05.散热器实验台的控制系统2课案

1、1目录目录n第第1章章 绪论绪论o 恒温水箱通断控制实验恒温水箱通断控制实验n第第2章章 恒温水箱通断控制恒温水箱通断控制n第第1次讨论课：恒温水箱通断控制次讨论课：恒温水箱通断控制n第第3章整体式恒温恒湿机组的控制章整体式恒温恒湿机组的控制n第第2次讨论课：整体式恒温恒湿机组的控制次讨论课：整体式恒温恒湿机组的控制n第第4章章 散热器实验台的控制散热器实验台的控制1、2n第第3次讨论课：次讨论课： 散热器实验台的控制散热器实验台的控制n第第5章章 空调系统的控制调节空调系统的控制调节1 、2n第第4次讨论课：空调系统的控制调节次讨论课：空调系统的控制调节n第第6章章 冷热源与水系统的控制冷热

2、源与水系统的控制1 、2n第第7章章 通信网络技术通信网络技术n第第8章章 建筑自动化系统建筑自动化系统n第第5次讨论课：动手操作次讨论课：动手操作第第4章章 散热器实验台的控制系统散热器实验台的控制系统3主要内容主要内容1. 采暖散热器性能实验台介绍采暖散热器性能实验台介绍2. 单回路闭环调节的相关概念单回路闭环调节的相关概念3. 比例调节器的调节特性比例调节器的调节特性4. PID调节器的调节特性调节器的调节特性5. PID调节的实际工程中的问题调节的实际工程中的问题6. 其他单回路闭环调节过程其他单回路闭环调节过程43.PID调节器调节器o PIDPID基本概念基本概念n Proport

3、ionalProportional（比例）（比例）n IntegralIntegral（积分）（积分）n DerivativeDerivative（微分）（微分）53.1 积分调节积分调节o 积分调节的输出正比于历史上的偏差的积分积分调节的输出正比于历史上的偏差的积分o 开始时，虽然偏差大，但积分时间短，输出开始时，虽然偏差大，但积分时间短，输出量小量小o 达到设定值时，虽然没有偏差，由于历史上达到设定值时，虽然没有偏差，由于历史上存在偏差，仍然有输出存在偏差，仍然有输出0( )( )IsetQKttd IK：积分放大系数，：积分放大系数，WW/(/(k.sk.s) )调节缓慢调节缓慢可消除静

4、差可消除静差63.1 积分调节积分调节o 三阶系统的积分放大系数的影响三阶系统的积分放大系数的影响tw1120s+1th41100 s+1th21300 s+1k/u1-K-Scope 2Q160Integrator 11sn 积分作用大，调节快，积分作用太强会导致振荡甚至发散积分作用大，调节快，积分作用太强会导致振荡甚至发散73.1 积分调节积分调节o 典型积分控制例：调节阀门开度控制水流量典型积分控制例：调节阀门开度控制水流量o 积分调节用于控制混水温度积分调节用于控制混水温度()vIsetdkKGGd 0()vIsetKKGG d 混合水从混水阀流动到温度传感器的时间延迟，混合水从混水阀

5、流动到温度传感器的时间延迟，可能造成振荡可能造成振荡83.1 积分调节积分调节o 比例、积分调节共同使用时比例、积分调节共同使用时n 开始时，偏差大，比例输出大，虽然积分开始时，偏差大，比例输出大，虽然积分输出小，总输出大输出小，总输出大n 达到设定值时，虽然比例输出为达到设定值时，虽然比例输出为0 0，仍然，仍然有积分输出有积分输出o 比例积分调节的拉氏变换比例积分调节的拉氏变换01( )( )( )setsetIQK ttttdT IT：积分时间，：积分时间，s s调节快调节快消除静差消除静差1( )1( )setIQ sKtt sT s 93.1 积分调节积分调节o 二阶系统的二阶系统的

6、PIPI调节调节111()111setIhwttt KT s T sT s(1)(1)(1)(1)IsetIhwIK T sttT s T sT sK T s0 即时，setstt 103.2 微分调节微分调节o 微分调节的输出为偏差的一阶微分与一个负微分调节的输出为偏差的一阶微分与一个负常数的乘积常数的乘积o 微分调节的特性微分调节的特性n 加快调节速度，更快地达到设定值加快调节速度，更快地达到设定值n 抑制外界干扰抑制外界干扰n 减少时滞减少时滞带来的影响带来的影响n 式中无式中无tset, , 不能使系统达到设定值不能使系统达到设定值( )DdtQKd DK：微分系数，：微分系数，W/(

7、k/s)W/(k/s)113.2 微分调节微分调节o 比例、微分调节比例、微分调节o 二阶系统的比例微分调节二阶系统的比例微分调节()( )()()setsetDsetDd ttdtQK ttKK ttKdd DT：微分时间，：微分时间，s s( )(1)( )(1)( )DsetDsetKQ sKs tt sKT s tt sK拉氏变换：拉氏变换：Transfer Fcn 13120s+1Transfer Fcn 121900 s+1Td 1-K-Step 1Scope 9Derivative 6du/dtAdd11/Uh-m777123.2 微分调节微分调节o 二阶系统的比例微分调节二阶系

8、统的比例微分调节1111( )(1)()1111DsetwhwhtQ sKT s ttT sT sT sT s(1)(1)(1)(1)DsetwhDKT sttT sT sKT sn s=0=0时，稳定解为时，稳定解为1setKttK比例微分调节不能消除静差比例微分调节不能消除静差n s的一次项增加了的一次项增加了TD项，项， 变为变为2(1)(1)hwDhwhwTTKTT TKK 产生振荡的可能减小、衰减速度增加、超调量减小产生振荡的可能减小、衰减速度增加、超调量减小133.2 微分调节微分调节o 二阶系统的比例微分调节二阶系统的比例微分调节143.3 PID调节器调节器o PIDPID调节

9、器的输出调节器的输出1( )(1)()DsetIQ sKT s ttT sTransportDelay 3Transfer Fcn 41100 s+1Td 10-K-Scope 8Integrator 31sDerivative 5du/dtConstant 460Add1/Uh-m6101/Ti 1-K-153.3 PID调节器调节器n 不同的不同的PIDPID参数，可以是系统处参数，可以是系统处 阻尼、欠阻尼、发散状态阻尼、欠阻尼、发散状态163.3 PID调节器调节器o PIDPID参数的整定参数的整定确定适用于被控系统的确定适用于被控系统的PIDPID参数的过程参数的过程o PIDPI

10、D参数整定的一般原则参数整定的一般原则n 在输出不振荡时，增大比例系数在输出不振荡时，增大比例系数K K。 n 在输出不振荡时，减小积分时间常数在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti Ti。 n 在输出不振荡时，增大微分时间常数在输出不振荡时，增大微分时间常数TdTd。173.3 PID调节器调节器o PIDPID参数整定的方法参数整定的方法n尝试法尝试法l 比例系数比例系数K K： 先令先令Ti=0Ti=0、Td=0Td=0，输入设定为系统允，输入设定为系统允许的最大值的许的最大值的60%70%60%70%，由，由0 0逐渐加大比例系数，逐渐加大比例系数，直至系统出现振荡；再反过来，逐渐减小比

11、例系数，直至系统出现振荡；再反过来，逐渐减小比例系数，直至系统振荡消失，设定比例系数为当前值的直至系统振荡消失，设定比例系数为当前值的60%70%60%70%l 积分时间积分时间Ti Ti：同比例系数的调节过程，取不使系统：同比例系数的调节过程，取不使系统振荡时的值的振荡时的值的150%180%150%180%l 微分时间微分时间TdTd：同比例系数的调节过程，取不使系统：同比例系数的调节过程，取不使系统振荡时的值的振荡时的值的30%30%；很多情况下，可以不使用微分；很多情况下，可以不使用微分调节，即令调节，即令Td=0Td=0183.3 PID调节器调节器o PIDPID参数整定的方法参数

12、整定的方法n飞升曲线法飞升曲线法（以散热器实验台小室控制为例）（以散热器实验台小室控制为例）l 开加热器，投入开加热器，投入1kW1kW热热量，得到升温曲线量，得到升温曲线l 找到二阶导数为找到二阶导数为0 0的拐点的拐点l 过拐点作升温曲线的切过拐点作升温曲线的切线，得到与稳定温度线、线，得到与稳定温度线、初始温度线的交点初始温度线的交点l 交点对应的两个时间分交点对应的两个时间分别代表纯失滞别代表纯失滞和当量时和当量时间常数间常数Tp193.3 PID调节器调节器o PIDPID参数整定的方法参数整定的方法n飞升曲线法飞升曲线法（以散热器实验台小室控制为例）（以散热器实验台小室控制为例）l

13、 ZiegleZiegle-Nichols-Nichols经验公式经验公式2IT 1.2, ppQQTtKKKQ 0.5DT 203.3 PID调节器调节器o PIDPID参数整定的方法参数整定的方法n飞升曲线法飞升曲线法（以散热器实验台小室控制为例）（以散热器实验台小室控制为例）l ZiegleZiegle-Nichols-Nichols经验公式经验公式213.3 PID调节器调节器o PIDPID参数的自整定参数的自整定n自动整定（自动整定（Auto-tuningAuto-tuning）n在线自校正（在线自校正（Self-tuning onlineSelf-tuning online）o

14、PIDPID参数的自整定方法参数的自整定方法n辨识法：对于模型结构已知，模型参数未知的对象，辨识法：对于模型结构已知，模型参数未知的对象，采用系统辨识的方法得到过程模型参数采用系统辨识的方法得到过程模型参数n规则法：基于规则的自整定方法，根据所利用的经规则法：基于规则的自整定方法，根据所利用的经验规则的不同，又可分成采用临界比例度原则的方验规则的不同，又可分成采用临界比例度原则的方法、采用阶跃响应曲线的模式识别方法和基于模糊法、采用阶跃响应曲线的模式识别方法和基于模糊控制原理的方法等。控制原理的方法等。1. 何离庆，过程控制系统与装置2. 王 伟,张晶涛.PID参数先进整定方法综述J.自动化学

15、报，2000,26(3):347-355224 PID调节的实际工程特点调节的实际工程特点o 比例带（比例带（proportional bandproportional band）n 实际设备出力的限制使系统只在一定范围内实际设备出力的限制使系统只在一定范围内可以实现比例输出可以实现比例输出n =Q=Q0 0/K/K，称为比例带，称为比例带n 00TsetTset-t-t 时为比例调节时为比例调节n 小到低于回差时小到低于回差时n 非对称性（无负的加热量）非对称性（无负的加热量）变成通断调节变成通断调节234 PID调节的实际工程特点调节的实际工程特点o 振荡与发散振荡与发散n 实际设备出力的

16、限制使系统不会出现发散实际设备出力的限制使系统不会出现发散n 会出现振荡需要精心调节会出现振荡需要精心调节PIDPID参数，避免振荡参数，避免振荡o 积分饱和问题积分饱和问题n 实际设备出力的限制使系统出力小于实际设备出力的限制使系统出力小于PIDPID控制控制器的要求输出，被控参数与设定值的偏差使器的要求输出，被控参数与设定值的偏差使得积分输出不断增大。得积分输出不断增大。n 当被控参数向相反方向偏离设定值时，积分当被控参数向相反方向偏离设定值时，积分输出开始减少，由于原来累积的积分量太大，输出开始减少，由于原来累积的积分量太大，需要较长时间才能消除原积分累积量需要较长时间才能消除原积分累积

17、量244 PID调节的实际工程特点调节的实际工程特点o 积分饱和问题的解决方法积分饱和问题的解决方法n 差分形式的差分形式的PIDPID调节算式。调节算式。1() setDIdtQKtttTTd PIDPID的输出变成对实际输出的输出变成对实际输出QQ的增量的增量 QQ消除了输出不断累积增大的现象消除了输出不断累积增大的现象254 PID调节的实际工程特点调节的实际工程特点o 噪声对微分调节的影响噪声对微分调节的影响n 传感器的输出受干扰带有噪声，这些噪声不传感器的输出受干扰带有噪声，这些噪声不代表被控对象的物理变化代表被控对象的物理变化n 噪声使传感器的输出信号的变化率大，引起噪声使传感器的

18、输出信号的变化率大，引起微分输出量大微分输出量大o 消除噪声的影响的方法消除噪声的影响的方法n 采用滤波的方法，消除噪声采用滤波的方法，消除噪声l 滑动平均滤波滑动平均滤波01 NkkyxN264 PID调节的实际工程特点调节的实际工程特点o 数字控制的问题数字控制的问题n PIDPID调节器由模拟电动的连续调节，发展为基调节器由模拟电动的连续调节，发展为基于计算机程序的离散控制于计算机程序的离散控制n 时间步长成为一个重要的参数时间步长成为一个重要的参数n 香农（香农（ShannonShannon）采样定理：只有变化周期）采样定理：只有变化周期为采样周期两倍及以上的信息才能被离散采为采样周期

19、两倍及以上的信息才能被离散采样方式得到样方式得到274 PID调节的实际工程特点调节的实际工程特点o 数字控制的问题数字控制的问题n 离散离散PIDPID调节器调节器21()2DsetITQQK tttttttT 21()12()() DDDsetsetsetITTTQQKttKttKttT n 各偏差项的系数，与各偏差项的系数，与PIDPID参数及时间步长有关参数及时间步长有关n 修改时间步长，必须相应修改修改时间步长，必须相应修改PIDPID参数参数n 设定值修改后，历史时刻的偏差应为与新设定值的偏差设定值修改后，历史时刻的偏差应为与新设定值的偏差，setsettttt284 PID调节的

20、实际工程特点调节的实际工程特点o 控制系统的鲁棒性（控制系统的鲁棒性（RobustnessRobustness）n 当系统的时间常数、失滞时间变化时当系统的时间常数、失滞时间变化时0/()pTcGcUn 要求控制算法要有较好的普适性（鲁棒性）要求控制算法要有较好的普适性（鲁棒性）n 通断调节有较好的鲁棒性通断调节有较好的鲁棒性n 自适应（自整定）自适应（自整定）PIDPID参数，获取好的鲁棒性参数，获取好的鲁棒性295. 其他单回路闭环控制调节方法其他单回路闭环控制调节方法o 模糊控制模糊控制n 模拟人根据经验进行控制调节方法模拟人根据经验进行控制调节方法n 确定模糊规则确定模糊规则温度偏差温

21、度偏差温度变化温度变化水温过低水温过低水温较低水温较低水温正好水温正好水温较高水温较高水温过高水温过高快速升温快速升温维持加热量缓慢减少快速减少停止加热停止加热缓慢升温缓慢升温缓慢增加维持加热量缓慢减少快速减少停止加热基本稳定基本稳定快速增加缓慢增加维持加热量缓慢减少快速减少缓慢降温缓慢降温全部投入快速增加缓慢增加维持加热量缓慢减少快速降温快速降温全部投入全部投入快速增加缓慢增加维持加热量305. 其他单回路闭环控制调节方法其他单回路闭环控制调节方法o 模糊控制模糊控制n 系统状态模糊化系统状态模糊化：n 利用利用隶属函数辨识隶属函数辨识l将水温状态根据隶属函数，将水温状态根据隶属函数，模糊化

22、为五个状态模糊化为五个状态l将水温变化模糊化为五个将水温变化模糊化为五个状态状态l根据模糊控制规则得到模根据模糊控制规则得到模糊输出糊输出l将模糊输出根据清晰化表将模糊输出根据清晰化表清晰化为具体的设备输出清晰化为具体的设备输出“全部投入”：投入全部加热量；“快速增加”：当目前加热量小于全部容量的50%时，增加全部容量的25%；已有加热量等于或大于全部容量的50%时，增加已有容量的50%；“缓慢增加”：当目前加热量小于全部容量的50%时，增加全部容量的12.5%；已有加热量等于或大于全部容量的50%时，增加已有容量的25%；“维持加热量”：加热量输出不变；“缓慢减少”：当目前加热量大于全部容量的50%时，减少已有容量的12.5%；已有加热量等于或小于全部容量的50%时，减少全部容量的25%；“快速减少”：当目前加热量大于全部容量的50%时，减少已有容量的25%；已有加热量等于或小于全部容量的50%时，减少全部容量的25%。“停止加热”：停掉全部加热量。李友善,李 军. 模糊控制理论及其在过程控制中的应用M. 北京：国防