ZXQ第四章调节器

第四章调节器,第四章调节器,教学目的要求：掌握基本控制规律及其对控制过程的影响；掌握DDZ-III型控制器的结构、电路及工作原理分析；理解数字调节器和可编程序调节器的功能和原理，了解它们的使用方法；理解PID参数自整定调节器的功能与结构，了解其使用方法。教学重点：PID控制规律，数字调节器和可编程序调节器的原理DDZ-III型控制器的结构、电路及工作原理分析教学难点：基本控制规律及其对控制过程的影响。,第四章调节器,4.1概述4.2PID控制规律及实现方法4.3模拟调节器4.4数字调节器和可编程序调节器4.5PID参数自整定调节器,调节器：是控制系统的大脑和指挥中心。偏差：XXXR,4.1概述,控制规律,PID控制规律、自适应控制、模糊控制等PID控制得到广泛的应用对于非线性严重、大滞后对象的控制效果较差，需要采用其它控制算法。,4.2PID控制规律及实现方法,一、常规PID控制规律,时间特性：观察输入信号变化，控制规律的瞬时响应过程。微分方程与传递函数：控制规律的精确数学表达频率特性：观察输入信号在频率变化时，控制规律的响应规律。差分方程：微分方程或传递函数的离散化算法，用于计算机软件编程。,控制规律的表示方法：,调节器性能指标,静差控制精度比例度：表征调节器放大倍数的可控参数,微分方程：u=kpe传递函数：W(s)=Kp频率特性：W(jw)=Kp,1、比例调节器（P）,增大KP可以减小静差，但会使系统产生自激振荡,例：简单的水位控制系统,1、比例调节器（P）,表征调节器放大倍数的可控参数为比例度。比例度：,表示输出变化全范围（100）所对应的输入变化范围，如图4.3所示。,例：测温范围为400-800度，控制器输出0-10mA，当指针从600度移到700度，输出从4mA移到9mA，求比例度值。,由于P调节器的输出与输入成比例，只要有偏差存在，调节器的输出立刻与偏差成比例变化。,特点：1）及时迅速，有余差；2）增大Kp可以减小余差，但使系统稳定性变差，容易振荡3）一般用在干扰小，允许有余差的系统。,一般地说，若对象的滞后较小，时间常数大以及放大倍数较小时，控制器比例度可以小些，以提高系统灵敏度，使反应快些；反之，选大些。,2、比例积分调节器（PI）,只要e不为0，则输出一直增加，消除静差是它的重要作用；不能单独使用，常与比例作用组合。,2、比例积分调节器（PI）,TI越小，KI越大积分速度越快，积分作用越强TI过小，易引起系统振荡,由于实际的PI调节器具有饱和特性，特性只能在某一区域里是线性的，并且静差与KI有关。,注意：由于积分输出随时间积累逐渐增大，故调节作用缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降，因此不能单独使用。,当u=100%时，误差e最大,KI是消除静差的一项指标,问题：当对象滞后很大时，可能控制时间长，最大偏差也大；负荷变化过于激烈时，由于积分动作缓慢，控制不及时，可以增加微分作用。,在对象惯性大时，需要根据被控量变化趋势采取控制措施，防止被控量产生更大偏差。,3、比例微分调节器,3、比例微分调节器,微分作用根据偏差变化速度进行调节，即使偏差很小，只要出现变化趋势，就有调节输出，故有超前调节之称。在偏差恒定不变时，微分作用为0，故不能单独使用。,4、比例积分微分调节器,4、比例积分微分调节器,当t=0,u(0)=KpKDe当t，u（）=KpKIe,比例系数KP、积分时间TI、微分时间TD对控制效果的影响（重要）,Kp:Kp越大，系统反应灵敏，过渡过程越快，稳定度下降。TD:TD越大，微分作用越强，能够克服容量和测量滞后，但对突变信号反应过大，降低稳定性。TI:TI越小，积分作用越强，消除余差越快，稳定度下降，振荡加强。,二、控制规律实现方法,1、模拟调节器的实现方法,2、数字调节器的实现方法,RC电路放大器RC反馈,CPU运行软件代替模拟运算电路,二、控制规律实现方法,1、模拟调节器的实现方法串联式PID调节器微分先行调节器并联与串并联混合式调节器,2、数字调节器的实现方法模拟化设计方法数字化设计方法,P:,PD:,PI:,传递函数,注意：只要F1，TI和TD的变化都会影响,微分先行调节器,微分作用只对测量值有效，在设定值变化时没有针对它的微分作用。,并联与串并联混合式调节器并联式PID,KP为干扰系数,3个运算电路并联连接，避免级间误差累积放大，保证整机精度；但KP变化会使实际积分时间和微分时间变化,并联与串并联混合式调节器并联式PID,串并联混合式,将控制系统看成一个连续系统，应用连续系统理论设计校正环节，然后将校正环节的模拟算法离散化。采样周期小于信号最小周期的一半（常取八分之一）。,模拟化设计方法,传递函数离散化,数字化设计方法将控制系统看做一个离散系统，根据系统性能指标要求直接求出数字控制器的离散算法。,一、DDZ-III型调节器1、功能和性能指标功能：对偏差VIVS做PID运算；指示输入信号VI，设定信号Vs与输出信号Io实现正/反作用控制；能手动操作；手动与自动能双向无平衡无扰动切换。,4.3模拟调节器,输入15VDC输出420mADC输入阻抗影响0.1Fscal负载电阻250750内设定15VDC闭环跟踪精度0.5外设定420mADC电源24V10比例带：2500再调时间TI：0.012.5分或0.125分预调时间TD：0.0410分，或断开微分增益KD：10,基本性能指标：,2、工作原理：控制单元指示单元组成,3、电路分析输入电路偏差输入电平移动电路,PD电路微分作用的投入与切除是无扰的,无扰切换：电路切换前一瞬间的输出值与电路切换后一瞬间的输出值相同，电路状态切换是无扰的。,无平衡切换：自动和手动相互切换时，无需事先平衡，可以随时切换至所要求的位置。,工作原理,输入阶跃时，CD两端电压不能突变，U01=UTCD开始充电,UCD不断上升，至充电结束，有UCD=U01（n-1）/n,UT=U01/n，并保持不变,U02=UT,对于微分网络：,U02=UT,分析无扰切换过程：1.“断”：微分作用切除，只有比例作用，VT=V01/n,VCD=(n-1)V01/n,自行分析由通向断时无扰切换的情况,2.”通”：VCD=(n-1)V01/n，VT=V01/n,从而保证了开关由断到通时，VT不变,PI电路手动操作与切换问题,比例运算电路（CI、CM、IC）积分运算电路（RI、CM、IC）,电路组成：,K03：开环增益,软手动操作：K1置向2，Km闭合，Vm通过Rm以恒定电流向Cm充电，V03不会突变。V03上升或下降速度取决于RM和Cm的数值,切换过程：1)手动时，与K1联动的K2将C1接在V02上，有VCI(t-)=V02(t-)，V03(t-)=VCm(t-)2）切换到自动时，VF(t+)=V02(t+)-VCI(t+)=V02(t+)-VCI(t-)=V02(t+)-V02(t-)=0V03(t+)=VCm(t+)-VF(t+)=VCm(t-)=V03(t-)实现手动向自动的无扰切换,K1置向3，构成反相比例放大器，UH为变化缓慢的直流信号，RF与Cm并联后，可以忽略Cm的影响.,有V03=-Vh,由于RH=RF,硬手动操作：,当电路切换到硬手动状态，如果调节V03=-Vh，仍可做到无扰切换，但需要预调平衡,硬手操状态到自动状态同软手动到自动状态（自行分析）,输出电路负载可变的恒流电路,将1-5V的电压转换为电流信号,指示电路,V0=ViIO=UO/RL=UI/RL,为一个电压-电流转换器，当开关处于测量位置时，,流过电流表的电流为IO=IO+If其中,If=UF/R=(UB+Ui)/2R,所以IO=（1/RL+1/2R）Ui+UB/2R,与表头内阻无关,为了检查指示电路是否正确，设置了标定电路，标定时，接收3V的标准电压信号，电流表应指示在50%上。,4、DDZ-III型调节器的特性分析1）传递函数,比例带：2500再调时间TI：0.012.5分或0.125分预调时间TD：0.0410分，或断开微分增益KD：10,计算见P61,2）误差分析,解决方法：在R6支路上串接一个可调电阻，用于调节输入电路的静态对称。,积分电路中运放的失调电压引起误积分运算解决方法：同相输入端VT不直接地接Vb，而是接一个高精度的可调电源,输入电路的静态对称问题：所有信号去掉，运算放大器两个输入端的对地电阻相等，实际,二、积分饱和问题,由于积分导致VF和VT不相等，称为积分饱和。Vi反向时，由于积分饱和，Vo不能马上变化，导致控制滞后。,抗积分饱和的措施：当输出达到限幅值，积分作用没有停止，产生积分饱和。采取某种方法自动地监视着积分环节的输出，当输出达到限幅值时限制电容上的电压VC；取消积分作用，转换为比例作用使输入信号为零或反向。,小结：1.比例度、积分时间、微分时间变化对调节规律的影响2.P、PI、PD、PID的特性曲线3.PID调节器的实现方法4.积分饱和及其危害，抗积分饱和措施5.模拟调节器的基本组成电路原理，如何实现手动和自动无扰切换,4.4数字调节器和可编程序调节器,一、数字调节器1、硬件结构,数字调节器与一般计算机系统的区别：,1.抗干扰能力极强，多路，多种信号的输入输出通道2.人机界面较简单3.通信接口符合厂家协议4.RAM、ROM比计算机小,数字调节器实际上就是一台用于工业控制的微型计算机,2、软件构成,软件功能单一、任务明确。软件由监控程序与应用程序构成。,二、模拟量输入通道,考虑：抗干扰，实时性，精度，转换速度，转换多路不同信号制的模拟信号以及成本价格等方面的因素。,1、高精度的多路数据输入通道,采样保持器S/H，安装在多路切换开关之前，有利于提高转换速度。,2、同步通道,各种控制总线、数据总线均采用光电隔离，把控制现场地和控制室地实现电气隔离。,3、高抗干扰通道,4.4.3模拟量输出通道与手操电路,考虑：多路输出，无干扰，精度，负载能力，手操电路，无扰切换及成本价格等方面的因素。,1、一个简单的模出通道,2、一种带手操的模出通道设计,可逆计数器4516介绍,D：预置信号输入端Q：数据输出Cr:清零CI：禁止计数0/允许1PE：预置1/计数0U/D：加1/减0,4.4.4可编程序调节器,控制类型：基本PID控制、比例控制、采样PI控制、批量PI控制。通过与上位机通讯，可以实现预测控制、解耦控制、前馈控制、非线性控制等先进控制策略。,基本功能：提供的控制模式有：单回路控制模式，串级控制模式和选择控制模式，以及通过控制模件的组合构成复杂控制模式的可编程模式。,编程方式：编程器编程、上位机编程通信接口：RS232C，RS485，RS422。通信项目：测量值，设定值，操作输出，运行方式，高低限幅，PID常数等各种参数和调节器操作状态的读出或写入。,运算功能：加减乘除、开方、绝对值、高低选择与限幅、还有折线函数、上下限与变化率报警、一阶滞后、微分、移动平均值运算、时间信号发生器、脉冲输入计数、逻辑运算和寄存器操作运算。,软件部分：,1.系统程序包括基本程序、输入处理程序、运算程序和输出处理程序。,基本程序：程序的主体输入处理程序：包括折线处理、温度压力补偿、开方和数字滤波运算程序：算术运算、逻辑运算、PID运算、高低值选择、超前滞后等几十种程序,使用者采用组态语言自行编制，实际上是一些起连接作用的控制数据，确定模块的调用、程序的走向，将这些数据填入规定的表格中，即构成用户程序，再用编程器将程序写入EPROM中，完成编程工作。,2.用户程序,组态方法1、组态字方法:简单可靠，运算周期较长，组态灵活性不够,2、模块代码方式：组态灵活，图形化组态与传统的控制系统设计相似。,4.5PID自整定调节器,要求：了解PID自整定调节器基本概念了解自整定专家系统及整定过程,系统自动识别被控制过程的数学模型，利用各种动态过程模型参数，通过简单可靠的最优性能指标，得出的一种简明PID参数整定规则或公式，计算出优化的PID参数，并自动把这些参数装入仪表，对被控对象进行自动控制。,定义：,由比例控制系统等幅振荡时的临界比例系数Ku和振荡周期Tu，得出PID参数。,一、继电器振荡PID参数自动整定技术,在识别过程中无须加激励信号，它利用闭环回路中总存在一定的干扰，通过对干扰响应的观察，然后与智能工程基础的最优响应模型进行比较判断，从而实现过程的识别，如图4.33所示。,二、专家智能型自整定PID调节器,专家系统的核心是知识库，就是按照专家的整定与操作经验总结成的整定手册，包括响应曲线，控制目标和整定规则。,响应曲线,包含了在扰动情况下的各种输出曲线响应类型，供整定参数时使用。,控制目标根据控制系统的要求选择。例如：温度控制系统不允许超调，流量控制系统要求快速允许有小超调。,推理机构：识别出系统的输出响应波形，（如超调量、递减比、响应时间等）归为知识库中存储波形中的一种，并进行品质评价，根据控制目标的要求，采取相应措施。,整定规则：综合控制工程师的经验，转换为定量的整定公式存放于计算机，在整定时按照整定规则进行。,在线自整定：观察输出是否有波动，有，则重新计算过程特性参数的估算、评价估算的准确度、PID参数的重新计算，所求得的PID参数更新PID控制器。,2）整定过程,专家自整定控制器的工作模式：启动处理和在线自整定。,启动处理：系统投运时，根据控制