计算机控制系统PPT_3滤波控制策略基础与串级ok

1、2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略12022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略22022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略32022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略42022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略5计算机控制系统是采样系统计算机控制系统是采样系统提高信号的可靠性提高信号的可靠性合理性的判别与滤波合理性的判别与滤波进行线性化处理进行线性化处理软测量的基本思想软测量的基本思想2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略6 设某通道当前采样值为设某通道当前采样值为y(k)yL y(k)yH 时时; y(k)为当前采样有效

2、值为当前采样有效值 (上限值上限值)，报警，报警 y(k)y0, 则 y(k)=y(k-1)2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略15适用于周期性干扰；适用于周期性干扰；适用于纯滞后较大适用于纯滞后较大的过程；的过程； 适用于偶然适用于偶然出现的脉冲干扰；出现的脉冲干扰； 适用于高频干扰。适用于高频干扰。2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略16经过处理后，可直接引用采样数据。经过处理后，可直接引用采样数据。线性化处理：线性化处理：(1)孔板差压与流量孔板差压与流量 (2)热电偶的热电势与温度热电偶的热电势与温度校正运算：如温度补偿校正运算：如温度补偿测量值与工程量

3、的转换：测量值与工程量的转换： (1)线性值公式；线性值公式；(2)开方值转换公式；开方值转换公式；(3)热电偶与热电阻公式热电偶与热电阻公式2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略17实际生产过程中，一些重要质量指标变量如实际生产过程中，一些重要质量指标变量如精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体浓度等浓度等都难以直接测量，以前的解决方法：都难以直接测量，以前的解决方法：（1）采用间接的质量指标：如温度控制）采用间接的质量指标：如温度控制（2）采用在线分析仪表）采用在线分析仪表2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略18选择与被估

4、计变量选择与被估计变量的一组可测变量，构的一组可测变量，构造出某种以可测变量为造出某种以可测变量为、被估计变量为、被估计变量为的的，用计算机，用计算机的重要的重要过程变量的过程变量的。这类这类的计算机的计算机被称为被称为软软测量器测量器或或“软仪表软仪表”。2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略19软测量建模方法软测量建模方法模型实时演算的工程化实施技术模型实时演算的工程化实施技术模型自校正（模型维护）技术模型自校正（模型维护）技术软测量是实用性的应用技术，它以软测量模软测量是实用性的应用技术，它以软测量模型在线运算并给出准确的估计值为目标型在线运算并给出准确的估计值为目标),(

5、*1txyudfx 2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略202022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略212022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略222022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略23u标准的模拟标准的模拟PIDPIDu式中：式中：KKc c、T Ti i、T Td d 分别为模拟调节器的比分别为模拟调节器的比例增益、积分时间和微分时间例增益、积分时间和微分时间, , u u0 0为偏差为偏差 e=e=0 0 时的调节器输出时的调节器输出, , 又称之为又称之为。00)()(1)()(udttdeTdtteTteKtudtic2022

6、-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略24对PID控制器中三个环节的作用总结如下： （1）比例环节的作用：能迅速反映偏差，从而减小偏差，但不能消除静差， 的加大，会引起系统的不稳定。 （2）积分环节的作用：只要系统存在偏差，积分环节就会产生控制作用减小偏差，直到最终消除偏差，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。 （3）微分环节的作用：有助于系统减小超调，克服振荡，加快系统的响应速度，减小调节时间，从而改善了系统的动态性能。但 过大，会使系统出现不稳定。pKdT2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略25u采样周期采样周期与与控制周期控制周期的概念的概念u模拟模

7、拟PIDPID调节规律的离散化调节规律的离散化在控制器的采样时刻在控制器的采样时刻 t=kt=kT T时时因此，因此，如下式如下式kjjTeedt0)(Tkekedtde) 1()(00) 1()()()()(ukekeTTjeTTkeKkudkjic2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略26 00) 1()()()()(ukekeKjeKkeKkudkjiciciTTKKTTKKdcd2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略27由积分项由积分项 的存在所产生的存在所产生由由 可得可得kiie1)() 1()()(kukuku) 2() 1(2)()() 1()(ke

8、kekeTTkeTTkekeKdic2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略28算法的算法的是编程简单是编程简单, , 数据可以数据可以递推使用递推使用, , 占用内存少占用内存少, , 运算快。运算快。算法得到算法得到 k k 采样时刻计算机的采样时刻计算机的为为)2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkudic)() 1()(kukuku2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略29 微分的作用微分的作用理想微分的理想微分的PIDPID算法算法模拟调节器实现的微分作用模拟调节器实现的微分作用理想微分作用的实际缺陷理想微分作用的实际缺陷202

9、2-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略30在单位阶跃输入时在单位阶跃输入时, , 它们输出的控制作用它们输出的控制作用 (A) 积积分分项项 比比 例例 项项 u 0 1 2 3 4 5 3 7 8 kT 微微 分分 项项 比比 例例 项项 u 0 1 2 3 4 5 3 7 8 kT项项 (B) 微微积积分分分分项项2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略31其区别在于实际微分多了个一阶惯性环节，其区别在于实际微分多了个一阶惯性环节，即如图所示即如图所示图中图中因为因为u(t)为理想为理想PID的输出，的输出，Gf(s)是一阶惯是一阶惯性环节性环节理想理想PIDU(s)E

10、(s)Gf(s)U(s) 实际微分实际微分PID控制算法示意框图控制算法示意框图11)(sTsGff2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略32)/(ffTTTa ，)()()()()(1)()( 0tutudttduTdttdeTdtteTteKtufdtic)()1 () 1()(kuakauku)1()()()()( 0kekeTTieTTkeKkudkiic2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略33实际微分增量型控制算式实际微分增量型控制算式Gf(s)为为一阶超前一阶超前/ /一阶滞后一阶滞后环节环节, ,或将或将作用改为作用改为微分微分/ /一阶惯性一阶惯性

11、环节环节)( )1 () 1()(kuakuaku) 1()()()()( kekeTTkeTTkeKkudic2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略34：避免因避免因给控制系给控制系统带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。统带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。：只对只对( (被控量被控量) )进行微分进行微分, , 而不对而不对偏差微分偏差微分, , 也即对给定值无微分作用。也即对给定值无微分作用。：正作用正作用反作用反作用)( )()(krkyke)( )()(kykrke2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略35算式中的微分作用算式中的微分作用的微分作用算式

12、则为的微分作用算式则为正作用：正作用：反作用：反作用：)2() 1(2)()(kekekeKkudd)2() 1(2)()(kykykyKkudd)2() 1(2)()(kykykyKkudd2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略36 U(s) Y(s) R(s)微分先行的微分先行的PID控制方框图控制方框图11sKTsTddd)11 (sTKic2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略37 当当 e(k)A 时时, 用用P或或PD 控制；控制； e(k)A 时时, 用用PI或或PID控制。控制。注：注：1）A值需要适当选取；值需要适当选取； 2）Kc应根据积分作用是

13、否起作用而变化应根据积分作用是否起作用而变化2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略38 y曲线曲线2：标准：标准PID曲线曲线3：A过小过小曲线曲线1 0 t R APDPIDPD2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略39 执行机构机械性能与物理性能的约束执行机构机械性能与物理性能的约束 积分饱和积分饱和该算法是抑制积分饱和的方法之一该算法是抑制积分饱和的方法之一：一旦计算出的控制量一旦计算出的控制量u(k)u(k)进入饱进入饱和区和区, , 一方面对控制量输出值限幅；另一方面一方面对控制量输出值限幅；另一方面增加判别程序增加判别程序, , 算法中只执行削弱积分饱和

14、项算法中只执行削弱积分饱和项的积分运算的积分运算, , 而停止增大积分饱和项的运算而停止增大积分饱和项的运算。2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略40 积分项的作用：比较重要积分项的作用：比较重要提高其积分项的运算精度的办法提高其积分项的运算精度的办法原来的方法：原来的方法：改进方法改进方法Tjejedttekjt002) 1()()(kjjTeedt0)(2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略41通过调整控制器参数（通过调整控制器参数（KcKc、TiTi、Td,Td,），）， 使控制器的特性与被控过程的特性相匹配使控制器的特性与被控过程的特性相匹配, , 以满足

15、某种反映控制系统质量的性能指标。以满足某种反映控制系统质量的性能指标。除了除了KcKc、TiTi、Td Td 外，还需要确定系统的外，还需要确定系统的采样周期（控制周期）采样周期（控制周期）T T2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略42表 (6.2-1) 过 程 控 制 DDC系 统 采 样 周 期 选 择 参 考控 制 回 路采 样 周 期 T(秒 )说 明流 量1 2 优 先 选 1 2秒压 力3 5液 位3 5温 度15 20 对 串 级 系 统 , T副=(1/4 1/5)T主成 份15 202022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略43 2022-6-17第

16、三章 计算机控制系统中的控制策略44uPIDPID参数的工程整定方法参数的工程整定方法u闭环整定如稳定边界法闭环整定如稳定边界法( (临界比例度法临界比例度法) )u基于继电反馈控制自动整定的基本思路基于继电反馈控制自动整定的基本思路用具有继电特性的非线性环节代替稳定边界用具有继电特性的非线性环节代替稳定边界法中的纯比例器法中的纯比例器极限环的概念极限环的概念2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略45u临界增益临界增益KKu u(critical gain)(critical gain)和临界振荡周期和临界振荡周期T Tu u(critical frequency)(critic

17、al frequency)的概念的概念由由Ziegler和和Nichols 闭环整定方法得到的调节参数闭环整定方法得到的调节参数 控控 制制 器器 Kc Ti Td P 0.5Ku PI 0.4Ku 0.8Tu PID 0.3Ku 0.5Tu 0.12Tu2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略46u原理如图原理如图 S APID继电器继电器对对 象象 T R Y基于继电反馈控制的自动整定原理框图基于继电反馈控制的自动整定原理框图2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略47u非线性环节的描述函数法非线性环节的描述函数法根据非线性环节输入与输出信号之间的基波分根据非线性环

18、节输入与输出信号之间的基波分量关系进行近似系统分析量关系进行近似系统分析u继电器特性继电器特性理想继电器的描述函数理想继电器的描述函数04adN2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略48具有滞环的继电器描述函数具有滞环的继电器描述函数a为继电器非为继电器非线性环节输入的线性环节输入的一次谐波振幅。一次谐波振幅。)arcsin(4ahadNG(s)h-dd具有继电器非线性的控制系统具有继电器非线性的控制系统 2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略49 只要满足方程只要满足方程 则系统输出将出现极限环。则系统输出将出现极限环。uKu可看成是继可看成是继电特性在传输幅电特

19、性在传输幅度为度为 a 的正弦信的正弦信号时的等价增益号时的等价增益。NadKu14NjG1)( ac crG(j) h=0Im h0 Re 极限环示意图极限环示意图N12022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略50u前面式中的前面式中的Ku可看成是继电特性在传输幅度为可看成是继电特性在传输幅度为 a 的正弦信号时的等价增益。的正弦信号时的等价增益。u基于继电器自动整定的优点基于继电器自动整定的优点概念清楚，方法简单概念清楚，方法简单 需要预先设定的参数少：需要预先设定的参数少：继电器特性幅值继电器特性幅值 d 滞环宽度滞环宽度 h 的初始值的初始值2022-6-17第三章 计算机控

20、制系统中的控制策略512022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略52u出发点：避开过程模型出发点：避开过程模型, , 用闭环系统响用闭环系统响应波形上一组应波形上一组能够表征过程特性能够表征过程特性、而数而数据量又尽可能少据量又尽可能少的特征量作为通用的自的特征量作为通用的自动整定动整定PIDPID控制参数的依据。控制参数的依据。 2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略53u观察系统对给定值阶跃响应或干扰的响应观察系统对给定值阶跃响应或干扰的响应, , 根据实测的根据实测的响应模式与理想的响应模式之间的差别整定控制器参数响应模式与理想的响应模式之间的差别整定控制器参数响

21、应响应数据数据KcKd PID 对对 象象 锁锁 存存参数调整参数调整波形分析波形分析基于模式识别的基于模式识别的PID参数自动整定结构框图参数自动整定结构框图F1F2 R可接受可接受波形波形Ki2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略54u预先的准备工作：预先的准备工作：将闭环系统照某种准则分成若干种模式，将闭环系统照某种准则分成若干种模式，如欠阻尼振荡，过阻尼振荡等；如欠阻尼振荡，过阻尼振荡等；选取每种模式的特征量，称之为选取每种模式的特征量，称之为“状态特状态特征量征量”；确定理想模式下的状态特征量值，并建立确定理想模式下的状态特征量值，并建立模式状态特征量与模式状态特征量与

22、PID控制器参数关系的控制器参数关系的表达式。表达式。2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略55u控制器自动整定的工作是控制器自动整定的工作是根据理想模式的状态特征量值与被控系根据理想模式的状态特征量值与被控系统状态特征量的实测值之间的差别对统状态特征量的实测值之间的差别对PIDPID控制器参数进行自动整定。控制器参数进行自动整定。2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略56u闭环系统输出误差随时间的变化情况如图闭环系统输出误差随时间的变化情况如图u该方法的缺点该方法的缺点在于在于TL的实的实际测量比较困难际测量比较困难e100F2tT3T2F1 25 75TLT1模

23、式识别法的模式识别法的“状态特征量状态特征量”示意示意图图2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略572022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略582022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略592022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略602022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略61副变送器副变送器主变送器主变送器主参数主参数给定值给定值r通用的计算机串级控制系统示意框图通用的计算机串级控制系统示意框图u2主调主调节器节器副调副调节器节器e1e2u1副对象副对象主对象主对象二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动副参数副参数主参数主参数y1y2执行

24、执行机构机构D/AA/DA/D2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略62Cascade PVCascade SPSlave SPSlave PVNEW COLUMN FOR CASCADEPID DROPS AUTOMATICALLYOPTIMZE TUNING FOR SLAVE AND CASCADETRANSFER FUNCTIONS FOR SLAVE AND CASCADEEFFECT OF CASCADE SETPOINT CHANGE AND STEP DISTURBANCE SIMULATION (EXACTLY LIKE IN REALPLANT)SLAVE A

25、ND CASCADEABSOLUTE ERRORS2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略63采样并获得当前输出采样值；采样并获得当前输出采样值；计算主回路的偏差计算主回路的偏差e1(k)；计算主回路计算主回路PID控制器的输出控制器的输出u1(k)；计算副回路的偏差计算副回路的偏差e2(k)；计算副回路计算副回路PID控制器的输出控制器的输出u2(k)；输出到被控对象。输出到被控对象。2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略64异步采样控制异步采样控制即主回路的采样控制周期即主回路的采样控制周期T1是副回路采样是副回路采样控制周期控制周期T2的整数倍。的整数倍。同步采

26、样控制同步采样控制即主、副回路的采样控制周期相同，但因即主、副回路的采样控制周期相同，但因副对象响应速度较快，故应以副回路为准。副对象响应速度较快，故应以副回路为准。2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略65用于抑制系统的主要干扰用于抑制系统的主要干扰用于克服对象的纯滞后用于克服对象的纯滞后 用于减少对象的非线性影响用于减少对象的非线性影响2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略662022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略67Gf (s)Gd (s) D/AG (s) PID A/Dreucy扰动扰动dufub)()()(sGsGsGdf2022-6-17

27、第三章 计算机控制系统中的控制策略68计算反馈控制的偏差计算反馈控制的偏差e(k)；计算反馈控制器计算反馈控制器(PID)的输出的输出ub (k)；计算前馈控制器计算前馈控制器Gf (s)的输出的输出uf (k)；计算前馈反馈调节器的输出计算前馈反馈调节器的输出uc (k)。2022-6-17第三章 计算机控制系统中的控制策略69建立过程的动态特性的模型；建立过程的动态特性的模型；将模型加入到反馈控制系统中，有延迟将模型加入到反馈控制系统中，有延迟的一部分用于抵消被延迟了的一部分用于抵消被延迟了的被控量；的被控量；无延迟部分反映到调节器，让调节器提无延迟部分反映到调节器，让调节器提前动作，从而可明显地