PID串级控制及其解耦PPT

,1,计算机控制系统的控制规律,3.1数字PID控制3.1.1数字PID算式,模拟PID算式,数字PID算式,2,计算机控制系统的控制规律,3.1.1数字PID算式数字PID算式的两种形式,3,增量式PID算式推导,式中：,4,增量式PID算式推导,进一步整理得：（按ek，ek-1，ek-2项进行整理）,其中：,增量式PID算式的优点,(1)机器故障时影响范围小；(2)手动自动切换时冲击小；(3)计算相对简单。,5,计算机控制系统的控制规律,3.1.2PID参数的整定1)采样周期T的选择2)扩充临界比例度法整定Kp，Ti，Td,扩充临界比例度法整定参数值简表,采用简化的扩充临界比例度法有下式成立：,6,将T，Ti，Td代入增量式PID算式,得：,采用简化的扩充临界比例度法有下式成立：,7,计算机控制系统的控制规律,3.1.3PID控制算式的发展1)带死区（不灵敏区）的PID控制,基本思想：在误差中人为地设置一个不灵敏区域，当误差小于不灵敏区域时，保持原控制量不变，当误差等于或大于不灵敏区域时，计算、输出当前时刻控制量。,图形描述,公式表示,适用于控制过程要求尽量平稳，控制精度要求不高的场合。,8,计算机控制系统的控制规律,3.1.3PID控制算式的发展2)积分分离的PID控制,图形描述,公式表示,适用场合,适用于有严重积分饱和的场合。如有滞后的系统大幅升降设定值时等。,9,计算机控制系统的控制规律,3.1.3PID控制算式的发展3)不完全微分的PID控制,模拟控制器中常用的三种不完全微分形式：,（1）（2）（3）,10,计算机控制系统的控制规律,3.1.3PID控制算式的发展4)微分先行的PID控制,作用,结构图,克服大幅度改变设定值时，设定值的变化引起微分项输出的急剧变化所造成的震荡现象。,11,计算机控制系统的控制规律,3.2复杂控制规律3.2.1串级控制,系统结构,串级控制系统结构图,应用场合,串级控制系统主要用于解决多个因素影响同一被控量的相关问题。,主副回路关系,系统采样周期,12,计算机控制系统的控制规律,3.2复杂控制系统3.2.1串级控制,例：某炉温控制系统如下图所示。,13,计算机控制系统的控制规律,3.2复杂控制系统3.2.2前馈控制,应用场合,克服有滞后系统中主要的可测干扰。,基本思想,根据扰动的大小进行补偿的开环控制。,结构图,前馈串级控制系统结构图,14,3计算机控制系统的控制规律,用途：主要用于对滞后较大的系统的纯滞后部分进行补偿,基本思想：在对象两侧并联一个史密斯预估控制器（史密斯补偿器），使经补偿后的对象整体不含纯滞后部分。,3.2复杂控制系统3.2.3史密斯（Smith)预估控制,设含有纯滞后环节的对象传递函数为：,15,整理得：,补偿后可采用较大的控制作用对对象进行控制,计算机控制系统实现控制时，要将转换成差分方程式,设对象传含为：,或,以一阶惯性环节加纯滞后环节为例,16,推导过程见P.40,17,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,数字PID控制器结构框图,18,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,3.3.1设定值处理,主要解决多级和串级计算机控制系统中设定值的选择,设定值处理模块,19,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,3.3.2被控量处理,主要实现对被控量的上下限越限报警和限制被控量的变化率,被控量处理模块,带死区的报警状态示意图,20,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,3.3.3偏差处理,主要实现计算偏差，偏差报警，非线性特性处理和输入补偿四项功能,偏差处理模块,21,计算机控制系统的控制规律,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,2)偏差报警,当误差状态量=1时当误差状态量=0时,当偏差大于规定的范围时进行报警或限幅。,22,计算机控制系统的控制规律,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,指在误差中人为地设置一非线性特性区域，在此区域内，控制量的输出由增益决定，即。非线性区域外为常规PID控制。,带死区PID控制非线性PID控制常规PID控制,如,23,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,3.3.3偏差处理,4)输入补偿,输入补偿有两个输入（见图），加入输入补偿量的方法由输入补偿状态量ICM决定。,无补偿，不对外接输入信号进行补偿；加补偿，加入外接输入信号；减补偿，减去外接输入信号；置换补偿，用外接输入信号代替系统原输入信号。,24,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,3.3.4PID计算,PID计算,25,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,3.3.5控制量处理,控制量处理,26,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,3.3.5控制量处理,1)输出补偿,与输入补偿类似，输出补偿方法有输出补偿状态量OCM决定。,无补偿，不考虑外接输出补偿信号的作用；加补偿，加入外接输出补偿信号；减补偿，减去外接输出补偿信号；置换补偿，用外接输出补偿信号代替系统原输出信号。,27,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,3.3.5控制量处理,系统运行出现异常时采取的一种保护措施。,28,计算机控制系统的控制规律,3.3数字PID控制器的工程实现,3.3.6自动手动切换,自动手动切换,软手动,操作人员用手动的方式通过键盘或上位机给出控制量，而不是通过硬件设备给出控制量。,29,3.4解耦控制,1)什么是耦合？,耦合：多输入多输出系统中各回路间相互影响，相互关联的情况称为耦合,30,3.4解耦控制,2)耦合的害处,只要系统中有一个回路不稳定或出现故障，就会造成其他回路的连锁反应，耦合严重时系统甚至是不稳定的。,31,3.