DCS基础学习课程课件二一一

第四章

集散控制系统的控制算法主要内容:1、PID控制算法2、选择性控制系统3、前馈控制4、顺序控制5、计算机优化控制目的：把理论的控制算法应用于实际的DCS工程中去，以实现良好的控制第一节PID控制算法内容提要准连续PID控制算法离散PID的算法及其改进PID调节器的参数选择小结§4.1PID控制算法一、理想PID控制算法PID控制器是一种线性的控制器，用于输出量与偏差之间的时间函数来表示。偏差：1、连续pid控制算法比例控制器

比例积分控制器

比例积分微分控制器理想PID控制算法控制作用：

比例控制：能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。

积分控制：只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。

微分控制：可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，使整个控制系统得到良好的性能。

理想PID控制算法2、离散的PID控制

位置算法比例进行采样：

kce(t)≈kce(k)用求和代替积分：用差分代替微分：所以离散PID控制为：式中Ts为采样周期，Ti为积分时间；Td的为微分时间。离散的PID控制

上式为了求和，必须将系统的偏差的全部过去值都储存起来，这种式称为全量式，非递推式，这种算法得出的全量U(K)是控制量的绝对值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，是一一对应的。缺点是每时刻计算机都要重复计算阀位的位置，必须把偏差的全部过去数据都积累起来，容易产生积分饱和离散的PID控制增量算法在位置算法中控制器在第K次与第k-1次采样的输出分别为：（1）（2）(1)-(2)式得设

设为了简化设：上式只表示出各次偏差量对控制作用的影响，已看不出P、I、D作用的直接关系了，只存储三个偏差采样值足够e(k)e(k-1)e(k-2)离散的PID控制速度算法它是增量算法除以采样周期，是增量算法的变形，没有累加和项，不会出现积分饱和，避免了大的超调和震荡

三种算法的选择：一是要考虑执行器的形式，另一方面要分析应用时的方便性1、从执行器看：位置算法的输出除用数字式控制阀可直接连接外，一般须经A/D转换为模拟量，还要有保持电路。而增量算法可通过步进电机等累积机构转化为模拟量。速度算法的输出采用积分式执行机构。2、从应用方面看：增量和速度手自动切换较方便；不产生积分饱和。位置算法正好相反。离散PI哗D控制被算法详的优泡缺点优点捎：离冠散PI画D的P、著I、扇D三个亦作用躺是独陕立的慈，可桨以分端别整临定，瓣计算球机实兽施时进，等华效的Ti期T耕d可以里在更晌大范绵围内汽自由漏选择击；积长分微昆分作右用的异某些淋改进店更为榨灵活小多变途。缺点据：如洞果采崇用等智效的PI吹D参数毛，离稠散PI捎D控制吉往往察差于佩连续稠的控筝制，今滞后倍1/员2Ts采样港周期畜选择鸽：◆根据谷香农苗采样枕定理宿，系震统采泉样频貌率为郊：fs≥2fma饭x（ｆma损x被采絮样信永号的者最高品）满足自这一享定理检，采逆样信戴号方筋可恢虫复或毒近似副地恢复为肌原模悠拟信砖号，快而不苹丢失诱主要描信息掠。在移这个徐限制橡范围避内，浅采样拒周期主越小淹，采北样-割数据兰控制挑系统马的性景能越党接近绢于连滑续-扣时间偶控制捡系统。三、胖控制东度和晨采样疮周期控制唉度和找采样哭周期◆从执第行机级构的留特性阴要求草来看抹，有管时需拿要输讽出信踏号保锁持一职定的浆宽度棍，采心样周逆期必葬须大绳于这呆一时薪间◆从控备制系交统的貌随动号和抗葵干扰璃的性雾能来金看，愿要求方采样塞周期锄短些◆从微监机的话工作铲量和浮每个毅调节新回路贡的计颗算来巷看，完一般偶要求漏采样攀周期穴大些◆从计逃算机求的精惧度看师，过旬短的漏采样垃周期述是不总合适薄的控制抽度和敬采样男周期◆实际拔选择明采样除周期利时，番必须高综合亮考虑—采用葡周期照要比端对象箱的时严间常鞭数小谊得多鸟，否仔则采害样信街号无染法反惹映瞬亚变过并程—采用战周期危应远园小于负对象抗的扰舰动信板号的桥周期—考虑睁执行弄器的续响应撤速度—当系贝统纯恩滞后袄占主堡导地卷位时烤，应应按纯若滞后辉大小奖选取垃，并翅尽可振能使慢纯滞锯后时童间接路近或笛等于木采用真周期屡的整路数倍—考虑牺对象掘所要突求的棵控制告质量拳，精臂度越啄高，习采样悬周期痰越短娘，以锤减小夜系统蝴的纯粉滞后控制冷度和俭采样卫周期◆常见阶被控虚量的椅经验具采样叔周期被测参数采样周期说明流量1—5优先选用1—2s压力3—10优先选用6—8s液位6—8优先选用7s温度15—20或纯滞后时间，串级系统：副环T=1/4—1/5T主环成分15—20优先选用18s2、选择锹控制件度。控制听度，爹就是殖以连凉续-晌时间PI爽D控制缎器为饿基准匹，将亚数字PI腰D控制峡效果虹通与捕之相验比较课，常嗓采用昂误差息平方骨积分役作为云控制梨效果两的评授价函联数。控制看度掀=采样礼周期TS的长傲短会呀影响响采样-数据硬控制赴系统的品波质，柿同样棕是最膛佳整睛定，左采样-数据看控制光系统德的控啄制品盲质要门低于拴连续-时间展控制撤系统羊。因类而，控制后度总是膀大于1的，店而且春控制见度越巷大，普相应模的采倚样-数据屯控制揉系统抚的品畜质越失差。灭控制门度的演选择喊要从春所设呜计的顽系统再的控把制品配质要浇求出魔发控制扑度和团采样乏周期四、PI发D调节玩器参唱数整定PI姐D控制贺器的展参数鸭整定角是控屋制系避统设趴计的叮核心蛛内容律。它谨是根练据被全控过碰程的嗓特性泡确定PI旧D控制梅器的顶比例糟系数处、积诱分时敞间和赔微分仔时间窄的大缎小。PI冶D控制软器参刻数整互定的缓方法气：一是幻玉理论卸计算亚整定早法。粥它主选要是陕依据中系统命的数杯学模舞型，脚经过店理论归计算俩确定槐控制代器参酬数。二是岔工程短整定恒方法典。它胁主要常依赖乱工程福经验栽，直脚接在毛控制炕系统随的试汗验中虎进行幅，且煌方法芦简单腥、易熔于掌恒握，支在工翻程实悉际中兵被广站泛采港用。PI佣D调节海器参猪数整鹅定PI裂D整定世的理剥论方暮法通过杏调整PI振D的三洞个参设数Kc、TI、TD，将祖系统怒的闭广环特炊征根醉分布肃在s域的汗左半术平面击的某婚一特时定域暖内，天以保弄证系毁统具蛙有足姻够的岂稳定骂裕度康并满骆足给碧定的捡性能霉指标只有宴被控摊对象环的数次学模巷型足史够精虎确时薄，才旱能把催特征阁根精工确地掌配置医在期按望的墓位置府上，调而大射多数书实际竿系统所一般文无法图得到倘系统捉的精斧确模握型，眯因此掌理论府设计众的极骨点配物置往禁往与旗实际辆系统挥不能禾精确闯匹配PI获D调节奥器参另数整月定ＰＩ初Ｄ调驶节参锣数工絮程整床定试凑哥法确绿定PI历D◆通过瞧模拟性或闭谁环运普行观泪察系脏统的精响应垮曲线移，然留后根响据各租环节许参数经对系盆统响羞应的冠大致田影响丑，反凡复凑逮试参档数，嘴以达宅到满绣意的翅响应欣，从伴而确仓定PI着D参数◆Kp增大割，系辉统响露应加草快，迈静差州减小澡，但绪系统滑振荡必增强笔，稳偏定性念下降挤；Ti增大判，系臭统超稻调减奔小，朗振荡秘减弱级，但爱系统帽静差异的消罪除也婚随之讽减慢锦；Td增大唐，调节两时间晓减小半，快愧速性筹增强商，系统如振荡私减弱梁，稳忙定性苦增强岂，但役系统烈对扰直动的厨抑制毕能力凯减弱PI段D调节姻器参渴数整改定在凑涝试时径，可起参考桨以上击参数娃分析漫控制趋过程喊的影恳响趋裁势，件对参世数进呢行先比态例，欣后积倘分，缴再微戏分的整渡定步给骤，杯步骤盲如下数：（1狮）整蹄定比历例控遗制预选侍择一蒙个足饱够短伴的采灿样周往期TS。一般浑说TS应小呆于受息控对胳象纯辰延迟域时间健的十陈分之搞一。怀用选津定的TS使系欣统工贿作。这时配去掉谨积分档和微抗分作歌用，百将控饭制选川择为幸纯比储例控导制器漏，构卵成闭吐环运价行。躬逐渐译加大顺比例挑放大初系数KP，即将姿比例票控制虫作用奴由小较变到拣大，扒观察困各次乡丰响应熄，直究至得继到反胆应快观、超絮调小沟的响筛应曲灿线，崇即系棍统对撞输入丛的阶奔跃信痕号的询响应烂出现崭临界岭振荡绢（稳脑定边桥缘）PI陈D调节躬器参溪数整嗽定如果宰仅调罚节比绝例调露节器止参数栏，系西统的喊静差猴还达温不到驱设计蚀要求兔时，船则需摊加入大积分醉环节整定咸积分另环节若在尿比例填控制寇下稳楚态误简差不信能满袄足要盖求，旺需加羽入积灿分控忽制。今先将轿步骤感（1枕）中将选择旺的比忆例系链数减逃小为悉原来徒的5撕0～只80融％，情再将码积分解时间铸置一怀个较司大值罢，观倾测响僻应曲灿线。楚然后丑减小矮积分翻时间绑，加易大积训分作锯用，飞并相检应调姻整比泛例系从数，鼓反复华试凑残至得扒到较逗满意娇的响损应，杠确定锁比例落和积境分的惕参数红。PI长D调节胃器参震数整茧定若使革用比塔例积廉分器假，能悲消除模静差纤，但哈动态术过程刚经复稼调整伴后仍丛达不用到要野求，幅这时德可加呈入微译分环元节（3称）整潮定微停分环芹节若经膏过步呈骤（感2）筋，PI控制裹只能赠消除讽稳态魂误差洒，而坊动态予过程丹不能小令人毅满意肢，则监应加彼入微走分控务制，刚构成PI由D控制骡。先先置弓微分强时间TD=0劝，逐渐贴加大TD，同时凳相应堆地改框变比缘瑞例系隆数和震积分碗时间袖，反续复试蹄凑至患获得捆满意混的控弟制效忠果和PI今D控制咸参数女。PI煤D调节定器参王数整披定◆常见黑被控滑量的PI孤D参数冤经验职选择佣范围PI甚D调节柔器参淡数整辞定实验腐经验避法确翼定PI详D调节沸参数◆方法1:扩充权临界贼比例妻法－惑对模牛拟调务节器零中使山用的言临界誓比例茶度法陕的扩赏充和咳推广－依整定跟数字蜓控制居器参浸数的巨步骤盗：①选择躲短的池采样必频率饿：一伍般选扶择被筝控对磁象纯清滞后幕时间选的十缸分之晨一②去掉绞积分知与微纤分作势用，川逐渐仪较小杜比例扬度δ仓(δ凡=泻1/微kr），江直到献系统斑发生臣持续技等幅仔振荡只。纪输录发厦生振载荡的鹅临界涌比例退度和废周期δr及TrPI茧D调节磨器参凑数整监定③选择岛控制颗度控制混度的录指标克含意偶：控钩制度=1微.0宾5，数屈字PI延D与模棉拟控昏制效粥果相尾当；吨控制深度=2赚.0，数智字PI纲D比模逝拟调数节器攻的效旬果差PI枯D调节河器参悠数整刃定④根据鞭选定脉的控碎制度史，查粪表求顶得T、Kp、TI、TD的值控制度控制规律TKPTITD1.05PI0.03Tr0.53Kr0.88Tr--PID0.014Tr0.63Kr0.49Tr0.14Tr1.2PI0.05Tr0.49Kr0.91Tr--PID0.043Tr0.47Kr0.47Tr0.16Tr1.5PI0.14Tr0.42Kr0.99Tr--PID0.09Tr0.34Kr0.43Tr0.20Tr2.0PI0.22Tr0.36Kr1.05Tr--PID0.16Tr0.27Kr0.4Tr0.22TrPI绕D调节赖器参呈数整姻定◆方法2:阶跃游曲线许法－对何模拟婆调节挂器中淹使用水的响席应曲静线法们的扩倡充和萍推广－整被定数争字控锣制器旬参数秤的步种骤：①数字吼控制蛛器不宿接入遭控制飘系统疯，系输统开胳环，赤并处步于手问动状维态，全再手墨动给森对象冶输入贩阶跃栗信号②纪录充系统堆对阶寸跃信丽号的惊响应苍曲线③根据卧曲线凝求得转滞后慨时间τ、被恰控对洪象的屯时间能常数Tm，它志们的粉比值Tm/τ，并晌控制篇度PI千D调节敞器参浊数整客定－在冷响应狡曲线胁拐点吵处（土斜率铸最大圣）处旷作一漏切线箩，求片滞后殿时间τ和被砌控对身象的看时间铜常数TmPI皆D调节冤器参厚数整筝定④根据咳选定唉的控问制度直，查倾表求如得T、Kp、TI、TD的值/u限0=永1控制度控制规律TKPTITD1.05PI0.1τ0.84Tτ/τ0.34τ--PID0.05τ0.15Tτ/τ2.0τ0.45τ1.2PI0.2τ0.78Tτ/τ3.6τ--PID0.16τ1.0Tτ/τ1.9τ0.55τ1.5PI0.5τ0.68Tτ/τ3.9τ--PID0.34τ0.85Tτ/τ1.62τ0.65τ2.0PI0.8τ0.57Tτ/τ4.2τ--PID0.6τ0.6Tτ/τ1.5τ0.82τPI膛D调节楚器参闪数整辨定◆方法3:归一串参数姥整定沫法—简化蕉扩充架临界导比例未法，蛇只需惠整定梁一个嗽参数啄，因嗓此称末为归零一参析数整吨定法—思想抚：根冲据经羽验数百据，享对多晌变量变、相岗互耦裹合较疫强的械系数丽，人址为地菠设定盏“约蜻束条玩件”收，以窃减少浓变量胞的个车数，佳达到夺减少场整定蓬参数稳数目炮，简选易、缓快速痛调节社参数卡的目浴的—方法角：设Tk为纯抓比例翠作用宏下的美临界雅振荡炸周期葬，可叛令T=淘0.夸1仓Tk；TI=0罚.5赔Tk；TD=0龟.1导25义Tk，则：只需难整定Kp，观哪察效断果，督直到磨满意顿为止捧。参数拳整定扁法：捕参数乞整定听找最押佳，熔从小内到大胞顺序号查先是晋比例箩后积磁分，分最后望再把状微分散加曲线牵振荡予很频和繁，辞比例默度盘疲要放岭大曲线纠漂浮弹绕大娘湾，帮比例碗度盘金往小病扳曲线盖偏离特回复梅慢，缎积分条时间揭往下透降曲线句波动坝周期闷长，岸积分乘时间怀再加辣长曲线返振荡皇频率什快，豆先把全微分孩降下堆来动差彼大来拥波动差慢。猜微分德时间逐应加债长理想痰曲线的两个敢波，挨前高水后低4比1一看麦二调生多分廊析，渗调节脂质量果不会低积分桌方法予的改灿进◆积分确饱和睛：如调果执池行机沙构已雅到极粒限位渗置，晚仍然岛不能鞋消除亏偏差雷，由胃于积逆分的愤作用细，尽给管计校算PI粘D差分肿方程撒式所守得的因运算济结果税继续隐增大吴或减稀小，奶但执倦行结戒构已闻无相咱应的孤动作拖，控倚制信旷号则价进入喘深度按饱和茎区。◆影响茅：饱和施引起跳输出命超调竹，甚涨至产溉生震词荡，仓使系尾统不耗稳定狂。◆改进贸方法碗：积蔬分分部离法齐、遇口限削角弱积幕分法剑、有捐限偏惧差法苗、◆圆整涂误差朝法