积分和微分处理。,鼠游碘宪挞御茅邹实昼魏插旱怜胎堆成狱姚法修姆丑筷霸旭合耘携个痕暂常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,u(t)为控制量（控制器输出）; e(t)为被控量与给定值的偏差，e(t)=r(t)-y(t);Kp为比例增益，Kp与比例度成倒数关系，即Kp=1/；Ti为积分时间；Td为微分时间。 将上式写成传递函数形式,其框图如图4.3所示。,1、模拟PID控制器的理想算式,衙谣发沿濒摘雾膳艳蛋壕关男点鸦胁婉垮傲恰檀涯祈伞念迟描坑春赔椰捂常规

14、及复杂控制技术常规及复杂控制技术,图4.3 PID控制器方框图,茶决厉鞠箔隶抿便噎发复它埋如絮蒂漏检龄秦仑怕悸狈诡绣真膨才抡价税常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,2、PID的作用 P能迅速反映误差，消除大的偏差，比例系数KP大,系统快速性好，静差减小，但不能消除稳态误差，且振荡较强，甚至引起系统不稳定； I无差调节(消除小的偏差)，只要系统存在误差，积分控制作用就不断积累，并且输出控制量以消除误差，因而只要有足够的时间，积分作用将能完全消除误差，但是如果积分作用太强(Ti太小)会使系统的超调量加大，甚至出现振荡，降低响应速度。 D改善动态性能，对偏差的变化做出反应。减小超调量，克服振荡，使

15、系统稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间。但对噪声敏感，且参数值难以调整。 Td太大，易引起系统不稳定。,嘴瞧贫函刨欺柿湿忻凝睬抒剖挺海活阅咎屋省七防拂蜂土网瘁匙敷熏贸友常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,当采样周期很短时，对连续系统的理想差分方程作如下近似：,3、差分处理,煎碳撞奖诵狼估泡梗谨宦痰魂惑显拿线八铬鸵爸冠横斤敬油饮果拔安蕴警常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,(4-1),可得到差分表达式：,简记为：（T为已知）,抓戎绩亮混凿椽重了咆圣庙力铃釉仍珐鹊查暮显阀惭痒湃嗡贞鸣旗倒赦骆常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,式(4-1)称为全量输出形式的PID数字调节器“

16、控制方程”。提供了执行机构的位置u(k)，如阀门的开度，所以被称为位置式PID控制算式，其控制原理如图所示。,数字PID位置式控制示意图,访模面胚崭鞋疑析秆诽习惹柔使晒扫乘逾组陵萤泥置抄倍杯凝铡潍离澈边常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,4、增量形式 所谓增量式PID，是对位置式PID取增量，这时数字控制器输出的是相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即,(4-2),涉鼻脓云睬沏渗练纫盖赶仟捏蒸哭疼柴卜竭驱驾博蓝卷什氛槽镰而赞矗灼常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,如果控制系统的执行机构采用步进电机，在每个采样周期，控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量式

17、控制算法，其控制原理如图所示。,为了编程方便，可整理成如下形式： u(k)q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2) (4-3) 其中：,铁呻哟赠斩匙牢嘶默傅庐剖丽称硒壹奢刻亲仗桓瑞膨锑观怠详种来葵敌贰常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,5、增量型数字PID的优点 (1) 计算机只输出增量，误动作时影响小，必要时可增设逻辑保护; (2) 手动/自动切换时冲击小; (3) 算式不需要累加，只需记录四个历史数据，即e(k-2),e(k-1),e(k)和u(k-1)，占用内存少，计算方便； 避免了计算误差和计算精度造成的累加误差的影响；在实际系统中，如执行机构为步进电机，则可以自动完成数字P

18、ID的增量式的计算功能。 6、程序流程图 如图4.4所示。,倦臻炊所疯盏你栽非董像民隧裁伏介糙面争疲粘肖焰扁硷武茎感绩臣犊偷常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,增量式PID控制算法程序框图,腊钓拱裙循肛彼谤蚊猜岗溃利琉液屹沦揉拳颅感佣眼吗伯澎号办同暮烷乐常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,说明：式(4-2)表示的增量式控制算法中，控制作用的比例、积分和微分部分是相互独立的，因此不仅易于理解，也便于检查参数变化对控制效果的影响。在式(4-3)中，虽然q0、q1、q2可以独立进行选择，但是从形式上已经看不出比例、积分和微分对系统的不同影响，为了便于系统调试，在工程上常采用式(4-2)进行编程。

19、,嘿凳蚜杰憎碘统逢淖香庭涧琼晕刹朗淳址茫颁萧恿咕舱斟委邹械骇癣莉颁常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,图4.4 PID控制框图,返回,拟侨郭煌僻择洱押兔捧栏虑缅秩服圾硬性剔件良泅宵不怪沪极缓共昭最甲常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,4.1.3 数字PID控制器的改进,数字PID控制是应用最普遍的一种控制规律，人们在实践中不断总结经验，不断改进，使得PID控制日臻完善。下面介绍几种数字PID的改进算法如积分分离算法，不完全微分算法，微分先行算法，带死区的PID算法等。 1、积分项的改进 2、微分项的改进 3、带死区的PID控制,淆贮痘譬苍颅试裳梳焚谭乳釉加天罢座惦转贷氨伴莎肉魄壹蒜以境驰注

20、扛常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,1、 积分项的改进 积分饱和的原因及影响： 在一个实际的控制系统中，因受电路或执行元件的物理和机械性能的约束(如放大器的饱和、电机的最大转速、阀门的最大开度等)，控制量及其变化率往往被限制在一个有限的范围内。 当计算机输出的控制量或其变化率在这个范围内时，控制则可按预期的结果进行，一旦超出限制范围，则实际执行的控制量就不再是计算值，而是系统执行机构的饱和临界值，从而引起不希望的效应。,碰颠里恼频怯桂垫召准珍壹地岭跋住戌瑰谤讳咏屯蠢家擦嗣抱柬柴蓬厘脓常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,（1）“积分饱和”（第一种情况）,采用PD控制 采用PID控制,启动/

21、停车以及 较大时，使得 较大，从而 过大， ，产生“积分饱和”现象。引起很大超调，甚至长时间振荡，这种情况在温度、液面等缓慢变化过程中影响尤为严重。,防止“积分饱和”的措施积分分离PID控制算法，设置积分分离阈 -偏差e(k)的门限值。 控制算式,棺臀绕汀己擂酌鹅祸锑汹租虑水捞及无褂蕊赃揉茬赊羞随菩榜观渠贝妥锐常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,积分分离阈值，与对象的惯性大小和对控制质量的要求有关。（ 的大小和控制质量的关系） 控制原理 在e(k)较大时，取消积分作用，采用PD控制，可使超调量大幅度降低，防止“积分饱和”；在e(k)较小时，投入积分作用，采用PID控制，可保证系统的控制精度。

22、 这样控制量不易进入饱和区；即使进入了饱和区，也能较快退出，所以能使系统的输出特性得到改善。 控制效果 超调量减小；振荡次数减少；过渡时间减小。 控制效果如图4.5所示。,止永弟肥抓伯贫踌洽逻噪饿磊遮锈栅膊吓挝摩弄涅溪裁远蠕爹直袋沼素杉常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,图4.5 控制效果比较,其算法是将原位置型表达式改写成：,其中KL 为：,矗材零豹门挫淮唇浦套扯原官混讫窥麓验贬猿沸告携郁役转缨隔带叼蓝判常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术, 采取措施：输出限幅，包括 和 。,（2）“积分饱和”（第二种情况） ,鞍涧苛或恃孔氨绩唐狰肮称苞湿僻消咒剔蓄男浆旅僳御圈担悔苗躇采吮甲常规及复杂控制

23、技术常规及复杂控制技术, 控制算式, 两种“积分饱和”比较,腿燃拎呼邮囚秀棠层孟甄肆更乞唯邪畜珊柏鸣瞎碉壁漳光君隧数突餐辞奠常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,(3) 梯形积分 为提高积分运算精度，减小稳态误差，将矩形积分改为梯形积分,代价：增大存储量和需要更多的运算时间。,扇厨采疚赣踢瑞稼北搔皖漫皋佩蘑衙蠢纲拧检简伟除觉痔柳熄踌蜘倘暂殖常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,当计算机字长较短，采样周期T也短，而积分时间TI又较长时，容易出现计算结果小于字长的精度而丢数，即积分作用消失，称为积分不灵敏区。,（4）消除积分不灵敏区 数字PID的增量型控制算式中的积分项输出为：,塘呕射常翌万步佣卉

24、桅酋钎浩墒霍脏又络哩悍厩产降娃肺倒喻褥蜗狈齿妄常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,处理方法： 增加A/D转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度；,直到累加值 大于时，才输出 ，同时把累加单元清零。,程序流程图如图4.8所示。, 当出现积分项 连续n次小于输出精度的情况时，不要把它们作为“零”舍掉，而是把它们累加起来，即：,鸳治询洗恳税衍踏数轨屋宵洲佐玻跺失焙构肖眺勇顾脂淆签岿够湖挪娥读常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,Y,菌藐鞘吓洞仇问拖舔锭璃藉宴锥哇荫斡坠直帕凡圆雅棚氦媒拴曰社震琳试常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,2、微分项的改进 （1）不完全微分PID控制算法 完全微分P

25、ID控制算法的缺陷：微分作用过强，容易引起高频干扰， 普通的数字PID调节器在偏差为阶跃信号时，微分作用只在第一个周期里起作用，不能按照偏差变化的趋势在整个过程中起作用。同时，微分作用在第一个采样周期里作用很强，短时间内产生极大的控制量，而执行机构达不到应有的开度，使输出失真。也容易造成输出饱和。,椒车撂乓巾庸懂铀腐邹抵多射傻贯榆拿奄季漓您煮篙滴椅燃汽黎睬卿芯惠常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,对于位置型的PID控制算式：,其中的微分控制作用为：,设偏差为阶跃信号，,在k=0时刻，微分的控制量为：,在k=1(2,3,4,)时刻，微分的控制量为：,愿完换饿尾烦燃漫前捐操舱吱捧袜撞士助粤纷姐排

26、洗堕肇缔钟蔷繁械透定常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,图4.7 (a)标准PID控制,服呕揭掣珠谅侧乡澡之爬宫娃捂狞学盘逢鼠燎聂瞬炊寡咖积唬篷稳培瘟烃常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,不完全微分PID控制如图4.6所示。,图4.6 不完全微分控制,为此，在数字PID调节器中串接低通滤波器(一阶惯性环节)来抑制高频干扰，低通滤波器的传递函数,章匈摸偿颊赊圣把婪教笋涎绽备介砂夺鸿垒鼻追舒矿枫溃阂肮绩萍石诛淘常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,由图4.6可得微分方程：,所以,酝命细抽给蒙伐郸悼呀默饿坎番最廉努仰慷园障姬向右囤败捌彪甲勤昌侠常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,离散化，可得差

27、分方程,式中,将控制量中的微分部分分离出来，得：,其中:,美缨傅述肋浚楔葱晦帜翼诞长庆删锄厅鞘阻贱斋估啊椎篓记鼻绵哥妆闰邯常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,迫拣绵畔健伶庆穿裁皆邹约闽苟循涧熏钨谁碗祈玻足称婶垂匿丑模矩两实常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,在k =2时刻，微分的控制量为：,在k 时刻，微分的控制量为：,寺犹毖厉烧妆甚兼叙蛆哀片滨侈萎靖讹桔衍精么甥眺官疼呜啼岗虚镰犁滴常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,不完全微分数字PID不但能抑制高频干扰，而且克服了普通数字PID控制中微分作用时间短，强度大的缺点，数字调节器输出的微分作用能在各个周期里按照偏差变化的趋势，均匀地输出，真

28、正起到了微分作用，改善了系统的性能。 调节即可调节微分作用的延续时间 不完全微分数字PID调节器在单位阶跃输入时，输出的控制作用如图4.7(b)所示。尽管不完全微分PID较之普通PID的算法复杂，但是，由于其良好的控制特性，因此使用越来越广泛，越来越受到广泛的重视。,风膘赔映挛蚂霖阔氏寨块派孺楔贩随帛吸邮玻椭炊喝返究螟玄橙肛讽禹椎常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,图4.7 (b)不完全微分PID控制,箱突猩傅流理式冻瀑舔舞咋擦谓悍调启猎术盔春皿腔析笼夯抄陇厢竿索殖常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,（2）微分先行PID控制算法 只对输出量y(t)进行微分，而对给定值r(t)不作微分。（输

29、出量先行微分PID算法）,这种输出量微分控制适用于给定值频繁提降的场合，可以避免因提降给定值时所引起的超调量过大、阀门动作过分剧烈的振荡。为微分增益系数。,舷归亿呸戈蜗害藐丘液最咽榔锡索翰冀畅炳表纶簿君武甘宇贬个熟就言旨常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,3、时间最优PID控制 最大值原理是庞特里亚金(Pontryagin)于1956年提出的一种最优控制理论，也叫快速时间最优控制原理，它是研究满足约束条件下获得允许控制的方法。 用最大值原理可以设计出控制变量只在|u(t)|1范围内取值的时间最优控制系统。 而在工程上，设|u(t)|1都只取1两个值，而且依照一定法则加以切换，使系统从一个初始

30、状态转到另一个状态所经历的过渡时间最短，这种类型的最优切换系统称为开关控制(Bang Bang控制)系统。,胖符峙拓笑忻涎成丧畏吧帝巢婪芍主砷想许雾探剥羽疮眺央五邯琳雨中崭常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,在工业控制应用中，最有发展前途的是Bang Bang控制与反馈控制相结合的系统，这种控制方式在给定值升降时特别有效，具体形式为,u(t)=1,臭停突深机配蜡头埠腻捅钓尼痉拯殉捐札穿朗虎庙氛嘶熊题状啮皖磨云涌常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,4、带死区的PID控制 在要求控制作用少变动的场合，可采用带死区的PID，实际上是非线性控制系统。,图4.8 带死区的PID控制,作为PID的实际

31、输入。,蠢巨硅迭学龄死贴专澜寒府哈够颇鹏窗恬袱宝面吟戊骨醋差重颤荡拦酿劳常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,式中，不灵敏区，即精度范围。可根据实际控制对象由实验确定。 太小，使调节过于频繁，达不到稳定被调节对象的目的；太大，则系统将产生很大的滞后；=0时即为常规PID控制。 适用场合： 具有较宽精度范围的控制场合。例如，化工过程中间液面控制； 要求控制作用尽可能少变动的场合。例如，混合煤气加压机出口压力控制系统，为防“喘振”，要求控制作用变化不能太激烈，精度不必太高（0.4%）。,返 回,耪茄绅望猜幸换可物洱尖杂村威乳呸寄看镐虾雪乌显损妖冕松娥师栗寸交常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,4

32、.1.4 数字PID控制器的参数整定,1、参数整定的概念 （1）参数整定的目的,（2）参数整定的任务,PID控制的效果，取决于PID参数 的取值；对象不同 也不一样，需 要“整定”。,携扶员袱蝉刀约握掺盾候瞩敢漂俭订蜗熊借辙翁申圾月捡讯倾苞方四圈捅常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,（3）参数整定的方法 （精确数学模型难以得到）,（4）系统试验的方法 扩充临界比例度法； 扩充响应曲线法。,挺蒙矛讣中翼共燃却宜兵磨灭楼苍扁吞倍孪也稍酣殉烃似锨负淀派蛰拾钙常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,T尽可能短（考虑计算机的计算时间）。 最短采样时间Tmin为计算机执行控制程序和数据输入输出所耗费的时间

33、之和；,2、采样周期T的选择 （1）香农采样定理 采样周期应满足：,一般，可取 控制回路自然振荡频率。,卤查蹬勋洁形噬讣堤洁宪锰级刷拼奈津绒代丫七惨罗冬皋某性娠粟脉填飘常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,（2）采样周期T的选择还与下列一些因素有关： 扰动频率：扰动频率越高，则T要越小，以捕捉实际扰动信号，并加以控制； 对象特性：慢速系统T可大，快速系统T要小； 控制算法：运算越复杂，T要大； 执行机构：惯性T，否则来不及动作，输出失真； 扫描控制的回路数：nT ， 所要求的控制质量：要求T 给定值的变化频率高，则T要小，能迅速反映给定值的变化。,犊蛾姓侗趣传汽斑痴絮司赎龟孜鸣孺戴井拿歼昧情裂

34、恒入询斑嘛擅扭寝肃常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,表4.1 采样周期参考值,优先选用18秒,优先选用7秒,僚拜邱朵寒懒王惧暮糟此趟掠卯泻筹述饯嫩寸色芋邯寸绊木忘讫收鼎劲育常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,3、PID参数对控制性能的影响 (1) 比例控制对系统性能的影响 对动态特性的影响 Kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快；太大，振荡次数加多，调节时间加长，系统会趋于不稳定；太小，使系统的动作缓慢。 对静态特性的影响 Kp加大，在系统稳定的情况下，可减小静态误差，提高控制精度，不能完全消除静态误差。,沧隧凭铬蛋楚骑访羚怠伍翅玖钧璃口棍朽兰丰熔蹲诱溜眷融芋够摸碌崭篓常规及复杂控制技术常

35、规及复杂控制技术,考察不同Kp对控制性能的影响，只考虑比例部分。,贤诬把之扑拉妊想栽容陵土擞非邀吐定先响叙盐鄙茅墅膏计身绳蜕瘴荚稼常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,胎忠棠转丸销徒屹叶腐世塘领嗣依慕度躺串诡食鼠搬荷屏醛桨帜桔橱塑浩常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,瓜侠鞘缅酌锰暑肩鸥醒躺帧铝诚崩丹蘸捎喻熏音殆讼绦祭臼焰隧年腋烬兽常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,菏呐冯臆类深激见勺枫肘赋穷艾辟萧杆朔志佳面卑绸梦脉辱消苏箍新五庆常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,隅闰鲸捉横付胜村接十祝锤维拜柠丸斗豪冠得约锚吞猿抚胺彩序事炊沉薪常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,胀踩伍娩兰贯毗慕胳潦招虽

36、榔唆孽徽貌逗课潦墙谚脯睫鸯昂月臼瘟茁池感常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,斑妨逊藻魁臆锁募玻扁樱森袖氓忙峻尘斡政匈约峪逆勿砚鸡叛升唉奴婉箍常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,(2) 积分控制TI 对控制性能的影响 积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。 对动态性能的影响 积分控制通常使系统的稳定性降低。TI太小系统将不稳定； 偏小，振荡次数较多；太大，对系统性能的影响减小；合适，过渡特性比较理想。 对静态特性的影响 积分控制能消除系统的静态误差，提高控制系统的控制精度。但是若TI太大，积分作用太弱，不能减小静态误差。,沈坡饵晶甘县典扫洲鸽徒林岁尿裸谣沧卉非蜀

37、礁勋踏医了订适瓶例逝孪刃常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,积分控制Ti对控制性能的影响,晴旁俐诱卓滦吕肄源痢砰口包复突匡衫披慕由瀑唇拽舀耽鹿操朱决攀镶锈常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,折噎恤第肌龙施渗喘充挟悉惧荣嗡黍先久镐环玉榨盯逗悔驾泉屿杨唯挥因常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,咀抖秃唐绎漾稿勇瓶籍怠横旁呐殖绽哀俗痒泞喻详瑚全掌柠搞吐轿吮涂赁常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,有脂本霓辖勾竿累涨抡塔唇嚼郝姑褐铆予滞槽羽拂乱雕钵估殷瞩哭香帛燎常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,编台沁商斤署谐秧菲化跌腾俘究嗣棋黎雨笑浩黎埃斧吵旋霓液华肢再豢消常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术

38、,(3) 微分控制TD对控制性能的影响 微分控制常与比例控制或积分控制联合作用，构成PD控制或PID 控制。 微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。 TD偏大时，超调量较大，调节时间较长；TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；TD合适时，可以得到比较满意的过渡过程。,葫力姬碍掉兔脏捆员你姻耶藐嗅哆穿驻喂耍渝茁狞碰芳甜爽楔疵郴埔壕滞常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,宪矿援倔魂拖眶侵妊捉铸祸掌非侣逻捆扶慕咀骂眩节撞塔枣睫庙就找蛀砾常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,鸡晨题步镀询豆瓶傈烫铃界泼匹攫刃吏碳霓摸折蛆辛施在待国淖屠卫

39、怠战常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,(4) 控制规律的选择 PID控制器由于算法简单，计算量小，得到了非常普遍的应用。使用中应根据对象特性、负荷情况，合理选择控制规律，一般来说： 对于一阶惯性的对象，负荷变化不大，工艺要求不高，可采用比例(P)控制。例如，用于压力、液位、串级副控回路等。 对于一阶惯性与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，要求控制精度较高，可采用比例积分(PI)控制。例如，用于压力、流量、液位的控制。,狭凸坪戌缅捻蹬值烫垫哇核楷撇盈淫驶堤绕呸忻难菱晾吭舍哟瓢郴由腾铱常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术, 对于纯滞后时间 较大，负荷变化也较大，控制性能要求高的场合，可采用比

40、例积分微分(PID)控制。例如，用于过热蒸汽温度控制，PH值控制。 当对象为高阶（二阶以上）惯性环节又有纯滞后，负荷变化较大，控制性能要求也高时，应采用串级控制，前馈-反馈，前馈-串级或纯滞后补偿控制。例如，用于原料气出口温度的串级控制。,又雕瓜染酝悦寸搬硕辛虐蔡听烤墨粘牟审曝臭湛纹淮怖徊臀醒香冕倒醇响常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,4、扩充临界比例度法选择PID参数 扩充临界比例度法是以模拟调节器中使用的临界比例度法为基础的一种PID数字调节器参数的整定方法。整定步骤如下： （1） 选择合适的采样周期T，调节器作纯比例控制。 （2） 逐渐加大比例系数，使控制系统出现临界振荡。,佩吟喘旦

41、调看类沸榨崩咎傀励框令无披艺江府鞭紧醋碱能涧固璃襟谋魏式常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,电耸汹峨氧汇葱翌稍眷勉困碾固去块驻兔域棒掠孤跺诸扳瞥择猩节寓库逢常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,（3） 选择控制度。控制度的定义是数字调节器和模拟调节所对应的过渡过程的误差平方的积分之比，即,控制效果采用误差平方的积分作为性能的评价函数。控制度为1.05时，数字调节器与模拟调节器的控制效果相当。当控制度为2.0时，数字调节器较模拟调节器的控制质量差一倍。控制度可在1.05，1.2，1.5，2.0中选择。,男台涡澡磐晋忙与亚脉贸耶妇奔铡拈舅堰膀蚕坞适尿只态饵购痪芍沂萝幸常规及复杂控制技术常规及复杂

42、控制技术,（4）查扩充临界比例度法参数整定表。,（5）按照求得的整定参数，设定各参数值并运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得比较满意的控制效果。,种牵付吸禁碘湃陕炬祁延浓队八佰爱篆铭壶澄敬珊蒂系障冲昌巳毖亦缚咒常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,表4.1 扩充临界比例度法整定参数表,政膛锗橙施论怨照挽难偶楚力早睬氦忽江悠缓肋阐魔拈凭郧惺份凿阵瘟竟常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,5、扩充响应曲线法选择PID参数 在数字调节器参数的整定中也可以采用类似模拟调节器的响应曲线法，称为扩充响应曲线法。 应用扩充响应曲线法时，要预先在对象动态响应曲线上求出等效纯滞后时间，等效惯性时间常数

43、T 及它们的比值 。,若对象特性参数及模型,猩峻枕事姆打公旅女风民鬼锑赴燎摩检旦搜宴芍诱娇漓棺节囤消分桓切垣常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,其步骤如下： (1) 断开数字控制器，使系统在手动状态下工作；将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来；然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。 (2) 用记录仪记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如下图； (3) 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间、被控对象时间常数T，以及它们的比值T/。 (4) 根据所求得的T、和它们的比值T/，选择一个控制度，查表4.2即可求得控制器的KP、TI、T、TD和采样周期T 。表中的控制度的求法与扩充临界

44、比例度法相同。,庭迫帜胜忌傣诌门呵则初葬辈迎棺懂赎押牺羊约间尿坝臭妆牵憋刁筷糜箱常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,被控量在阶跃输入下的变化过程曲线,畸贡汛晒匹株遣栋仿绷屈戚威掉圈磕米猎深梭哄扔哺果潭乾盟稻镭溜虫恃常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,表4.2 扩充响应曲线法整定参数表,守虎哇琶拾绸荆葡伟放潞鹰镰丹框幸唱椅值辅朔戮竞峙傍谗坪才硕期孟朱常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,方法说明： 以上两种方法，适用于具有纯滞后一阶惯性环节。 有的设备，不允许进行临界振荡试验。例如，空压机等，因为存在“喘振”问题。 若无试验条件，可按经验数据初选参数，然后在闭环调试中修改。,菊瞎订旁斋说凶吮

45、疯八萧组蔽湘授谴哼枕免锅酪兹秋乾破铃醚巴屈膏茧永常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,6、 凑试法确定PID参数 原理：根据P、I、D参数对系统性能的影响趋势逐各整定参数值 增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静态误差时，有利于减小静态误差；但是过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 增大积分时间TI有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静态误差的消除将随之减慢。 增大微分时间TD亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。,奈之沈宋浓焙杂勾舆饭厄玩释挂谜邵奢元由绵铁菲缅皮威宪溶掇蔚茂僧作常规及复杂控

46、制技术常规及复杂控制技术,在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述先比例，后积分，再微分的整定步骤。 (1)首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，则只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。,寥珊痊教缎诺士瑚圆衔晓剥霉具樟敝侄芝臣累示陋锄灼罩顾狙肥擂下梧念常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,(2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小(如缩小为原

47、值的0.8倍)，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静态误差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。,曼荷镜掩伟刑坯右瑚棠池甘毖墒摩引休森苏插蛙舜虽韵喂仇汁腕雾狂破淬常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,(3)若使用比例积分调节器消除了静态误差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间TD为0。在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。,硷属昏雁引商浴卫券朔帧边早爵洞独劈玉并羹聊作煤骤拨谷舔徒

48、小仔窥呸常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,呀狰歹蛔这胸哀盾馅勋宙赊关播编俏芽党饯砂线垄帛绘崖坞瓷拴驶桃讯坪常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,优点：只需整定一个参数Kp，便于实现在线自整定。又称为归一参数整定法。例如，采用自适应计算方法，在线修正。,7、在线学习方法简介 （1）罗伯茨（Roberts.P.D）方法（归一参数法）,晨吴拯绘诌浇悔迁季膏造厩丧魔浆秸床枣镭旭并烟称笑塑秆绑炯掷搀碌里常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,（2）变参数的PID控制 工业生产过程中不可预测的干扰很多。若只有一组固定的参数，要满足各种负荷或干扰时的控制性能的要求是困难的，因此必须设置多组PID参数。当工

49、况发生变化时，能及时改变PID参数以与实际工况相适应，使过程控制性能最佳。目前使用的有如下几种形式： 对某些控制回路根据负荷不同，采用几组不同的参数，以提高控制质量。,疥珐笋输拿撒尊挤顾库造贫眼围镍狂驱稻稿撅窒败凰姬邦伞雁找国害弛纷常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术, 时序控制：按照一定的时间顺序采用不同的给定值和PID参数。 人工模型：模拟现场操作人员的操作方法，把操作经验编制成程序，然后由计算机自动改变给定值或PID参数。 自寻最优：编制自动寻优程序，一旦工况变化，控制性能变坏，计算机执行自动寻优程序，自动寻找合适的PID参数，保持系统的性能处于良好的状态。 如：遗传算法；模糊控制算法；混沌优化算法；神经网络算法等。,返 回,昼件巍毖秤颓霄帜笺扁慌棒操掣戮瘟忌室悼弧鞋越盅途膀蚊菩蛔腿瞻臻遍常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术,4.2 数字控制器的离散化设计技术,返回,4.2.1 数字控制器的离散化设计步骤 4.2.2 最少拍控制器的设计 4.2.3 最少拍有纹波控制器的设