【正文】 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(shè)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。 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(shè)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(yīng)經(jīng)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。 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。 44 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)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(shè)置偏差報警。 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。 當(dāng) PVPH時，上限報警狀態(tài) PHA為“ 1”；當(dāng) 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(dāng)出現(xiàn)上下限報警時，通過驅(qū)動電路發(fā)出聲光報警，以提醒操作人員注意。為了便 于 PID控制程序調(diào)用這些量，需要給每個 PID控制模塊提供一段內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)。變化率的選取要適中， 過小會使響應(yīng)變慢，過大則達不到限制的目的。串級控制。 兩級計算機控制。外給定狀態(tài)。 單回路內(nèi)給定狀態(tài)。 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(shè)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。一臺模擬調(diào)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(yīng)該具有 通用性和工程實用價值。因此，對階躍輸入信號， I PD控制有 明顯優(yōu)點。 為了實現(xiàn)積分分離，編程序時必須從 PID差分方程式中 分離出積分項。特別對于溫度、成份等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象更為嚴重。??kekeke0)()(??keke ?當(dāng) 死區(qū) β是可調(diào)參數(shù)，具體值可根據(jù)實際由實驗確定 。 0)(39。)1()2(kukukekekukukekekekedd???????????????36 數(shù)字 PID控制算法的改進 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法的改進 為了改善 PID控制的動態(tài)特性，人們在實踐中不斷總結(jié) 經(jīng)驗，結(jié)合計算機的特點，提出了多種改進數(shù)字 PID控制算法。)()1(。0)( ?kuFFHku ?)(當(dāng) 時，輸出 .)( FFHku ?eΔ uΔ M控 制 算 式 輸 出執(zhí) 行 機 構(gòu) 輸 出eΔ uΔ M控 制 算 式 輸 出執(zhí) 行 機 構(gòu) 輸 出深 飽 和 區(qū)深 飽 和 區(qū)抗積分飽和 輸出限幅 輸出限幅 35 控制算法實施中的具體問題 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 6. 存儲歷史數(shù)據(jù) 計算機每次采樣讀入數(shù)據(jù)， PID算式運算輸出控制指令， 還要為下一次計算作必要準備，故需要保存歷史數(shù)據(jù) . 如 ??)()1(。如果輸出增量小于調(diào)節(jié)余量，則按計算結(jié)果輸出， 否則按調(diào)節(jié)余量輸出，以保證執(zhí)行機構(gòu)在其有效行程中 運行。)(ku???? )( ku當(dāng) 時，輸出 .)( ??? ku33 控制算法實施中的具體問題 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 4. 輸出位置限幅 計算機控制中的位置型輸出，不應(yīng)超過執(zhí)行機構(gòu)的 工作范圍，否則會損壞設(shè)備和降低控制精度。 β根據(jù)經(jīng)驗與安全性規(guī)定 選取，大小要適中，過小 會使操作緩慢，過大則達不到限制的目的。)()()( kykrkekrkyke ????反作用）正作用）()]2()1(2)([)(()]2()1(2)([)(?????????????kykykyKkukykykyKkudddd32 控制算法實施中的具體問題 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 3. 變化率限制（輸出增量限制） 采用理想 PID，在擾動大的場合，可能導(dǎo)致計算機的輸出 突然大范圍跳動，不利于安全操作。 )]2()1(2)([)( ?????? kekekeKku dd為了提高計算機使用效率，應(yīng)注意減少算式的計算次數(shù)。 ???mjjemke0)(1)(31 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 （ 2）減少計算次數(shù) 當(dāng)給定值發(fā)生階躍變化時，微分動作將導(dǎo)致控制量的 大幅度變化，不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定操作。 30 控制算法實施中的具體問題 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 2. 微分項的改進 在 PID控制中，微分項是最敏感的一項，應(yīng)盡量減少數(shù)據(jù) 誤差和噪聲，以消除不必要的擾動。當(dāng)計算機 的運算字長較短， T也短，而 Ti 較長時，上式容易出現(xiàn) 小于字長的精度而丟數(shù)，此時也就無積分作用，稱為積 分不靈敏區(qū)。 （ 1）梯形積分 在 PID控制中，為了減少余差，提高積分項的運算精度， 可將矩形積分改為梯形積分。 E ( s )U ( s )1122??sTTsTd +++Ud( s ) 1KsTK11Up( s )Ui( s )結(jié)構(gòu)框圖 22 實際微分 PID控制 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 （ 2）算式二 )1()()()1()(222222 ????????? keTTKTKkeTTKTTKkuTTKTkuddddddd???? )()()( kukuku ip微分作用輸出差分方程 位置型輸出為 積分作用輸出差分方程 )()1()( 1 kuTTKkuku diii ???比例作用輸出差分方程 )()( 1 kuKku dp ?23 實際微分 PID控制 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 （ 3）算式三 傳遞函數(shù) ?????????????????sKTsTsTKsEsUsDdddip111)()()( sTi1E ( s )U ( s )+++pKUd( s )Up( s )Ui( s )sKTsTKdddp1結(jié)構(gòu)框圖 24 實際微分 PID控制 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 （ 3）算式三 比例、積分、微分的輸出差分方程為 ) ] }1()([)1({)( ?????? kekeKKkuTTK Tku dpddddd)()( keT TKkuipi ??)]1()([)( ???? kekeKku pp)1()()( ???? kukuku ddd)()1()( kukuku ????)()()()( kukukuku dip ???????增量型輸出 位置型輸出 25 理想微分 PID和實際微分 PID的階躍響應(yīng) 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 un T0 1 2 3 4 5 6 7 8微分項項積分比 例 項 比較理想數(shù)字 PID與實際微分 PID對單位階躍偏差 信號的輸出響應(yīng)可知，實際微分數(shù)字 PID的階躍響應(yīng)比 較平坦，微分作用持續(xù)時間長，超調(diào)量小，因此能夠得 到更好的控制效果。1(。 （ 1）算式一 由于實際的控制回路都可能存在高頻干擾，因此設(shè)一級 低通濾波器，則傳遞函數(shù)為 )11(1)()()( sTsTsTKsEsUsDdifp ?????19 實際微分 PID控制 第 3章 數(shù)字控制器的設(shè)計 數(shù)字 PID控制算法 （ 1）算式一 若令 ddf KTT /?)2()1()()1()( 3210 ????????? keakeakeakuaku)()1()( kukuku ????位置型輸出為 .)。由于工業(yè)用執(zhí)行機構(gòu) 的動作速度限制，致使偏差大時，微分作用不能充分發(fā)揮， 且理想微分容易引進高頻干擾，因此，在實際應(yīng)用中，通常 采用含有實際微分的 PID控制算式。21()。—積分系數(shù)；— TTKKTTKK dpdipi ??增量型算法 )()1()