【文章內容簡介】 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 模擬調節(jié)器是一臺硬設備，而計算機中的數(shù)字 PID卻是 一臺軟設備，是由一段 PID程序實現(xiàn)的。一臺模擬調節(jié) 器只能控制一個回路，而一段 PID程序卻可以作為一臺 計算機所控制的所有回路的公共子程序，因此應該具有 通用性和工程實用價值。在設計 PID控制程序時，必須 考慮各種工程實際情況 ,并含有多種功能 ,以便用戶選擇。 給 定 值處 理被 控 量處 理偏 差處 理P I D計 算控 制 量處 理自 動 手動 切 換S VP VC S VC P VC D VU nC M VM VPID控制模塊框圖 41 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 給定值處理 給定值處理包括選擇給定值 SV和給定值變化率 SR兩部分。 C A SS C CS RS V C S V變 化 率 限 制內 給 / 外 給串 級 / S C CS V CS V SS V LC RC L /外給定狀態(tài) 軟開關 CL/CR CL— 選擇操作員設置的給定值 SVL。 單回路內給定狀態(tài)。 CR— 給定值來自上位機、主回路或運算模塊 。外給定狀態(tài)。 軟開關 CAS/SCC SCC— 給定值 SVS來自上位機。 兩級計算機控制。 CAS— 給定值 SVC來自主調節(jié)模塊 。串級控制。 CL/CR→CR： 42 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 給定值處理 2. 給定值變化率限制 為了減少給定值突變對控制系統(tǒng)的擾動，防止比例、微分飽和，以實現(xiàn) 平穩(wěn)控制，需要對給定值的變化率 SR加以限制。變化率的選取要適中， 過小會使響應變慢，過大則達不到限制的目的。 在給定值處理模塊中，共有三個輸入量 (SVL， SVC， SVS)，兩個輸出量 (SV， CSV)，兩個開關量 (CL/CR， CAS/SCC)和一個變化率 (SR)。為了便 于 PID控制程序調用這些量，需要給每個 PID控制模塊提供一段內存數(shù)據(jù)區(qū)。 C A SS C CS RS V C S V變 化 率 限 制內 給 / 外 給串 級 / S C CS V CS V SS V LC RC L01 0143 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 被控量處理 為了安全運行，需要對被控量 PV進行上限或下限報警處理。 當 PVPH時，上限報警狀態(tài) PHA為“ 1”；當 PVPL時， 下限報警狀態(tài) PLA為“ 1”. C P V變 化 率 限 制上 / 下 限 報 警P VP H AP HP LH YP RP L AtP LP HP VH YH YP H AP L A0011當出現(xiàn)上下限報警時，通過驅動電路發(fā)出聲光報警，以提醒操作人員注意。 為了不使 PHA/PLA的狀態(tài)頻繁改變，可以設置一定的報警死區(qū)（ HY）。 為了實現(xiàn)平穩(wěn)控制，需要對被控量的變化率 PR加以限制。 PR選取要適中。 44 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 偏差處理 根據(jù)正反作用方式 (D/R)計算偏差 DV. D/R=0，正作用 DV+=CPVCSV； D/R=1，反作用 DV=CSVCPV. 偏 差 報 警計 算偏 差輸 入補 償D LD / R I C MA AK非 線 性C S VC P VI C VD L AC D VD V C2. 偏差報警 對于控制要求較高的對象，還要設置偏差報警。當偏差絕對值 時，偏差報警狀態(tài) DLA為“ 1”. DLDV ?45 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 偏差處理 偏 差 報 警計 算偏 差輸 入補 償D LD / R I C MA AK非 線 性C S VC P VI C VD L AC D VD V C為了實現(xiàn)非線性或帶死區(qū)的 PID控制，設置了非線性區(qū) A+A和非線性增益 K. ICM=0, 無補償， CDV=DVC ICM=1, 加補償， CDV=DVC+ICV ICM=2, 減補償， CDV=DVCICV ICM=3, 置換補償， CDV=ICV 根據(jù) ICM的狀態(tài)，決定偏差與輸入補償量 ICV之間的關系。 K=0, 帶死區(qū)的 PID 0K1，非線性 PID K=1，正常 PID 利用加、減輸入補償，可以分別實現(xiàn)前饋控制和 Smith控制。 46 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) PID計算 在自動狀態(tài)下，需要按照 PID控制的各種差分方程計算控制量 U，并進行上、下限限幅處理。 DV/PV=1，選用偏差微分方式； DV/PV=0，選用測量值微分方式 . C D VDIPM HM LUU nP V01D VC P V限 幅47 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 控制量處理 一般情況下，在輸出控制量 Un以前，還應經過一些處理和判斷，以便擴展控制功能，實現(xiàn)安全平穩(wěn)操作。 OCM=0, 無補償， UC=Un OCM=1, 加補償， UC=Un+OCV OCM=2, 減補償， UC=UnOCV OCM=3, 置換補償， UC=OCV 根據(jù) OCM的狀態(tài)，決定控制量與輸出補償量 OCV之間的關系。利用輸出和輸入補償，可以擴大PID控制功能，以便組成復雜的PID控制系統(tǒng) . C M V變 化 率 限 制安 全 輸 出URM SF SN SM RO C VU nN H10F H01輸 出補 償O C MUCUH輸 出 保 持48 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 控制量處理 為了實現(xiàn)平穩(wěn)操作，需要對控制量的變化率 MR加以限制。 FS/NS的狀態(tài)一般來自系統(tǒng)安全報警開關。 軟開關 FH/NH NH—— u(n)=u(n1) FH—— 正常輸出 u(n) FH/NH的狀態(tài)一般來自 系統(tǒng)安全報警開關 . C M V變 化 率 限 制安 全 輸 出URM SF SN SM RO C VU nN H10F H01輸 出補 償O C MUCUH輸 出 保 持軟開關 FS/NS NS—— 現(xiàn)時刻輸出 u(n)=預置的安全輸出量 MS FS—— 正常輸出方式 49 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 自動 手動切換 /軟手動 在正常運行時，系統(tǒng)處于自動狀態(tài)；而在調試階段，或出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)處于手動狀態(tài)。 為了保證執(zhí)行機構工作在有效范圍內，需要對控制量進行上下限限幅處理，使得 ,再經 D/A轉換器輸出 4~20mADC. C M VM HM LUSM VS M V限 幅S M10S AH A / H MD / AA / DH M10H A執(zhí) 行機 構手 動 操 作 器V MSA/SM SA—— 軟自動，正常的自動狀態(tài) SM—— 軟手動，控制量來自操作鍵盤或上位機 ,計算機手動 MLMVMH ??50 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 自動 手動切換 /手動 所謂無平衡無擾動切換，是指在進行手動到自動或自動到手動的切換之前，無須由人工進行手動輸出控制信號與自動輸出控制信號之間的對位平衡操作，就可以保證切換時不會對執(zhí)行機構的現(xiàn)有位置產生擾動。為此，應采取以下措施： C M VM HM LUSM VS M V限 幅S M10S AH A / H MD / AA / DH M10H A執(zhí) 行機 構手 動 操 作 器V MHA/HM HA—— 自動狀態(tài)，正常的計算機控制方式 HM—— 手動狀態(tài)，通過手動操作器輸出 4~20mADC信號 . 51 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制器的工程實現(xiàn) 為了實現(xiàn)從手動到自動的無平衡無擾動切換，在手動（ SM或 HM)狀態(tài)下，盡管不進行 PID運算，但應使給定值 CSV跟蹤被控量 CPV,同時也要把歷史數(shù)據(jù)中的 e(n1),ud(n1)清零，還要使 u(n1)跟蹤手動控制量 (MV或 VM)。這樣，一旦切向自動狀態(tài) (SA或 HA)時，由于CSV=CPV ，因為偏差為 0，而 u(n1)又等于切換瞬間的手動控制量，這就保證了 PID控制量的連續(xù)性。當然，這一切需要有相應的硬件電路配合。 當從自動 (SA或 HA)切向軟手動 (SM)時，只要計算機應用程序工作正常，就能自動保證無擾動切換。當從自動 (SA或 HA)切向硬手動 (HM)時，通過手動操作器電路也能保證無擾動切換。 從輸出保持狀態(tài)或安全輸出狀態(tài)切向正常的自動工作狀態(tài)時，同樣需要進行無擾動切換。 52 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制參數(shù)的整定 數(shù)字 PID控制參數(shù)的整定 數(shù)字 PID控制系統(tǒng)和模擬 PID控制系統(tǒng)一樣，需要通過參數(shù)整定才能正常運行。所不同的是除了整定比例度、積 分時間、微分時間、微分增益外，還要確定系統(tǒng)的采樣(控制 )周期 T. PID控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 放大系數(shù) KP的影響： KP↑→動作靈敏，響應速度 ↑，穩(wěn)定性 ↓，靜差 ↓ 積分時間 Ti 的影響： Ti ↓→積分作用增強，穩(wěn)定性 ↓，消除靜差。 微分時間 Td的影響： Td ↑→穩(wěn)定性 ↑，超調量 ↓，調節(jié)時間 ↓，靜差 ↓。 53 第 3章 數(shù)字控制器的設計 數(shù)字 PID控制參數(shù)的整定 采樣周期 T的選擇 采樣周期 T是計算機控制系統(tǒng)的一個重要參數(shù)。其選取應與 PID參數(shù)的整定綜合起來考慮