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1、1,第5章 数字调节器,本章主要内容：概述 模拟量输入/输出通道 数字式PID调节器 PID参数自整定调节器,2,数字式调节器的优点：开发周期短，性能价格比高；具有自检自诊断的异常报警功能和通信功能；控制精度高，性能稳定，工作可靠；使用和维护方便。数字式调节器目前已在各行各业的自动控制系统中得到广泛的应用。,5.1 概述,3,1、数字调节器的硬件构成：,4,由图可见，在直接数字控制系统中，除生产过程及现场仪表外的部分即为数字调节器，它由主机、过程通道、键盘及显示器等基本部分构成。当要求与操作站或上位机通信联络时，需配通信接口，当需打印记录信息时另配打印机接口。主机是整个数字调节器的核心，由它存
2、储程序和执行程序，以配合其它硬件组成和程序完成数字调节器的预定功能。采用不同机型的主机，其总体结构、指令系统不同，将会影响数字调节器的构成、功能和性能。,5,过程通道是数字调节器的重要组成部分，输入通道用于将现场仪表检测到的被控参数变为主机能够识别和接收的信息，以便进行处理。输出通道用于将主机输出的信息变为现场执行器所需的信号形式。输入通道和输出通道又都包括模拟量通道和开关量通道两种类型。键盘、显示器也是数字调节器的重要组成部分，它是一种简单的人机接口。2、数字调节器的软件构成：数字调节器的全部工作都是在硬件环境下，由微处理器执行程序完成。数字调节器的软件包括监控管理程序和应用程序两大部分。,
3、6,5.2 模拟量输入/输出通道,过程输入/输出通道是计算机与生产过程之间的纽带，连续变化的工程量经传感器或变送器后变为模拟电流或电压信号，必须经数字调节器中输入通道的A/D转换器后才能由CPU采入，并进行运算处理及控制算法运算，计算得出的控制量需经模拟输出通道的D/A转换器后送出标准电流信号去控制执行器，对生产过程进行控制。模拟量输入通道 1、分类：从接受电信号的电平分：高电平和低电平输入通道；从抗干扰性能角度分：非隔离型和隔离型高抗干扰输入通道；从结构上可按共用一个放大器或A/D转换器及不共用多种组合。,7,（1）共用一个采样/保持器（S/H）和A/D转换器的高电平模拟量输入通道（如下图所
4、示）。,8,（2）各通道分用采样保持器，共用 A/D转换器的模拟量输入通道（如下图所示）,9,（3）低电平模拟量输入通道 有的数字调节器具有低电平模拟量输入通道，它能直接接受由传感器输出的毫伏级信号或直接连接热电阻等传感器。由于各种不同的传感器输出信号范围各异，如共用一个不变增益的放大器，采集模拟量输入通道将信号放大后送A/D转换器，就会降低转换精度。为解决此问题，可以有两种结构供选择。1）各通道分别设置放大器，将输出放大到同一电平后再送模拟多路开关。这实际上与高电平模拟输入通道在结构上并无区别，只是将变送器中的放大器移入了输入通道中。2）各通道共用一个程控放大器，对不同通道控制其有不同增益，
5、以使各通道输出范围在A/D转换器前取得一致。,10,（4）高抗干扰模入通道 输入通道的干扰从形式上可分为串模干扰和共模干扰两种类型。串模干扰抑制：串模干扰是指与被测信号相串联的干扰，它可能产生于信号源内部，也可能来自外部，如信号传输线沿途受到干扰产生的感应电动势。由于串模干扰是迭加在被测信号上的，只能利用干扰与有用信号的不同频谱特性通过滤波来加以消除或减小。在过程控制中，一般被测信号变化都较缓慢，而干扰信号频率都较高，可采用低通滤波器减小干扰信号，在模拟量输入的入口处必须接入低通模拟滤波器。,11,对频率特别低的干扰和尖峰干扰等，可以在其经过输入通道进入主机后，用数字滤波进行处理。更重要的抗干
6、扰措施是消除干扰源对输入回路的影响，如对信号源与微计算机之间的信号传输线采用带屏蔽的双绞线或同轴电缆。共模干扰抑制：共模干扰是指同时作用于两个输入端的干扰。由于数字调节器的信号源分布在生产现场，一般引线都很长，使被测信号端的地线与主机地线间存在一定电位差Vcm，在输入通道的两个输入端上形成同向、等量的干扰电压，这即为共模干扰。它可能是直流电压，也可能为交流电压，数值可达几伏至几十伏，由产生干扰的周围环境条件及接地情况而定。对微弱信号进行放大需使用共模抑制比极高的差动输入放大器。,12,13,二、模拟量输出通道 在数字调节器中，运算处理后得到的控制信号仍是数字量，需经模拟量输出通道变换为能直接驱
7、动执行器的信号。进行闭环连续控制的执行器大致有以下几类：1）由伺服马达驱动的电动执行器。2）由电气转换器驱动的气动执行器。3）由步进电动机驱动的电动执行器。4）控制电加热系统的晶闸管。输出通道根据所用D/A转换器的情况可有两种形式。,14,多个输出通道共用一个D/A转换器，其结构示意图如下图所示。,多通道共享一个 D/A转换器的输出通道适用于输出通道较多或 D/A转换器要求高的数字调节器中。由于采用模拟保持器，保持时间有限，故需在一个采样周期内频繁地用已计算出的控制量进行输出扫描。输出扫描方式有硬件扫描和软件扫描两种，硬件扫描电路较复杂，软件扫描则将占用相当多的CPU时间。,15,每个通道各用
8、一个 D/A转换器，其结构如下图 所示。,这种输出通道结构的优点是可靠性高，一路出现故障不会影响其它路的工作，且不需其它硬件扫描电路或程序扫描，但它使用 D/A转换器较多。,16,一、数字式调节器控制规律的实现,5.3 数字式PID调节器,DDZ调节器是模拟式调节器，它利用电子电路进行连续的PID运算。数字式调节器以微计算机为核心进行有关控制规律的运算，所有控制规律的运算都是周期性的进行，即数字式调节器是离散系统。因此，用于连续系统的PID控制规律必须进行离散化后方可应用于数字式调节器。,控制算法：完全微分PID算法(理想PID算法)不完全微分PID算法(实际PID算法),实现形式：位置型、增
9、量型、速度型和偏差型,17,二、数字调节器的设计方法 数字调节器控制算法的设计有模拟化设计方法和数字化设计方法两种。数字调节器的模拟化设计方法是基于将数字控制系统看一个连续系统，如下图所示。,18,直接数字化设计是设计数字调节器的另一种方法，它是将计算机控制系统看成一个离散系统，如下图所示。它实际上是通过零阶保持器和采样器将连续对象离散化了。利用离散系统理论，可以根据系统性能指标要求直接求出数字控制器的离散算法D（Z）。,19,三、PID控制算式,（一）PID控制算式的基本形式 数字调节中的PID控制算式是将PID的模拟表达式进行离散化而得到的。PID的模拟表达式为式中 p调节器的输出信号；e
10、调节器的偏差输入信号，是测量值m与给定值r之差，e=r-m；KP、TI、TD分别为调节器的比例系数、再调时间（也称积分时间）、预调时间（也称微分时间）。,20,因为采样周期Ts相对于信号变化周期是很小的，这样可用矩形法计算积分，用向后差分代替微分，则上式变成离散PID算式为,式中t=Ts采样周期；pn第n次采样时调节器的输出；en第n次采样的偏差值en=r-mn；n采样序号。,21,上式为位置式算式，其计算出的输出量与执行机构（阀门）的位置相对应。由上式同样可列出第（nl）次采样的输出表达式 由上面两式相减，可得PID调节器输出增量的表达式,式中KIPID控制算式的积分系数KIKPTS/TI；
11、KDPID控制算式的微分系数KD=KPTD/TS。,22,上式运算结果p表示了执行机构（阀门）位置应改变的增量，为增量式算式。位置式和增量式两种控制算式在本质上并无多少区别，只不过在用位置式算式时，pn=pi的任务由软件完成，而在用增量式控制算式时，则需由硬件中的输出通道来完成。采用位置式和增量式算式时，数字控制系统示意图如下图所示。,23,注意：由于控制算法不同，输出控制量不同，两种系统中所用输出通道结构也就不同。用位置算式时，输出通道只起保持器和D/A转换器的作用，因而常用数码寄存器和 DA转换器，它接受位置输出信号，并将它转换为模拟控制信号，直接送去控制执行器；当用增量式控制算式时，输出
12、通道要承担累加增量输出的任务，并将累加量变为模拟输出量，现在常用的输出通道有可逆计数器加并行DA转换器，或采用步进电机，这两种增量式输出通道前面都必须有并串转换器，将计算机输出的并行码变为串行码，可逆计数器或步进电机才能接受。,24,由上述可见，两种算式在本质上是一样的，但增量式算式却有一些优点，使它的应用更广泛。这些优点主要有：1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，误动作时影响小。必要时通过逻辑判断进行保护，不会严重影响系统状态。2）易于实现手动一自动的无扰切换。,25,增量式输出PID控制系统手动自动切换示意图,26,增量运算、位置输出PID控制系统原理示意图,27,（二）P
13、ID控制算式的变型 为了改善控制质量，针对不同对象，PID控制中引入了许多新内容，我们仅举以下几个例子。,（1）完全微分PID算法,位置型：,增量型：,速度型：,偏差型：,28,（2）不完全微分PID算法,完全微分PID算法的缺点：,微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制系统振荡，降低控制品质；阀门开度时间与调节器的输出信号时间不相对应。,不完全微分PID调节器：在完成微分PID的输出端串联一阶惯性环节，如下图所示。,不完全微分PID调节器组成原理框图,29,不完全微分PID算法的输出在较长时间内仍有微分作用，可获得较好的控制效果，在数字式调节器广泛应用。,不完全微分PID位置型算
14、法：,不完全微分PID增量型算法：,30,（3）抗积分饱和算法,数字调节器最简单的抗积分饱和方法是积分分离法，其基本原理是，在偏差 较小时加入积分作用；而 较大时取消积分作用。这样便减轻积分累计的饱和程度，以达到抗积分饱和的目的。,对于理想PID算法的增量形式：,首先判断偏差 的绝对值 是否趋于预先设定的偏差限定值A，,然后确定是否投入积分作用，即：,31,（4）微分先行PID控制 微分先行PID的结构图如下。PD与PI串联，只对测量量M进行微分，而不是对偏差进行微分，这样在给定值R变化时，不会产生输出的大幅度变化，即可避免给定值扰动，这种算式适用于给定值R经常变化的情况。,32,（5）积分分
15、离 PID控制 积分分离的PID算法为,式中 当eiA时，K1=1 当eiA时，K1=0。显然当eiA时，积分不起作用，只有当偏差eiA时，积分才引入。在积分分离PID算法中，也可用增量式算式。（6）带有死区的PID控制 带有死区的PID算式为:当en B时，pn=0 当 en B时，pn=pn 当偏差绝对值en B时，本次不进行计算和输出，即本次输出 pn=0；当偏差绝对值 en B时，进行PID运算，计算结果pn作为本次输出。,33,对于数字式完全微分PID算法的增量算法：,式中，,为逻辑系数,（7）数字式非线性控制,34,四、PID控制程序 PID数字调节器是利用微计算机的程序实现输入信
16、号的采集、PID控制算式运算、控制量输出以及其它运算或判断功能的。PID数字调节器的主要应用程序就是PID控制程序。PID控制程序是一个按照PID控制算式进行运算的程序，因此可用定点运算，也可用浮点运算。1定点运算的PID程序 定点运算比较快，但由于其表示数的范围比较小，因此编程前需对算式进行一些处理，既使每一步运算都不会产生溢出，同时运算所得最后结果数值正确。PID控制程序流程如下图所示。,35,36,编程中几个要注意的问题：（1）关于运算数字的表示 为了提高运算精度，在程序中采用两字节（16位二进制数）运算。一般输入通道的ADC可选8位、10位或12位，相应地输入信号为8位、10位或12位
17、数字量，将所得数字量化为16位字长的百分量，可以提高运算精度。由于采用双字节运算，因此输入、输出参数范围和PID参数范围及它们在机器中的表示法如P95 表 52中所示。PID运算结果为百分量，为了将输出控制量经 DAC输出，需将百分量化为与 DAC位数相应的数字量。,37,（2）关于积分精度 在数字调节器中引入积分作用同样是为了消除系统的静差，但由于采用有限字长运算，当积分作用的输出小于机器字长所能表示的范围时，就被视为机器零而将数丢掉。这样积分就不能再进行，使偏差en始终存在。为了减小系统静差，可以采用以下方法：l）增加积分运算的字长。2）先累加偏差，后进行乘除运算。（3）关于调节器的正、反
18、作用 作为一个通用的数字调节器，与模拟调节器一样也必须设置正反作用切换功能。根据用户需要，对“正反作用状态字”置数，当要求调节器为正作用时，将其置为00H；要求为反作用时，则置为01H。在执行PI运算子程序时，调节器根据此状态字自动对pn进行不同的处理，即正作用时直接加pn；反作用时pn变补后再与pn-1相加。,38,（4）输出限幅和抗积分饱和 积分调节的一个特点是：只要有偏差存在，输出就不断向两个极端之一变化，以致超过极限值。若采用单纯的输出限幅措施，会产生积分饱和，当输入 一旦变号，输出需从深饱和区逐渐退出，造成调节滞后，使调节品质恶化，数字PID调节也有同样问题。但在数字PID调节器中，
19、很容易实现抗积分饱和的功能，使得在输出达到限幅值时，即中断积分动作，调节器输出维持在饱和线上，保持原有的状态数据。这样就可在偏差反向时，输出立即呈现出反向积分作用。抗积分饱和系统与单纯的输出限幅系统输入输出特性比较如下图所示。,39,2浮点运算的PID程序 整个 PID程序流程图也如前图所示，只是pn的编程公式不同。由于浮点数可表示很大的数值范围，因此在编程时一般不用考虑溢出问题。将KP、KI、KD、en-2、en-1及en都用浮点数表示后，即可直接按下式所示PID算式编程。pn=pn-1+KP(en-en-1)+KIen+KD(en-2en-1+en-2)程序中多次调用浮点数加、减、乘运算子
20、程序，得到以浮点数表示的百分量输出pn。在输出程序中需进行以下运算（以8位DAC为例）：输出数字量 pn FFH 上式中FFH应化为浮点数，计算出的输出数字量也为浮点数，需通过浮点定点转换程序变为定点数后输出，送给D/A转换器变换为模拟控制信号。,40,5.4 PID参数自整定调节器,PID参数自整定是对于一个正在运行的控制系统，特别是定值改变的控制系统自动整定控制回路中的PID参数。PID参数自整定的方法有多种，大致可分为两大类。1.波形识别法 这类方法有两种类型：一种是在系统中加入具有继电特性性的非线性环节，使系统产生自激等幅振荡，通过测取振荡波的振幅和周期，求取系统的临界振荡参数，再利用
21、Ziegler-Nichols规则对PID参数进行整定。另一种是根据过程输出曲线形状判别来整定PID参数。,41,在系统正常运行中，对由给定值变化或由扰动产生的输出波形进行实时识别，再由参数自校正机构确定出新的PID参数值，系统按修正后的参数进行PID控制，其构成图如下图所示。波形识别法的优点是不要求辨识对象的数学模型，控制指标与常规PID控制系统完全一致，非常直观，因此这是目前使用较多的一种参数自整定方法。,42,2以对象数学模型辨识为基础的自整定方法 对象数学模型的辨识方法有施加扰动和不施加扰动两类。在施加扰动的自整定控制系统中，调节器定时或按工况变化的信息断开反馈回路，给对象施加一扰动，
22、根据对象响应信息进行运算处理，识别出对象特性，如K、T、特性参数。在不施加扰动的自整定控制系统中，是通过测试在线运行的对象输入输出数据进行对象特性的闭环辨识。系统框图如下所示。辨识方法有递推最小二乘法、极大似然法等多种，可参阅有关系统辨识的专门文献。,43,PID参数自整定的方法很多，我们这里仅介绍三种目前用得较多的方法。一、改进型临界比例度法（继电限幅自整定法）这是波形识别法中的一种参数自整定方法。用改进型临界比例度法的PID参数自整定控制系统结构示意图如下图所示。,图中 G（j）为控制对象，N为具有继电特性的非线性环节。当系统处于自整定状态时，开关S置于位置2，S置于位置1时为系统正常工作
23、状态，进行PID控制。,44,改进型临界比例度法整定PID参数的运行步骤：1）使系统工作在有继电特性的非线性系统状态，产生自激振荡，求出临界比例系数KCP及临界振荡周期TCP。2）按ZieglerNichols规则计算出PID参数KP、TI、TD的值。改进型临界比例度自整定方法的特点是原理简单、整定速度快，但为求取KCP及TCP系统要产生等幅振荡，因此不宜多次使用。它适用于回路参数的初始整定，特别是系统开工时大量的回路整定。将用改进型临界比例度自整定方法求出的PID参数作为初值，在实时运行中再应用其它方法对参数进行修正。实时修正参数可用迭代法或专家法。,45,二迭代自整定控制算法 在闭环控制系
24、统中，假设调节器经初步整定的初始参数，通过推导出PID参数KP、TI、TD的迭代整定算式求出修正参数。前述改进型临界比例度整定算式可用于确定初始整定参数，而迭代算式适用于在已有较好整定参数的基础上进行修正，逐渐趋近最佳参数。因此，可将两种方法结合起来进行PID参数自整定。三、专家法PID参数自整定 用专家法自整定PID参数的调节器称为专家自整定调节器。这种PID参数自整定的过程实际上是模拟操作人员整定PID参数的判断和决策过程。专家PID调节器是在一般调节器结构的基础上，增加了由知识库和推理机构组成的参数自整定专家系统，其构成框图如下图所示。,46,47,l知识库 知识库是将控制工程师整定系统
25、的知识和经验进行整理归纳后，以一定表示法存入计算机中。参数自整定专家系统的知识库主要包括以下几方面的内容：过程响应曲线类型、控制目标类型及整定规则。下面分别加以说明。（1）过程响应曲线类型 由于实际控制系统多种多样，因此系统响应曲线也可能是各种各样的，在构成知识库时尽量考虑周全又不能过于繁杂。根据给定值变化和负荷变化两种情况，将系统输出响应曲线分为给定值变化时和负荷扰动下的输出响应曲线如下图所示。,48,图中所示波形仅是按照响应曲线峰值个数分类，而对于每一类波形，由于其超调量、衰减比及振荡周期的不同，又可分为多种子类型。由于调节器整定参数时，是将实际观测的曲线与知识库中的曲线进行对照，按照最佳
26、条件进行整定。因此，知识库中存入的响应曲线类型完善与否，对参数整定是否理想至关重要。一般需存几十种类型的曲线。,49,（2）控制目标 下表列出几种控制目标类型。,50,（3）整定规则 PID参数的整定规则都是经验性的，它是建立于控制工程师经验的基础上的，下面仅举出几条整定规则作为例子。对给定值变化和干扰引起的输出响应采取不同的整定规则。在P、I、D三个作用中，P是最基本的控制作用。当输出响应的超调量过大及衰减比过小时，减小KP。若最大偏差大，且趋于非周期过程时，增加KP。一般取TI等于二分之一系统振荡周期，取TD=(1/31/4)TI。输出响应曲线偏离给定值后长期回不来，减小TI。若波动较大则
27、增大TI。由于KP 过小和TI过大都将引起系统输出响应迟缓，难以稳定。但是两者情况有区别，前者表现为曲线飘动较大，变化无规则，后者则会逐渐接近给定值，据此可以判断需增大KP或减小TI。,51,2推理机构 在参数自整定系统中。推理机构的作用是判断系统输出响应的波形，归为知识库中存储波形中的一种，并对其进行品质评价，根据控制目标的要求采取相应措施。因此，输出响应曲线的测试和识别是十分重要的环节。专家自整定调节器随时观测控制系统输出值及给定值。如有给定值变化、负荷干扰等因素影响控制偏差变化，而且超过预先设定的噪声带时，调节器即进行参数自整定，否则保持原来的PID参数值。专家法自整定前，需进行以下工作
28、：l）进行PID 参数予整定，确定PID参数的粗略值作为初值.2）确定噪声带Nb：由于过程含有噪声，在响应曲线测量时应将其剔出，因此需确定一噪声带。在自整定时，采用了偏差超过设定的噪声带两倍时才启动自整定动作的方法来克服噪声和干扰。Nb值还可用来判断观测到的峰值是否真实，以排除噪声、干扰引起的假象。,52,3）确定容许等待时间TW：自整定调节器需根据控制系统估计的响应时间作为容许等待时间。在专家法自整定中，是在容许等待时间内等待下一个峰值的到来。TW过大，会使曲线识别时间过长，影响控制效果。TW过短可能会对波形判断失误。在予整定后取TW(T+)，T为过程时间常数，为纯滞后时间。4）确定TD/TI比值：一般取TD/TI=(1/31/4)。5）确定控制周期TS：TS与控制效果关系密切，TS过大导致控制效果变坏甚至失控，但对纯滞后较大的系统，则要求TS取大些，一般取TS(1/51/6)。,53,虚拟调节器原理框图,5.4 虚拟调节仪表,54,1.何为差模干扰？何为共模干扰？2.模拟量输入通道和模拟量输出通道各由哪些部分组成？每一部分的作用是什么？3.试举出几种基本算式的改进形式，他们各有什么特点？,第5章 结 束！,第5章 练 习,
