x3数字控制器的设计.ppt

1 过程控制 ProcessControl 计算机控制技术第11章数字控制器的设计 2 本章要求 基本要求 熟练掌握数字PID控制算法及改进算法 理解数字PID控制器的工程实现及参数整定方法 了解数字控制器的直接设计方法 重点 数字PID控制算法及改进算法 3 本章提要 数字控制器是计算机控制系统的核心组成部分 是在被控对象数学模型或操作人员的先验知识基础上进行设计 并用计算机软件实现的某种控制算法 数字控制器的设计方法可以分为 模拟设计方法和离散化设计方法 本章主要介绍数字PID控制算法及其改进 数字PID的工程实现和参数整定以及数字控制器的直接设计方法 4 第11章直接数字控制系统 11 1直接数字控制系统概述11 2过程输入输出通道11 3数字滤波与数据处理11 4数字PID控制技术11 4数字控制系统的设计与实现11 6数字控制器的直接设计方法 5 6 离散化设计方法 首先将保持器和被控对象所组成的连续部分用合适的方法离散化 从而使整个系统完全变成离散系统 然后用离散控制系统的设计方法来确定数字控制器 最后用计算机实现 7 11 1直接数字控制技术概述 PID控制算法是计算机控制的一个广泛应用的基本算法 第11章直接数字控制系统11 1直接数字控制技术概述 数字控制器D z 的设计要分两步走 先设计一个模拟控制器D s 然后采用某种离散化方法应用于模拟控制器 获得对应的数字控制器D z 这种方案称为连续化设计法 也称为间接设计法 8 第11章直接数字控制系统11 1直接数字控制技术概述 9 第11章直接数字控制系统11 1直接数字控制技术概述 10 第11章直接数字控制系统11 1直接数字控制技术概述 11 第11章直接数字控制系统11 1直接数字控制技术概述 12 第11章直接数字控制系统11 1直接数字控制技术概述 13 14 15 16 17 3 1 1理想微分PID控制 第3章数字控制器的设计3 1数字PID控制算法 理想微分PID控制的实际效果并不理想 从阶跃响应看 它的微分作用只能维持一个采样周期 由于工业用执行机构的动作速度限制 致使偏差大时 微分作用不能充分发挥 且理想微分容易引进高频干扰 因此 在实际应用中 通常采用含有实际微分的PID控制算式 18 19 20 21 3 1 2实际微分PID控制 第3章数字控制器的设计3 1数字PID控制算法 2 算式二 传递函数 T1 实际积分时间 T2 实际微分时间 K1 实际放大倍数 结构框图 22 23 3 1 2实际微分PID控制 第3章数字控制器的设计3 1数字PID控制算法 3 算式三 传递函数 结构框图 24 25 理想微分PID和实际微分PID的阶跃响应 第3章数字控制器的设计3 1数字PID控制算法 比较理想数字PID与实际微分PID对单位阶跃偏差信号的输出响应可知 实际微分数字PID的阶跃响应比较平坦 微分作用持续时间长 超调量小 因此能够得到更好的控制效果 理想微分PID 实际微分PID 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 第3章数字控制器的设计3 2数字PID控制算法的改进 3 2 2带死区的PID算法 在有些场合 为避免控制器输出变化过大或过于频繁 希望被调参数在一定范围内变化时 输出不变化 只有偏离该区域时才按PID规律调节 死区 是可调参数 具体值可根据实际由实验确定 带死区的PID控制系统流程图见教材P74 38 39 40 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3数字PID控制器的工程实现 模拟调节器是一台硬设备 而计算机中的数字PID却是一台软设备 是由一段PID程序实现的 一台模拟调节器只能控制一个回路 而一段PID程序却可以作为一台计算机所控制的所有回路的公共子程序 因此应该具有通用性和工程实用价值 在设计PID控制程序时 必须考虑各种工程实际情况 并含有多种功能 以便用户选择 PID控制模块框图 41 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 1给定值处理 给定值处理包括选择给定值SV和给定值变化率SR两部分 1 内 外给定状态 42 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 1给定值处理 2 给定值变化率限制 为了减少给定值突变对控制系统的扰动 防止比例 微分饱和 以实现平稳控制 需要对给定值的变化率SR加以限制 变化率的选取要适中 过小会使响应变慢 过大则达不到限制的目的 在给定值处理模块中 共有三个输入量 SVL SVC SVS 两个输出量 SV CSV 两个开关量 CL CR CAS SCC 和一个变化率 SR 为了便于PID控制程序调用这些量 需要给每个PID控制模块提供一段内存数据区 43 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 2被控量处理 为了安全运行 需要对被控量PV进行上限或下限报警处理 当PV PH时 上限报警状态PHA为 1 当PV PL时 下限报警状态PLA为 1 当出现上下限报警时 通过驱动电路发出声光报警 以提醒操作人员注意 为了不使PHA PLA的状态频繁改变 可以设置一定的报警死区 HY 为了实现平稳控制 需要对被控量的变化率PR加以限制 PR选取要适中 44 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 3偏差处理 1 计算偏差 根据正反作用方式 D R 计算偏差DV D R 0 正作用DV CPV CSV D R 1 反作用DV CSV CPV 2 偏差报警 对于控制要求较高的对象 还要设置偏差报警 当偏差绝对值时 偏差报警状态DLA为 1 45 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 3偏差处理 3 非线性特性 为了实现非线性或带死区的PID控制 设置了非线性区 A A和非线性增益K 4 输入补偿 根据ICM的状态 决定偏差与输入补偿量ICV之间的关系 利用加 减输入补偿 可以分别实现前馈控制和Smith控制 46 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 4PID计算 在自动状态下 需要按照PID控制的各种差分方程计算控制量U 并进行上 下限限幅处理 DV PV 1 选用偏差微分方式 DV PV 0 选用测量值微分方式 47 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 5控制量处理 一般情况下 在输出控制量Un以前 还应经过一些处理和判断 以便扩展控制功能 实现安全平稳操作 1 输出补偿 根据OCM的状态 决定控制量与输出补偿量OCV之间的关系 利用输出和输入补偿 可以扩大PID控制功能 以便组成复杂的PID控制系统 48 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 5控制量处理 2 变化率限制 为了实现平稳操作 需要对控制量的变化率MR加以限制 3 输出保持 FS NS的状态一般来自系统安全报警开关 FH NH的状态一般来自系统安全报警开关 4 安全输出 49 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 6自动手动切换 1 软自动 软手动 在正常运行时 系统处于自动状态 而在调试阶段 或出现故障时 系统处于手动状态 为了保证执行机构工作在有效范围内 需要对控制量进行上下限限幅处理 使得 再经D A转换器输出4 20mADC 2 控制量限幅 50 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 3 3 6自动手动切换 3 自动 手动 所谓无平衡无扰动切换 是指在进行手动到自动或自动到手动的切换之前 无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作 就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动 为此 应采取以下措施 4 无平衡无扰动切换 51 第3章数字控制器的设计3 3数字PID控制器的工程实现 为了实现从手动到自动的无平衡无扰动切换 在手动 SM或HM 状态下 尽管不进行PID运算 但应使给定值CSV跟踪被控量CPV 同时也要把历史数据中的e n 1 ud n 1 清零 还要使u n 1 跟踪手动控制量 MV或VM 这样 一旦切向自动状态 SA或HA 时 由于CSV CPV 因为偏差为0 而u n 1 又等于切换瞬间的手动控制量 这就保证了PID控制量的连续性 当然 这一切需要有相应的硬件电路配合 当从自动 SA或HA 切向软手动 SM 时 只要计算机应用程序工作正常 就能自动保证无扰动切换 当从自动 SA或HA 切向硬手动 HM 时 通过手动操作器电路也能保证无扰动切换 从输出保持状态或安全输出状态切向正常的自动工作状态时 同样需要进行无扰动切换 4 无平衡无扰动切换 52 第3章数字控制器的设计3 4数字PID控制参数的整定 3 4数字PID控制参数的整定 数字PID控制系统和模拟PID控制系统一样 需要通过参数整定才能正常运行 所不同的是除了整定比例度 积分时间 微分时间 微分增益外 还要确定系统的采样 控制 周期T 3 4 1PID控制器参数对系统性能的影响 放大系数KP的影响 KP 动作灵敏 响应速度 稳定性 静差 积分时间Ti的影响 Ti 积分作用增强 稳定性 消除静差 微分时间Td的影响 Td 稳定性 超调量 调节时间 静差 53 第3章数字控制器的设计3 4数字PID控制参数的整定 3 4 2采样周期T的选择 采样周期T是计算机控制系统的一个重要参数 其选取应与PID参数的整定综合起来考虑 一般考虑以下因素 1 采样周期应远小于对象的扰动信号周期 2 应比对象的时间常数小得多 否则采样信号无法反映瞬变过程 当对象时间常数Tp起主导作用时 当处于主导位置时 可选 3 计算机承担的工作量 控制的回路数多 则T长些 反之则短 4 对象所要求的控制品质 T短 控制品质高 5 计算机及A D D A性能 6 执行机构的响应速度 54 第3章数字控制器的设计3 4数字PID控制参数的整定 采样周期受各种因素的影响 有些是相互矛盾的 必须视具体情况和主要的要求做出折中的选择 在具体选择时可参照表中的经验数据 再通过现场试验最后确定合适值 3 4 2采样周期T的选择 常见被控量经验采样周期 55 第3章数字控制器的设计3 4数字PID控制参数的整定 对于一阶惯性对象 负荷变化不大 工艺要求不高 可采用P控制 例如 压力 液位 串级副回路等 对于一阶惯性加纯滞后对象 负荷变化不大 要求控制精度较高的场合 可采用PI控制 例如 压力 流量 液位控制 对于纯滞后较大 要求高的场合 可采用PID 如温度 成份控制等 3 4 3控制规律的选择 对于二阶以上惯性加纯滞后对象 负荷变化较大 控制性能要求较高时 应采用串级 前馈 反馈 前馈 串级或纯滞后补偿等复杂控制 对于一些有明显非线性 大纯滞后 时变 不确定对象 常规控制常难以奏效 此时应考虑先进控制手段或智能控制策略 56 第3章数字控制器的设计3 4数字PID控制参数的整定 3 4 4扩充临界比例度法 Roberes方法 57 第3章数字控制器的设计3 4数字PID控制参数的整定 3 4 5扩充响应曲线法 动态特性法 首先在开环状态下 求出广义对象的飞升曲线 并在此曲线上求出等效纯滞后时间和等效时间常数 以及它们的比值 其余步骤与扩充临界比例度法相同 3 4 6衰减曲线法 实验步骤与扩充临界比例度法类似 按4 1衰减过程整定 根据放大倍数与相邻两波峰之间的时间 按经验公式计算PID参数 3 4 7数字PID的变参数整定 1 按照负荷预先设置整定参数2 时序控制3 人工模型 3 4 8数字PID参数的最优整定 1 性能指标的选择2 寻优方法 58 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 11 6数字控制器的直接设计方法 理论与数学工具 采样系统理论与Z变换适用于对象特性可以较精确地获得 特别是一些随动系统的数字控制器的设计上 11 6 1最少拍随动系统设计 在离散系统中 通常把一个采样周期称作一拍 最少拍系统也称为最小调整时间系统或最快响应系统 它是指系统对于典型的输入具有最快的响应速度 被控量能经过最少个采样周期达到设定值 且稳态误差为零 显然 这样的系统对闭环脉冲传递函数的性能要求是快速性和准确性 59 11 6 1最少拍随动系统设计 系统的闭环Z传递函数为 系统误差的Z传递函数为 数字控制器的Z传递函数为 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 60 11 6 1最少拍随动系统设计 系统在典型输入作用下 经过最少采样周期 使得输出稳态误差为0 达到完全跟踪 由此 根据G1 z 导出所需的D z 即为数字控制器的设计 为此 需构造系统的误差Z传递函数 寻找一个整数N 0 当时 恒有且N越小越好 误差序列e k 的Z变换展开式为 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 61 11 6 1最少拍随动系统设计 1 单位阶跃输入 2 单位速度输入 3 单位加速度输入 4 单位重加速度输入 一般控制系统的典型输入形式 一般形式 式中 是不包括的多项式 为正整数 一般只讨论的情况 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 62 11 6 1最少拍随动系统设计 利用Z变换的终值定理可以求出稳态误差为 稳态误差为零的条件是 当取时 不仅可以简化数字控制器 降低控制器阶数 而且还可以使E z 的项数最少 调节时间最短 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 63 11 6 1最少拍随动系统设计 1 单位阶跃输入 m 1 典型输入下的最小拍控制器 经过T 一拍 后 系统偏差e k 0 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 64 11 6 1最少拍随动系统设计 2 单位速度输入 m 2 经过2T 二拍 后 系统偏差e k 0 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 65 11 6 1最少拍随动系统设计 3 单位加速度输入 m 3 经过3T 三拍 后 系统偏差e k 0 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 66 11 6 1最少拍随动系统设计 三种典型输入的最小拍系统 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 67 按单位速度输入设计最小拍系统 在单位阶跃输入时 输出序列 输出序列 在单位加速度输入时 输出序列 输入序列 2T后跟踪 2T后跟踪 但有超调 始终存在跟踪误差 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 68 按照某种典型输入设计的最少拍系统 对其他形式的输入响应并不一定理想 说明最少拍系统对输入信号变化的适应性较差 为解决此问题 通常的做法是预先编制出不同输入所对应的数字控制器的计算机程序 然后根据输入类型调用相应的程序 结论 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 69 11 6 2最少拍无纹波随动系统设计 最少拍系统的输出响应只在采样点上保证误差为0 不能保证采样点之间的误差值也为0 即最少拍系统的输出响应在采样点之间存在纹波 这种纹波不仅造成在非采样时刻的误差 而且浪费执行机构的功率 增加机械磨损 为此 应当设法消除这种纹波 1 纹波产生的原因 例 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 70 对于单位阶跃输入 可设计出最少拍有纹波数字控制器 即从第一个采样周期起 偏差就已经达到并保持为零 但控制量的Z变换为 可见 控制量不是恒定的 而是在波动 因此系统输出中也必然出现纹波 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 71 11 6 2最少拍无纹波随动系统设计 2 消除纹波的条件 那么在确定的典型输入下 经过有限拍后 u k 就可以达到相应的稳定值 纹波是由于u k 波动引起的 要消除纹波 必须使其恒定 设计方法 在前述最少拍设计的基础上对u k 提出附加条件 设计一个系统 使u k 在典型输入作用下 经有限个周期以后 达到相对稳定 不波动 只要是的有限多项式 例如 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 72 2 消除纹波的条件 系统无纹波的条件 例3 2 见教材P88 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 73 应由输入形式 的不稳定极点和的阶次决定 最少拍无纹波控制器 在阶跃输入下 该数字调节器的输出Z变换为 从第二拍起输出恒为0 因此输出稳定在稳态值 不会出现纹波 第11章直接数字控制系统11 6数字控制器的直接设计方法 74 11 6 3大林控制算法 在工业生产过程中 对于含有大纯滞后环节的被控对象适用于的控制系统 一般要求没有或很少有超调量 且过渡过程尽快结束 但并不要求必须限制在几个采样周期内完成 显然 一般控制系统的设计方法是不适用的 纯滞后很大的被