第5章_数字调节器1.ppt

1、1,第5章 数字调节器,本章主要内容： 概述 模拟量输入/输出通道 数字式PID调节器 PID参数自整定调节器,2,1、数字调节器的硬件构成：,5.1 概述,3,2、数字调节器的软件构成： 数字调节器的全部工作都是在硬件环境下，由微处理器执行程序完成。数字调节器的软件包括监控管理程序和应用程序两大部分。,4,5.2 模拟量输入/输出通道,模拟量输入通道 1、分类： 从接受电信号的电平分：高电平和低电平输入通道； 从抗干扰性能角度分：非隔离型和隔离型高抗干扰输入通道； 从结构上可按共用一个放大器或A/D转换器及不共用多种组合。,5,（1）共用一个采样/保持器（S/H）和A/D转换器的高电平模拟量

2、输入通道（如下图所示）。,6,（2）各通道分用采样保持器，共用 A/D转换器的模拟量输入通道（如下图所示）,7,（3）低电平模拟量输入通道 （4）高抗干扰模入通道: 输入通道的干扰从形式上可分为串模干扰和共模干扰两种类型。,8,9,二、模拟量输出通道 在数字调节器中，运算处理后得到的控制信号仍是数字量，需经模拟量输出通道变换为能直接驱动执行器的信号。 进行闭环连续控制的执行器大致有以下几类： 1）由伺服马达驱动的电动执行器。 2）由电气转换器驱动的气动执行器。 3）由步进电动机驱动的电动执行器。 4）控制电加热系统的晶闸管。 输出通道根据所用D/A转换器的情况可有两种形式。,10,多个输出通道

3、共用一个D/A转换器，其结构示意图如下图所示。,11,每个通道各用一个 D/A转换器，其结构如下图 所示。,12,一、数字式调节器控制规律的实现,5.3 数字式PID调节器,DDZ调节器是模拟式调节器，它利用电子电路进行连续的PID运算。 数字式调节器以微计算机为核心进行有关控制规律 的运算，所有控制规律的运算都是周期性的进行，即数字式调节器是离散系统。因此，用于连续系统的PID控制规律必须进行离散化后方可应用于数字式调节器。,控制算法：完全微分PID算法(理想PID算法 ) 不完全微分PID算法(实际PID算法 ),实现形式：位置型、增量型、速度型和偏差型,13,二、数字调节器的设计方法 数

4、字调节器控制算法的设计有模拟化设计方法和数字化 设计方法两种。 数字调节器的模拟化设计方法是基于将数字控制系统看 一个连续系统，如下图所示。,14,直接数字化设计是设计数字调节器的另一种方法，它是将计算机控制系统看成一个离散系统，如下图所示。它实际上是通过零阶保持器和采样器将连续对象离散化了。利用离散系统理论，可以根据系统性能指标要求直接求出数字控制器的离散算法D（Z）。,15,三、PID控制算式,（一）PID控制算式的基本形式 数字调节中的PID控制算式是将PID的模拟表达式进行离散化而得到的。PID的模拟表达式为 式中 p调节器的输出信号； e调节器的偏差输入信号，是测量值m与给定值r之差

5、， e=r-m； KP、TI、TD分别为调节器的比例系数、再调时间（也称积分时间）、预调时间（也称微分时间）。,16,因为采样周期Ts相对于信号变化周期是很小的，这样可用矩形法计算积分，用向后差分代替微分，则上式变成离散PID算式为,式中t=Ts采样周期； pn第n次采样时调节器的输出； en第n次采样的偏差值en=r-mn； n采样序号。,17,上式为位置式算式，其计算出的输出量与执行机构（阀门）的位置相对应。 由上式同样可列出第（nl）次采样的输出表达式 由上面两式相减，可得PID调节器输出增量的表达式,式中KIPID控制算式的积分系数KIKPTS/TI； KDPID控制算式的微分系数KD

6、=KPTD/TS。,18,上式运算结果p表示了执行机构（阀门）位置应改变的增量，为增量式算式。 位置式和增量式两种控制算式在本质上并无多少区别，只不过在用位置式算式时，pn=pi的任务由软件完成，而在用增量式控制算式时，则需由硬件中的输出通道来完成。采用 位置式和增量式算式时，数字控制系统示意图如下图所示。,19,由上述可见，两种算式在本质上是一样的，但增量式算式却有一些优点，使它的应用更广泛。这些优点主要有： 1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，误动作时影响小。必要时通过逻辑判断进行保护，不会严重影响系统状态。 2）易于实现手动一自动的无扰切换。,20,增量式输出PID控制系

7、统手动自动切换示意图,21,增量运算、位置输出PID控制系统原理示意图,22,（二）PID控制算式的变型 为了改善控制质量，针对不同对象，PID控制中引入了许多新内容，我们仅举以下几个例子。,（1）完全微分PID算法,位置型：,增量型：,速度型：,偏差型：,23,（2） 不完全微分PID算法,完全微分PID算法的缺点：,微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制 系统振荡，降低控制品质； 阀门开度时间与调节器的输出信号时间不相对应 。,不完全微分PID调节器：在完成微分PID的输出端串联一阶惯性环节，如下图所示。,不完全微分PID调节器组成原理框图,24,不完全微分PID算法的输出在较

8、长时间内仍有微分作用，可获得较好的控制效果，在数字式调节器广泛应用。,不完全微分PID位置型算法：,不完全微分PID增量型算法：,25,（3） 抗积分饱和算法,数字调节器最简单的抗积分饱和方法是积分分离法 ，其基本原理是，在偏差 较小时加入积分作用；而 较大时取消积分作用。这样便减轻积分累计的饱和程度，以达到抗积分饱和的目的。,对于理想PID算法的增量形式：,首先判断偏差 的绝对值 是否趋于预先设定的偏差限定值A，,然后确定是否投入积分作用，即：,26,（4）微分先行PID控制 微分先行PID的结构图如下。 PD与PI串联，只对测量量M进行微分，而不是对偏差进行微分，这样在给定值R变化时，不会

9、产生输出的大幅度变化，即可避免给定值扰动，这种算式适用于给定值R经常变化的情况。,27,（5）积分分离 PID控制 积分分离的PID算法为,式中 当eiA时，K1=1 当eiA时，K1=0。 显然当eiA时，积分不起作用，只有当偏差eiA时，积分才引入。在积分分离PID算法中，也可用增量式算式。 （6）带有死区的PID控制 带有死区的PID算式为: 当en B时， pn =0 当 en B时， pn= pn 当偏差绝对值en B时，本次不进行计算和输出，即本次输出 pn =0；当偏差绝对值 en B时，进行PID运算，计算结果pn作为本次输出。,28,对于数字式完全微分PID算法的增量算法：,

10、式中，,为逻辑系数,（7） 数字式非线性控制,29,四、PID控制程序 PID数字调节器是利用微计算机的程序实现输入信号的采集、PID控制算式运算、控制量输出以及其它运算或判断功能的。PID数字调节器的主要应用程序就是PID控制程序。 PID控制程序是一个按照PID控制算式进行运算的程序，因此可用定点运算，也可用浮点运算。 1定点运算的PID程序 定点运算比较快，但由于其表示数的范围比较小，因此编程前需对算式进行一些处理，既使每一步运算都不会产生溢出，同时运算所得最后结果数值正确。PID控制程序流程如下图所示。,30,31,编程中几个要注意的问题： （1）关于运算数字的表示 为了提高运算精度，

11、在程序中采用两字节（16位二进制数）运算。一般输入通道的ADC可选8位、10位或12位，相应地输入信号为8位、10位或12位数字量，将所得数字量化为16位字长的百分量，可以提高运算精度。 由于采用双字节运算，因此输入、输出参数范围和PID参数范围及它们在机器中的表示法如P95 表 52中所示。PID运算结果为百分量，为了将输出控制量经 DAC输出，需将百分量化为与 DAC位数相应的数字量。,32,（2）关于积分精度 在数字调节器中引入积分作用同样是为了消除系统的静差，但由于采用有限字长运算，当积分作用的输出小于机器字长所能表示的范围时，就被视为机器零而将数丢掉。这样积分就不能再进行，使偏差en

12、始终存在。 为了减小系统静差，可以采用以下方法： l）增加积分运算的字长。 2）先累加偏差，后进行乘除运算。 （3）关于调节器的正、反作用 作为一个通用的数字调节器，与模拟调节器一样也必须设置正反作用切换功能。 根据用户需要，对“正反作用状态字”置数，当要求调节器为正作用时，将其置为00H；要求为反作用时，则置为01H。在执行PI运算子程序时，调节器根据此状态字自动对pn进行不同的处理，即正作用时直接加pn ；反作用时pn变补后再与pn-1相加。,33,（4）输出限幅和抗积分饱和,34,2浮点运算的PID程序 整个 PID程序流程图也如前图所示，只是pn的编程公式不同。由于浮点数可表示很大的数

13、值范围，因此在编程时一般不用考虑溢出问题。将KP、KI、 KD、en-2、en-1及en都用浮点数表示后，即可直接按下式所示PID算式编程。 pn=pn-1+KP(en-en-1)+KIen+KD(en-2en-1+en-2) 程序中多次调用浮点数加、减、乘运算子程序，得到以浮点数表示的百分量输出pn。在输出程序中需进行以下运算（以8位DAC为例）： 输出数字量 pn FFH 上式中FFH应化为浮点数，计算出的输出数字量也为浮点数，需通过浮点定点转换程序变为定点数后输出，送给D/A转换器变换为模拟控制信号。,35,5.4 PID参数自整定调节器,PID参数自整定是对于一个正在运行的控制系统，特

14、别是 定值改变的控制系统自动整定控制回路中的PID参数。 PID参数自整定的方法有多种，大致可分为两大类。 1.波形识别法 这类方法有两种类型：一种是在系统中加入具有继电特性 性的非线性环节，使系统产生自激等幅振荡，通过测取振荡波 的振幅和周期，求取系统的临界振荡参数，再利用Ziegler- Nichols规则对PID参数进行整定。另一种是根据过程输出曲线 形状判别来整定PID参数。,36,37,2以对象数学模型辨识为基础的自整定方法 对象数学模型的辨识方法有施加扰动和不施加扰动两类。,38,PID参数自整定的方法很多，我们这里仅介绍三种目前用得较多的方法。 一、改进型临界比例度法（继电限幅自

15、整定法） 这是波形识别法中的一种参数自整定方法。用改进型临界比例度法的PID参数自整定控制系统结构示意图如下图所示。,图中 G（j）为控制对象，N为具有继电特性的非线性环节。当系统处于自整定状态时，开关S置于位置2，S置于位置1时为系统正常工作状态，进行PID控制。,39,改进型临界比例度法整定PID参数的运行步骤： 1）使系统工作在有继电特性的非线性系统状态，产生自激振荡，求出临界比例系数KCP及临界振荡周期TCP。 2）按ZieglerNichols规则计算出PID参数KP、TI、TD的值。 改进型临界比例度自整定方法的特点是原理简单、整定速度快，但为求取KCP及TCP系统要产生等幅振荡，

16、因此不宜多次使用。它适用于回路参数的初始整定，特别是系统开工时大量的回路整定。将用改进型临界比例度自整定方法求出的PID参数作为初值，在实时运行中再应用其它方法对参数进行修正。实时修正参数可用迭代法或专家法。,40,二迭代自整定控制算法 在闭环控制系统中，假设调节器经初步整定的初始参数，通过推导出PID参数KP、TI、TD的迭代整定算式求出修正参数。 前述改进型临界比例度整定算式可用于确定初始整定参数，而迭代算式适用于在已有较好整定参数的基础上进行修正，逐渐趋近最佳参数。因此，可将两种方法结合起来进行PID参数自整定。 三、专家法PID参数自整定 用专家法自整定PID参数的调节器称为专家自整定

17、调节器。这种PID参数自整定的过程实际上是模拟操作人员整定PID参数的判断和决策过程。专家PID调节器是在一般调节器结构的基础上，增加了由知识库和推理机构组成的参数自整定专家系统，其构成框图如下图所示。,41,42,l知识库 知识库是将控制工程师整定系统的知识和经验进行整理归纳后，以一定表示法存入计算机中。参数自整定专家系统的知识库主要包括以下几方面的内容：过程响应曲线类型、控制目标类型及整定规则。下面分别加以说明。 （1）过程响应曲线类型 由于实际控制系统多种多样，因此系统响应曲线也可能是各种各样的，在构成知识库时尽量考虑周全又不能过于繁杂。根据给定值变化和负荷变化两种情况，将系统输出响应曲

18、线分为给定值变化时和负荷扰动下的输出响应曲线如下图所示。,43,图中所示波形仅是按照响应曲线峰值个数分类，而对于每一类波形，由于其超调量、衰减比及振荡周期的不同，又可分为多种子类型。由于调节器整定参数时，是将实际观测的曲线与知识库中的曲线进行对照，按照最佳条件进行整定。因此，知识库中存入的响应曲线类型完善与否，对参数整定是否理想至关重要。一般需存几十种类型的曲线。,44,（2）控制目标 下表列出几种控制目标类型。,45,（3）整定规则 PID参数的整定规则都是经验性的，它是建立于控制工程师经验的基础上的，下面仅举出几条整定规则作为例子。 对给定值变化和干扰引起的输出响应采取不同的整定规则。 在

19、P、I、D三个作用中，P是最基本的控制作用。当输出响应的超调量过大及衰减比过小时，减小KP。若最大偏差大，且趋于非周期过程时，增加KP。 一般取TI等于二分之一系统振荡周期，取TD=(1/31/4)TI。 输出响应曲线偏离给定值后长期回不来，减小TI。若波动较大则增大TI。 由于KP 过小和TI过大都将引起系统输出响应迟缓，难以稳定。但是两者情况有区别，前者表现为曲线飘动较大，变化无规则，后者则会逐渐接近给定值，据此可以判断需增大KP或减小TI 。,46,2推理机构 在参数自整定系统中。推理机构的作用是判断系统输出响应的波形，归为知识库中存储波形中的一种，并对其进行品质评价，根据控制目标的要求采取相应措施。因此，输出响应曲线的测试和识别是十分重要的环节。专家自整定