【文章內(nèi)容簡介】 算法)進行計算，通過輸出通道直接去控制執(zhí)行機構(gòu)，使各被控量達到預(yù)定的要求。由于計算機的決策直接作用于過程，故稱為直接數(shù)字控制。DDC系統(tǒng)也是計算機在工業(yè)應(yīng)用中最普遍的一種形式。 模擬PID調(diào)節(jié)器一、模擬PID控制系統(tǒng)組成 圖44 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖二、模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。PID調(diào)節(jié)器的微分方程 式中 PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù) 三、PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。 數(shù)字PID控制器一、模擬PID控制規(guī)律的離散化模擬形式離散化形式二、數(shù)字PID控制器的差分方程式中 稱為比例項 稱為積分項 稱為微分項三、常用的控制方式P控制 PI控制 PD控制 PID控制 四、PID算法的兩種類型位置型控制――例如圖45調(diào)節(jié)閥控制 增量型控制――例如圖46步進電機控制 PID算法的程序流程一、增量型PID算法的程序流程增量型PID算法的算式 式中，增量型PID算法的程序流程 圖47 圖48二、位置型PID算法的程序流程位置型的遞推形式 位置型PID算法的程序流程――圖48只需在增量型PID算法的程序流程基礎(chǔ)上增加一次加運算Δu(n)+u(n1)=u(n)和更新u(n1)即可。三、對控制量的限制控制算法總是受到一定運算字長的限制執(zhí)行機構(gòu)的實際位置不允許超過上(或下)極限 標(biāo)準PID算法的改進一、不完全微分型PID控制算法不完全微分型PID算法傳遞函數(shù) 圖49 不完全微分型PID算法傳遞函數(shù)框圖完全微分和不完全微分作用的區(qū)別 圖410 完全微分和不完全微分作用的區(qū)別不完全微分型PID算法的差分方程 不完全微分型PID算法的程序流程二、微分先行和輸入濾波微分先行 微分先行是把對偏差的微分改為對被控量的微分，這樣，在給定值變化時，不會產(chǎn)生輸出的大幅度變化。而且由于被控量一般不會突變，即使給定值已發(fā)生改變，被控量也是緩慢變化的，從而不致引起微分項的突變。微分項的輸出增量為： 輸入濾波 輸入濾波就是在計算微分項時，不是直接應(yīng)用當(dāng)前時刻的誤差e(n)，而是采用濾波值e(n)，即用過去和當(dāng)前四個采樣時刻的誤差的平均值，再通過加權(quán)求和形式近似構(gòu)成微分項： 一、抗積分飽和積分作用雖能消除控制系統(tǒng)的靜差，但它也有一個副作用，即會引起積分飽和。在偏差始終存在的情況下，造成積分過量。當(dāng)偏差方向改變后，需經(jīng)過一段時間后，輸出u(n)才脫離飽和區(qū)。這樣就造成調(diào)節(jié)滯后，使系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的超調(diào)，惡化調(diào)節(jié)品質(zhì)。這種由積分項引起的過積分作用稱為積分飽和現(xiàn)象?？朔e分飽和的方法：積分限幅法積分限幅法的基本思想是當(dāng)積分項輸出達到輸出限幅值時，即停止積分項的計算，這時積分項的輸出取上一時刻的積分值。其算法流程如圖411所示。積分分離法積分分離法的基本思想是在偏差大時不進行積分，僅當(dāng)偏差的絕對值小于一預(yù)定的門限值ε時才進行積分累積。這樣既防止了偏差大時有過大的控制量，也避免了過積分現(xiàn)象。其算法流程如圖412。 圖411積分限幅法程序流程 圖412積分分離法程序流程變速積分法變速積分法的基本思想是在偏差較大時積分慢一些，而在偏差較小時積分快一些，以盡快消除靜差。即用代替積分項中的 式中 為一預(yù)定的偏差限。 消除積分不靈敏區(qū)積分不靈敏區(qū)產(chǎn)生的原因 當(dāng)計算機的運行字長較短，采樣周期T也短，而積分時間TI又較長時，)容易出現(xiàn)小于字長的精度而丟數(shù)，此積分作用消失，這就稱為積分不靈敏區(qū)。消除積分不靈敏區(qū)的措施：1）增加A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，加長運算字長，這樣可以提高運算精度。2）當(dāng)積分項小于輸出精度ε的情況時，把它們 一次次累加起來，即其程序流程如圖413所示。 圖413變速積分法程序流程 數(shù)字PID參數(shù)的選擇一、選擇采樣周期的重要性采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，控制效果越接近連續(xù)控制。對大多數(shù)算法，縮短采樣周期可使控制回路性能改善，但采樣周期縮短時，頻繁的采樣必然會占用較多的計算工作時間，同時也會增加計算機的計算負擔(dān)，而對有些變化緩慢的受控對象無需很高的采樣頻率即可滿意地進行跟蹤，過多的采樣反而沒有多少實際意義。二、選擇采樣周期的原則――采樣定理 最大采樣周期 式中為信號頻率組分中最高頻率分量。三、選擇采樣周期應(yīng)綜合考慮的因素給定值的變化頻率加到被控對象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高，以使給定值的改變通過采樣迅速得到反映，而不致在隨動控制中產(chǎn)生大的時延。被控對象的特性1）考慮對象變化的緩急，若對象是慢速的熱工或化工對象時，T一般取得較大。在對象變化較快的場合，T應(yīng)取得較小。2）考慮干擾的情況，從系統(tǒng)抗干擾的性能要求來看，要求采樣周期短，使擾動能迅速得到校正。使用的算式和執(zhí)行機構(gòu)的類型1）采樣周期太小，會使積分作用、微分作用不明顯。同時，因受微機計算精度的影響，當(dāng)采樣周期小到一定程度時，前后兩次采樣的差別反映不出來，使調(diào)節(jié)作用因此而減弱。2）執(zhí)行機構(gòu)的動作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機構(gòu)來不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化?？刂频幕芈窋?shù) 要求控制的回路較多時，相應(yīng)的采樣周期越長，以使每個回路的調(diào)節(jié)算法都有足夠的時間來完成?？刂频幕芈窋?shù)n與采樣周期T有如下關(guān)系：式中，Tj是第j個回路控制程序的執(zhí)行時間。一、數(shù)字PID參數(shù)的原則要求和整定方法原則要求：被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID參數(shù)整定方法：理論計算法――依賴被控對象準確的數(shù)學(xué)模型工程整定法――不依賴被控對象準確的數(shù)學(xué)模型，直接在控制系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定二、常用的簡易工程整定法擴充臨界比例度法――適用于有自平衡特性的被控對象整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：(1)選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。(2)去掉積分作用和微分作用，逐漸增大比例度系數(shù)直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達到臨界振蕩狀態(tài)(穩(wěn)定邊緣)，記下此時的臨界比例系數(shù)及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。(3)選擇控制度。通常。就可以認為DDC與模擬控制效果相當(dāng)。(4)根據(jù)選定的控制度，得T、KP、TI、TD的值。擴充響應(yīng)曲線法――適用于多容量自平衡系統(tǒng)參數(shù)整定步驟如下：(1)讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來，然后突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。(2)用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖414所示。 圖414(3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間τ，被控對象時間常數(shù)Tτ以及它們的比值Tτ/τ。(4)由求得的τ、Tτ及Tτ/τ，即可求得數(shù)字調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)KP、TI、TD及采樣周期T。歸一參數(shù)整定法令。則增量型PID控制的公式簡化為 改變KP，觀察控制效果，直到滿意為止。 偏差處理 圖415偏差處理一、計算偏差――根據(jù)正/反作用方式(D/R)計算偏差DV二、偏差報警――偏差過大時報警DLA為“1”三、輸入補償――根據(jù)輸入補償方式ICM的四種狀態(tài)，決定偏差輸出CDV：四、非線性特性 圖416非線性特性