计算机控制系统的控制策略PPT课件

1、1第四章 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a.多回路控制节省设备费用；b.控制规律灵活多样；c.系统维护简单、可靠性高；d.改善调节品质。(4) 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DDC系统中用数字方法对PID进行数字模拟；b.用采样控制理论进行数字直接分析和设计；第1页/共108页2常规仪表控制系统框图常规仪表控制系统框图euqy控控制制器器执执行行器器被被控控对对象象测测量量变变送送器器偏偏差差给给定定值值控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量 测测量量值值r+_zf干干扰扰uqy控控制制器器执执行行器器被被控控对对象象给给定定值值控控制

2、制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量 图图1 1- -2 2 常常规规仪仪表表控控制制系系统统原原理理框框图图r( (a a) ) 闭闭环环控控制制系系统统( (b b) ) 开开环环控控制制系系统统第2页/共108页3D(z) Ho(s) Gc(s)e*(t) u*(t)E(z) U(z) r (t)+ _R(z)G(z)c (t)C (z)给定值计算机输出通道 D/A输入通道 A/D广义对象被控变量y输入通道 A/D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，用数字方法对PID进行模拟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，把整个系统看作离散系统，用离散化的方法

3、设计控制器第3页/共108页4表 41 控制系统的研究方法分 类方 法系 数输入量与输出量之关系数 学 工 具使 用 函 数现 代 控 制 理 论连 续 系 统离 散 系 统微 分 方 程拉 氏 变 换传 递 函 数状 态 方 程差 分 方 程Z 变 换脉冲传递函数离散时间状态方程第4页/共108页54.1 数字PID控制PID控制广泛应用的原因：a.技术成熟常规PID、各种PID控制变形；b.接受程度高操作人员熟悉；c.不需要求出数学模型；d.控制效果好。第5页/共108页6模拟模拟PID控制器控制器 1、比例控制器（P） PuKe t 图4-1 阶跃响应特性曲线 e(t) t y t kP

4、e(t) 0 0 只要偏差e(t)一出现，就能及时的产生与之成比例的调节作用，具有调节及时，改善动态特性的优点，它是一种最基本的调节规律 。 对于大多数惯性环节，KP太大时会引起自激震荡。 主要缺点是存在静差。对于扰动较大、惯性也较大的系统，若采用单纯的比例调节器，就难于兼顾动态和静态特性 。 第6页/共108页7 控制作用u 系统实际输出y第7页/共108页8对于大多数惯性环节，Kp太大时会引起自激震荡。 第8页/共108页92、比例积分控制器（PI） 1Iue t dtT 图 4-3 积分作用响应曲线 e(t) t y t 0 0 所谓积分作用，是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用

5、。 优点：消除静差。只要有偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除，调节器的输出才不会变化。 缺点：作用动作缓慢，且在偏差刚一出现时，调节器作用很弱，不能及时克服扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增大，调节过程增长，因此很少单独使用。 第9页/共108页10第10页/共108页11如果把比例和积分两种作用合起来，就构成PI调节器： 1PIuKe te t dtT 图4-4 PI调节器的输出特性曲线 e(t) t y t 0 0 e(t) 给定值 y1=kPe(t) y2 kIkPe(t) 既克服了单纯比例调节器有静差存在的缺点，又避免了积分调节器响应慢的缺点，即静态和动态特性均得到了改善

6、，所以应用比较广泛。 第11页/共108页12第12页/共108页133、比例微分控制器（PD） Dde tu Tdt 图 4-5 微分作用响应特性曲线 e(t) t y t 0 0 t0 t0 微分作用，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误差及调节时间，使过程的动态品质得到改善。 特点：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分作用输出。因此，微分作用不能消除静差，而只能在偏差刚刚出现的时刻产生一个很大的调节作用。 第13页/共108页14比例积分微分控制器（PID） 1(

7、)pDid e tuKetetTTd ta. 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； 然后再进行积分作用，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；第14页/共108页15PD调节器 )()(1)(1dttdeTdtteTteKuDpPID调节器 图 4-6 PD 调节器的阶跃响应曲线 e(t) t y t 0 0 t0 t0 kie(t) 图 4-7 PID 调节器阶跃响应特性曲线 e(t) t y t 0 0 KPe(t) kPkIe(t) kPkIe(t)

8、说明：并非所有工业控制系统都需要使用PID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。究竟使用哪种调节器，应根据具体情况和现场实验进行选定。 第15页/共108页16 第16页/共108页17数字数字PID控制器控制算法控制器控制算法 1pDIde tu tKe te tTTdt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 000nnnjje t dte jtTe j 11d e te ke ke ke kdttT1、PID算法的数字化(1) PID算法的模拟表达式：第17页/共108页18 0( )1nDpjITTu kKe keje ke kTT(2) 离散P

9、ID算法(3) 位置型PID算法 11212pIpU kU kK e ke kKe kK e ke ke k 图 4-8 DDC 控制原理图 U(n)=式(4-11) 对象 Wd x(t) e(t) c(t) 计算机 U(n) (a) 位置式控制 + 第18页/共108页19(4) 增量式PID算法 图4-8 DDC 控制原理图 U(n)=式(4-12) 对象 步进电机 x(t) e(t) c(t) 计算机 U(n) (b) 增量式控制 + 对象 Wd 1U kU kU k 11212pIpU kU kU kKe ke kK e kKe ke ke k第19页/共108页20增量控制优点： 增

10、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/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。增量控制缺点： 积分截断效应大，有静态误差； 溢出的影响大。第20页/共108页212、PID算法程序设计算法程序设计 (1) 位置型PID算法的程序设计 根据式（4-14）编写的位置型PID程序 01kPIDjU kK E kKE jKE kE kTTKKDpD积分系数 微分系数 )()()()(kUkUkUkUDIPIpITTKK 第21页/共108页22a. 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，运算前通过乘以2N将其化为整数，然后把运算结

11、果再乘以2-N，即可恢复到原来的数值；l KP，KI，KD可采用同一比例因子折算。b. 采用16位有符号指令运算l 计算U(k)时采用32位加法，这样可以提高计算精度；l 定义A/D采样值单元为16位，不会造成计算溢出。第22页/共108页23DATA SEGMENT UR EQU0050H；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A/D采样值E0 DW 0 ；定义E (k)E1 DW 0；定义E(k-1)UPK DW

12、 2 DUP(0)；定义UP (k)UIK1 DW 2 DUP(0)；定义UI(k-1）UK DW 2 DUP(0)；定义U(k)DATA ENDS第23页/共108页24CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATASTART PROCMOV AX,DATAMOV DS,AXPID：MOV AX,UR；取设定值MOV BX,SAMP；取采样值SUB AX,BX；计算E (k)MOV E0,AXMOV BX,KP；计算UP(k)=KP*E(k)IMUL BXMOV UPK,AX；存UP(k)MOV DS:UPK+2,DXMOV AX,E0；计算KI*E(k)MOV BX

13、,KIIMUL BXADD UIK1,AX；计算UI(k)= UI(k-1)+ KI*E(k)ADC DS:UIK1+2,DX第24页/共108页25MOV AX,E0；计算UD(k)=KD(E(k)- E(k-1)MOV BX,E1SUB AX,BXMOV BX,KDIMUL BXADD AX,UIK1；计算UD(k)+ UI(k)ADC DX,DS:UIK1+2ADD AX,UPK；计算UD(k)+ UI(k)+ UP(k)ADC DX,DS:UPK+2MOV UK,AX；存U(k)MOV DS:UK+2,DXMOV AX,E0；E(k-1)=E(k)MOV E1,AXRETCODEEND

14、SEND START第25页/共108页26MUL r8/m8；无符号字节乘法；无符号字节乘法；AXALr8/m8MUL r16/m16；无符号字乘法；无符号字乘法；DX：AXAXr16/m16IMUL r8/m8；有符号字节乘法；AXALr8/m8IMUL r16/m16；有符号字乘法；DX：AXAXr16/m16第26页/共108页27乘法指令的功能 乘法指令分无符号和有符号乘法指令 乘法指令的源操作数显式给出，隐含使用另一个操作数AX和DX 字节量相乘：AL与r8/m8相乘，得到16位的结果，存入AX 字量相乘：AX与r16/m16相乘，得到32位的结果，其高字存入DX，低字存入AX 乘

15、法指令利用OF和CF判断乘积的高一半是否具有有效数值第27页/共108页28乘法指令对标志的影响 乘法指令如下影响OF和CF标志： MUL指令若乘积的高一半（AH或DX）为0，则OF=CF=0；否则OF=CF=1 IMUL指令若乘积的高一半是低一半的符号扩展，则OF=CF=0；否则均为1 乘法指令对其他状态标志没有定义 对标志没有定义：指令执行后这些标志是任意的、不可预测（就是谁也不知道是0还是1） 对标志没有影响：指令执行不改变标志状态第28页/共108页29mov al,0b4h；al=b4h=180mov bl,11h；bl=11h=17mul bl；ax=Obf4h=3060；OF=C

16、F=1，AX高8位不为0mov al,0b4h；al=b4h=76mov bl,11h；bl=11h=17imul bl；ax=faf4h=1292；OF=CF=1，AX高8位含有效数字第29页/共108页30DIV r8/m8；无符号字节除法：ALAXr8/m8的商，AhAXr8/m8的余数DIV r16/m16；无符号字除法：；AXDX：AXr16/m16的商，DXDX：AXr16/m16的余数IDIV r8/m8；有符号字节除法：ALAXr8/m8的商，AhAXr8/m8的余数IDIV r16/m16；有符号字除法：；AXDX：AXr16/m16的商，DXDX：AXr16/m16的余数第

17、30页/共108页31除法指令的功能 除法指令分无符号和有符号除法指令 除法指令的除数显式给出，隐含使用另一个操作数AX和DX作为被除数 字节量除法：AX除以r8/m8，8位商存入AL，8位余数存入AH 字量除法：DX.AX除以r16/m16，16位商存入AX，16位余数存入DX 除法指令对标志没有定义 除法指令会产生结果溢出第31页/共108页32除法错中断 当被除数远大于除数时，所得的商就有可能超出它所能表达的范围。如果存放商的寄存器AL/AX不能表达，便产生溢出，8086CPU中就产生编号为0的内部中断除法错中断。 对DIV指令，除数为0，或者在字节除时商超过8位，或者在字除时商超过16

18、位，则发生除法溢出； 对IDIV指令，除数为0，或者在字节除时商不在-128127范围内，或者在字除时商不在-3276832767范围内，则发生除法溢出。第32页/共108页33mov ax,0400h；ax=400h=1024mov bl,0b4h；bl=b4h=180div bl；商al05h5；余数ah7ch124mov ax,0400h；ax=400h=1024mov bl,0b4h；bl=b4h=76idiv bl；商alf3h13；余数ah24h36第33页/共108页34(2) 增量型PID算法的程序设计第k次采样增量型PID表达式： PIDU kUkUkUk 1212PpIID

19、pUkKE kE kUkK E kUkKE kE kE k优点：限制 ，防止控制增量过大，对系统稳定有利。 U k第34页/共108页35数字数字PID控制器算法的改进控制器算法的改进数字PID算法相对与模拟PID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。l 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 上有延滞。l 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 误差。第35页/共108页361、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

20、及影响 a. 原因原因由于执行器的限制和积分项的存在，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； 当被调量接近设定值时，再加入积分作用，以减小静差当被调量接近设定值时，再加入积分作用，以减小静差即：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 umax? 结束 Y N 计算偏差 ek uk-1umin ek0 Y N

21、 把比例、积分、微分项相加得出控制量uk 开始 N Y 第38页/共108页392、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PID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。 第39页/

22、共108页40(2) 微分先行PID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 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 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。 T2s+1 aT2s+1 K1 sTK11 M(s) 比例 E(s) V(s) 积分 U(s) + + ) 2() 1()() 2() 1()(43210kekekekukuku第40页/共108页41(3) 不完全微分

23、PID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；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； 111/dpiddT sG sKTsT s K其中：Kd微分增益，3Kd B 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；l e B 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Bl B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；l B过小过小产生很大的误差和

24、滞后。产生很大的误差和滞后。第42页/共108页43(2) 砰砰PID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、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。e Q 时 采用砰砰控制，加快响应速度。可调参数Q过大砰砰控制范围大，过渡过程时间短，超调量较大；可调参数Q过小砰砰控制范围小，过渡过程时间长，超调量较小；b. 砰砰

25、砰砰PID复合控制复合控制 第43页/共108页44数字数字PID控制器的参数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 地恢复到原来的连续信号；地恢复到原来的连续信号； (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

26、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)所使用的所使用的算法算法及及执行机构执行机构的类型的类型l 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；l 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。 第44页/共108页45d. 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(4) 采样周期采样周

27、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 据被控对象的实际控制效果，再反复改变采样周期，直到满据被控对象的实际控制效果，再反复改变采样周期，直到满 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18s第45页/共108页462、扩充临界比例度法、扩充

28、临界比例度法 整定步骤：(1) 选择一个足够短的采样周期Tmin;(2) 求出临界比例度u和临界振荡周期Tu;(3) 选择控制度(4) 根据控制度，查表4-3即可求出T、KP、TI和TD的值。 2020DDCEt dtEt dt模拟控制度第46页/共108页47控制度控制度控制规律控制规律TKpTiTd1.05PI PID0.03 Tu 0.014 Tu0.53 u0.63 u0.88 Tu0.49 Tu0.14 Tu1.2PI PID0.05 Tu 0.043 Tu0.49 u0.47 u0.91 Tu0.47 Tu0.16 Tu1.5PI PID0.14 Tu 0.09 Tu 0.42 u

29、0.34 u0.99 Tu0.43 Tu0.20 Tu2.0PI PID0.22 Tu 0.16 Tu0.36 u0.27 u1.05 Tu0.40 Tu0.22 Tu模拟调节器模拟调节器PI PID0.57 u0.70 u0.83 Tu0.50 Tu0.13 Tu临界比例度临界比例度PI PID0.45 u0.60 u0.83 Tu0.50 Tu0.125 Tu表4.3 扩充临界比例度整定T,Kc,Ti,Td第47页/共108页483、扩充响应曲线法、扩充响应曲线法 整定步骤：整定步骤：(1)断开数字调节器，使系统在手动状态下断开数字调节器，使系统在手动状态下工作。当系统在给定值处平衡后，给

30、一工作。当系统在给定值处平衡后，给一阶跃输入，图阶跃输入，图4-14(a)；(2) 记录被调参数在阶跃作用下的变化过程记录被调参数在阶跃作用下的变化过程曲线曲线(即飞升特性曲线即飞升特性曲线)，图，图4-14(b)；(3) 在曲线最大斜率处做切线，求得被控对在曲线最大斜率处做切线，求得被控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) 根据所求得的根据所求得的，和和/的值，查表的值，查表4-4即即可求得控制器的各参数。可求得控制器的各参数。 图4-14 广义特性飞升曲线 t 阶跃信号 u u(t) t y y(t) (a)阶跃信号 (b)反应曲线 稳态值 第48页/共108页

31、49控制度控制度控制规律控制规律TKpTiTd1.05PI PID0.10.05 0.84/1.15/ 3.42.0 0.45 1.2PI PID0.2 0.16 0.78/1.0/3.61.90.55 1.5PI PID0.50.340.68/0.85/3.91.62 0.65 2.0PI PID0.80.6 0.57/0.6/ 4.21.50.82 模拟调节模拟调节器器PI PID0.9/1.2/ 3.32.00.4 临界比例临界比例度度PI PID0.9/1.2/ 3.32.00.5 表表4.4 4.4 扩充响应曲线法整定扩充响应曲线法整定T T和和KpKp、TiTi、TdTd第49页/

32、共108页504、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，即其中：K=y/u为相对增益；为惯性时间常数；为纯滞后时间。(2) 计算公式sesKsG1)(dPBAKK1dICT0DT5,2TTd 表 4-5 性能指标 A B C 5%超调 0 13/25 0 1%超调 0 3/7 0 最小 IAE 3/10 3/10 4/10 第50页/共108页51例：已知某一阶滞后被控对象的参数为K=1.47，=750秒，=50秒。1、按扩充响应曲线法求得当控制度=1.05时，PID控制器参数为：T=2.5，KP=17.25，TI=100，TD=22.5。2、按D. M.

33、 Bain方法，当T=5秒时，按最小IAE 指标选择PID控制器参数为：KP=3.1，TI=771。第51页/共108页52仿真结果PID控制器参数为：T=2.5，KP=17.25，TI=100，TD=22.5。第52页/共108页53最小IAE 指标选择PID控制器参数为：KP=3.1，TI=771。第53页/共108页54试凑法 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PID控制器中的三个调节参数。 (1)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小稳态误差。但过大的比例系数

34、会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统的稳定性变坏；(2)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，但减慢系统消除稳态误差过程；第54页/共108页55(3)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，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；参数的调整步骤先比例，后积分，再微分的整定步骤，即： 先整定比例部分：将比例系数KP由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、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

35、数也由此确定。第55页/共108页56 如果在比例调节的基础上系统的稳态误差不能满足设计要求，则须加入积分环节。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到的比例系数KP缩小一些（比如取原来的80%），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KP和积分时间系数TI从而实现满意的控制过程和整定参数。 如果使用比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不尽满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。在整定时，可先置微分时间系数TD为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数TD，同时相

36、应地改变比例系数KP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。第56页/共108页574.2 串级控制基本原理1、串级控制系统的基本概念(1)串级控制系统中有两个控制器(主控制器和副控制器)，主控制器的 输出作为副控制器的给定值；(2) 双回路控制系统a. 副回路的组成副控制器+副对象；b. 主回路的组成副回路+主对象+主控制器；(3) 串级控制目的保证主被控量稳定；第57页/共108页58(4) 相关名词a. 主控制量主导作用的被控制量y1；b. 副控制量为稳定主控制量或因某种需要引入的辅助变量y2；c. 主对象由主被控制量表征其主要特征的生产设备；d. 副对象 副 ；e

37、. 主控制器输入为主被控制量与规定值的偏差e1， 输出为副控制器的设定值u1；f. 副控制器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u2；g. 主回路主对象、主检测变送器、主控制器、外回路；h. 副回路副对象、副检测变送器、副控制器、执行器；第58页/共108页592、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 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；(2) 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

38、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、克服扰动第59页/共108页603、串级控制的优点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；(1) 副回路先调、快调、粗调；(2) 主回路后调、慢调、细调；第60页/共108页61设计举例1、管式加热炉温度串级控制系统(1) 问题提出将石油/重油温度加热到一定温度1；(2) 影响原料油出口温度1扰动因素a.燃料油方面的扰动F2；b.喷油用的过热

39、蒸汽压力波动F4；c.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F3；(3) 串级控制系统a.主回路主被控制量1、主对象为加热炉；b.副回路副被控量2(炉膛温度)、副对象为炉膛检测点至调节阀 之间的设备；第61页/共108页623、串级控制系统的工作过程二次扰动包含于副回路的扰动；一次扰动作用于副回路之外的扰动；(1) 扰动进入副回路a.扰动小时副环可以完全克服此扰动的影响；b.扰动大时副环抢先控制，剩下少量的干扰由主、副环一起控制；(2) 扰动进入主回路a.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， 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 的开度

40、，使主被控量尽快回到设定值；b.优点副回路的存在，加速控制作用；第62页/共108页63(3) 扰动同时作用于主、副回路a.扰动使主、副被控量同方向变化副控制器所接受的偏差为主、副被控量两方向作用之和，偏差值较大，此时副控制器的输出以较大幅度改变调节阀开度，使主被控量尽快向设定值靠近；b.扰动使主、副被控量反方向变化副控制器所接受的偏差为主、副被控量两方向作用之差，其值较小，此时调节阀开度只需较小变化，就可把主被控量调整回来；第63页/共108页643、串级控制系统的特性分析(1) 克服二次扰动的能力强副回路具有快速作用；a.串级控制系统的方框图lGc1(s)、Gc2(s)主、副控制器的传函；

41、lGp1(s)、Gp2(s)主、副对象的传函；lGm1(s)、Gm2(s)主、副变送器的传函；lGv(s)调节阀的传函；lGf2(s)二次扰动通道的传函；第64页/共108页65b.二次扰动经过扰动通道Gf2(s)后 21222122211122221222121211111fpcvpmcvpcpmcvpmfpcvpmcvpmcpGs GsGs Gs Gs GsY sG sGs Gs GsFsGs Gs GsGs Gs Gs GsGs GsGs Gs Gs GsGs Gs Gs Gs Gs Gsc. 单回路控制系统单回路控制系统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

42、减小至0.010.1。 21121fpcvpmGs GsYsGsFsGs Gs Gs Gs第65页/共108页66(2) 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设副回路各环节传函 122pY sGsRs 222222;1ppcvmmpKGsGsKGsKT s 2222222222222222222111111pcvpcvpcvmppppcvmpcvmpKK K KK KT sK K KKYsGsKT sRsK K KT sK K KK令 22222222222,11cvppppcvmpcvmpK K KTKsTsK K KKK K KK 2221pppKGsT s22ppTT副回

43、路的存在起到了改善系统动态特性的作用；第66页/共108页67(3) 串级控制系统有一定的自适应能力a.单回路负荷变化大，控制系数超过工作范围，控制质量下降；b.串级系统负荷变化引起副回路内各环节参数的变化，较少影响 或不影响系统的控制质量；c.串级系统自适应能力分析 2222221cvppcvmpK K KKsK K KKl 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；l 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；第67页/共108页68例：串级控制系统的控制效果 122112211,301 311

44、01111,ppccccIGsGsssssGsKGsKT s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态偏差0.30.11第68页/共108页694.3 大林算法准备知识：(1) 当 时，常规PID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， 造成系统较大的超调和振荡； 大林算法或补偿

45、控制可以取得好的控制效果；(2) 纯滞后系统特点超调量为0或较小，允许较长的调节时间；(3) 纯滞后系统传函一阶惯性环节 、二阶惯性环节 011skeGsTs 01211skeGsTsT s0.5T其中： 滞后时间， T1、T2时间常数，K放大系数第69页/共108页70大林算法的设计原理1、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 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G0(s)滞后时间相同，即其中： 闭环系统的时间常数；2、大林算法的闭环系统的脉冲传函 数字控制器D(z)的脉冲传函T 1seH sT s /1/1/1111111T TNT TT TNez

46、H zD zG zH zG zezez /1/11111T TNssT TezeeHzZssez第70页/共108页71(1) 带纯滞后的一阶惯性环节的大林算法 111111/1/11/1/11/1/1/111/1/11111111111111111T TssNT TT TNT TT TNT TNT TT TT TT TNNT TT TT TekeeG zZkzsT sezzeD zG zezezzeezD zkzeezezezekee/111T TT TNzez第71页/共108页72(2) 带纯滞后的二阶惯性环节的大林算法 121221/1122111/21221111T TT TTTTT

47、 TT TCT eT eTTCeT eT eTT其中： 12121112/1112/11/11121111111111ssT TT TT TT TT TT TT TNCC zzekeG zZksTsT sezezezeezD zk CCezez第72页/共108页73振铃现象及其消除1、振铃现象的相关概念(1) 振铃现象数字控制器的输出u(kT)以接近0.5fs的频率大幅度波动；(2) 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， 加速磨损；(3) 衡量振铃现象强烈程度振铃幅度RA；(4) 振铃幅度RA数字控制器在单位阶跃输入作用下，第0次输出幅度与 第一次输出幅度之差，即RA=

48、u(0)-u(T)；第73页/共108页74(5) 振铃现象的产生U(z)含Z平面内左半平面接近z=-1的极点；a.距离z=-1越近，振铃幅度RA越大；b.U(z)中单位圆内右半平面的零点会加剧振铃现象；c.U(z)中单位圆内右半平面的极点会消弱振铃现象；(6) 大林算法消除振铃现象的方法a.先找出D(z)中引起振铃现象的极点的因子；b.令因子的z=1，可消除极点；第74页/共108页752、例1：若数字控制器试求在单位阶跃输入作用下的振铃幅度RA。 11231111 0.51(3)1 0.20.50.37.11 0.51 0.201 0.20.8zU zD z R zzzzzzzRAuu T

49、 1111111110.5,10.510.510.210.510.2zD zzzzzz 12311111(2)1 0.70.890.803.11 0.51 0.201 0.7 0.3U zD z R zzzzzzzRA uu T 1231111(1)1 0.50.750.625.1 0.5101 0.50.5U zD z R zzzzzzRAuu T 第75页/共108页76例2：已知被控对象的传函 ，采样周期T=0.5s，所期望 的闭环传函的时间常数为0.5s，试用大林算法设计数字控制器D(z)， 并分析是否产生振铃现象，若有则消除。解: (1) 广义被控对象的脉冲传函G(z) 2.5101

50、sG ses s 2.5152160.5126111110110 1111110|111.061 0.85811 0.606TssTTTTsTTeU zZezz Zss sssTeeTezzeze zzzzz第76页/共108页77(2) 系统的闭环传函(3) 判断是否出现振铃现象 /12.5/115 1616111111110.5 ,0.5510.6321 0.3680.632111 0.3681 0.368T TNTssT TezeeH zZsT sezTs TNezzzzH zH ze zzz 1161161112341111 0.6060.63211 0.36811.061 0.858

51、0.596 1 0.6060.5960.650.5120.40.186.1 0.3681 0.85801 0.5960.404R zH zU zG zzzR zH zzU zG zzzzzzzzzzzzRAuu T 存在振铃现象第77页/共108页78(4) 数字控制器D(z) 116111661111611111 0.60610.6321 0.36811 0.3681 0.3680.6321.061 0.8580.632 1 0.6061 0.6061.06 1 0.3680.6321 0.8581 0.8580.632 1 0.6061 0.606zzH zzzD zG zH zzzzzz

52、zzzzzzzD z令极点因子中 z=11163.03 1 0.3680.632zzz第78页/共108页794.4 数字控制器设计方法连续对象的离散化方法数字控制器的离散设计方法最少拍控制第79页/共108页80准备知识：(1) 数字控制系统设计基于被控对象数学模型已知的情况下，用控制理 论的方法设计出数字控制器，使控制系统满足一 定的性能指标；(2) 计算机控制系统组成连续部分(保持器、控制对象)、离散部分；(3) 计算机控制系统的设计方法a.离散设计方法将被控对象和保持器组成的连续部分离散化，直接应 用离散控制理论进行分析和综合，设计出满足控制指 标的离散控制器，由计算机实现；b.连续设

53、计方法忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在s域 中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后 将连续控制器变换成离散控制器，由计算机实现。第80页/共108页81连续对象的离散化方法1、冲激响应不变法2、零阶保持器法3、双线性变换法4、零极点匹配法第81页/共108页821、冲激响应不变法(1) 定义离散环节G(z)的单位冲激响应h(kT)与连续环节G(s)的单位脉冲 响应h(t)的采样点的值相等；(2) 设计步骤a.计算单位脉冲响应 ；b.将h(t)按采样周期T离散化求得离散序列h(kT)；c.离散传函 1h tLG s 0kkG zZ h kTh k z第82页/共108页83例1

54、：试离散化连续环节 ，求 G(z)。解：例2：试离散化连续环节 ，求 G(z)。解： 11(1)(2)(3)atakTakTaTkh tLG sLkesah kTkekzGzZh kTZkeze kG ssa kG ssasb 11111(1)(2)(3)atbtakTbkTaTbTaTbTaTbTkkh tLG sLLsasbbasasbkeebakh kTeebaz eekzzkG zZ h kTbazezebazeze第83页/共108页84例3：试离散化连续环节 ，求 G(z)。解：(3) 冲激响应法实质z变换法； 即s平面左半平面对应z平面单位圆内； 采样周期的选择满足香农采样定理；

55、 11111(1)(2)(3)1atakTakTaTah tLG sLLu tes sassah kTu kTezzG zZ h kTZ u kTezze aG ss sasTze第84页/共108页852、零阶保持器法(1) 原理例：已知带有零阶保持器对象 ，求 G(z)。 *11111sThsTeG sG s G sG ssG sG sG seG zZ G sZG sZZzzZssss aG ssa 111111111111aTaTaTG saG zzZzZss sazzezZzssazzeze第85页/共108页863、双线性变换法(1) 原理例1： 双线性变换求 G(z)。解：例2：

56、双线性变换求 G(s)。解：1 0.5211 0.51TszzsTsT z aG ssa 2111|21221zsT za zaG zG szaa zaT zTT 12121123zzG zzz 2221 0.52221 0.510.510.511210.510.5|248210.510.512310.510.5TszTsTsTsT sTsTsG sG zTsT sTsTsTsTs第86页/共108页87(4) 双线性变换法的主要特点a.方法简单，容易计算，适用于G(s)或G(z)分子、分母已展成多项式情形；b.不改变系统的稳定性，无混叠效应；c.当采样周期T足够小时，有较高的变换精度。第87

57、页/共108页884、零极点匹配法(1) 原理 利用 关系将s平面的零、极点一一对应地映射到z平面的零、极点。(2) Kz 的选择使得在某次特征频率G(s)与G(z)具有同样的增益； 1212smnkszszszG snmspspsp 01|szG sG zsTze 12121mnn mz Tz Tz Tzp Tp Tp TkzezezezG zzezeze第88页/共108页89数字控制器的离散设计方法解析设计法 111Y zD z G zH zR zD z G zH zD zG zH z数字控制器 degdegB zG zA zB zA z1、可实现性设若 degdegS zD zR zS

58、 zR z物理可实现则 11mmS zB zD z G zR zA zS z B zBzH zS zB zD z G zR z A zS z B zAzR zA z第89页/共108页90 设A0为分子、分母相抵消的多项式 00000degdegdegdegdegdegdegdegdegdegdegmmmmmA zR zS zB zAzAzB zS zAzBzA zR zS zB zA zR zAzAzR zAzAzA zS zAzBzB z同理： 00degdegdegdegdegdegdegdegdegdegmmmmAzAzA zAzBzB zAzBzA zB z整理可得：即：若对象传函的

59、分母比分子高d阶，则H(z)的分母比分子至少高d阶。第90页/共108页912、稳定性 1mmmmmmmmD z G zBzHzD z G zAzBzA zBzSzD zB zAzBzR zG zAzBz 11121112,S zAz SzB zBz BzD zG zR zBz RzA zAz Az 110S zB zD z G zR z A zS z B zR zA z 通常D(z)可能会抵消G(z)的一部分甚至全部零极点闭环系统的特征方程:第91页/共108页92 整理可得： 111212110Bz Rz Az AzBz Bz Az Sz为保证稳定性，为保证稳定性，D(z)不能抵消不能抵消

60、G(z)中位于单位圆上或单位园外的零极中位于单位圆上或单位园外的零极点，即设定点，即设定H(z)时应满足的条件：时应满足的条件：(1)Bm(z)中应包含因子中应包含因子B-(z);(2)Am(z)-Bm(z)中应包含因子中应包含因子A-(z);第92页/共108页933、稳态精度的要求闭环系统传函单位阶跃输入若要求闭环系统为I型系统 1Y zH zE zR zY zR zH zR z 11lim1lim11111zzzezE zzH zHz 10|1zeH z 11limzvdH zT kdz 第93页/共108页944、动态性能的要求(1) 一阶主导极点模型z=a为一阶主导极点； 其中：T采