計(jì)算機(jī)控制裝置

1、第二章 控制器,Control Instrument and Computer Control Equipment,2.1.控制規(guī)律（調(diào)節(jié)規(guī)律）2.2. 模擬控制器簡(jiǎn)介2.3. 數(shù)字控制器簡(jiǎn)介,真正理解，會(huì)用,借助它了解控制器功能構(gòu)成掌握部分典型電路基本應(yīng)用能力,借助它了解功能實(shí)現(xiàn)的基本思路,2.0. 概述,1、控制器,也稱為調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)單元,將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較產(chǎn)生偏差，再對(duì)偏差進(jìn)行PID或以其它控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算

2、形成控制信號(hào)，將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝變量或過(guò)程的自動(dòng)控制。,作用:,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中有沒(méi)有“控制器”？,,2、控制器的類型有哪些？按內(nèi)部信號(hào)類型，分為模擬式和數(shù)字式控制器。按結(jié)構(gòu)，,2.0. 概述,分為基地式、單元組合式和組裝式(綜合集成式)控制器；,儀表式、系統(tǒng)式,,模擬調(diào)節(jié)器數(shù)字控制器數(shù)字顯示控制器,還有嗎？,DCSPLC……,,信號(hào)輸入,檢測(cè)儀表,,控制算法,,正反作用選擇,正

3、作用,反作用,,給定值,,手自動(dòng)切換,自動(dòng),手動(dòng),,手動(dòng)輸出,,控制信號(hào)輸出,執(zhí)行器,,+,+,--,--,,無(wú)擾動(dòng)切換,,PID控制參數(shù)設(shè)置,,,輸入信號(hào)顯示,,,輸出閥位顯示,,,,模擬調(diào)節(jié)器數(shù)字控制器計(jì)算機(jī)系統(tǒng),電路輸入接口輸入接口或模塊,電路輸出接口輸出接口或模塊,電路,CPU+軟件,CPU+軟件,3、控制“器”的基本組成,2.0. 概述,Control Instrument and Computer Control

4、 Equipment,2.1.控制規(guī)律（調(diào)節(jié)規(guī)律）,一、何為控制器的控制規(guī)律,測(cè)量值,控制規(guī)律就是控制器的輸出隨輸入(偏差)變化的規(guī)律(控制器特性),2.1.控制規(guī)律,,,,偏差,給定值,二、控制規(guī)律的表示方法,1、無(wú)因次化,2.1.控制規(guī)律,,微分方程傳遞函數(shù)頻率特性離散方程圖示法,2、五種表示方法,2.1.控制規(guī)律,1) 微分方程表示法,,,,,,,,,,,,,2) 傳遞函數(shù)表示法,常用于控制系統(tǒng)的分析計(jì)算,,,,,2.1.

5、控制規(guī)律,,,,,,,,,10,3 ) 頻率特性表示法 用幅頻特性和相頻特性形式表示控制器的特性,,幅頻特性,相頻特性,2.1.控制規(guī)律,2.1.控制規(guī)律,,,,,積分對(duì)相位的影響？,微分對(duì)相位的影響？,相位滯后,相位超前,現(xiàn)在,過(guò)去,將來(lái),過(guò)去現(xiàn)在將來(lái),4) 離散化表示法 用于數(shù)字控制器以及各種計(jì)算機(jī)控制裝置。,2.1.控制規(guī)律,,,,,,能否直接用于計(jì)算？,作業(yè)：推出增量式離散化PID算式，說(shuō)明增量式算法的特點(diǎn)。,5) 圖示法

6、 用控制器的輸出隨時(shí)間變化曲線表示控制器特性，通常輸入采用階躍信號(hào)，這時(shí)稱為階躍響應(yīng)特性。,直觀，用它可進(jìn)行控制器參數(shù)的測(cè)定和控制器控制規(guī)律的定性分析。,純比例P,2.1.控制規(guī)律,比例積分PI,比例微分PD,PID,二、控制器的基本控制規(guī)律（P、PI、PD、PID）,2.1.控制規(guī)律,(一)比例控制規(guī)律,定義：其輸出與輸入成比例關(guān)系，只具有比例控制規(guī)律的控制器為比例控制器,比例增益Kp 比例度δδ與Kp的關(guān)系 :,特點(diǎn)：,快,有余

7、差,Kp越大，,余差越小,Kp太大，容易振蕩發(fā)散,相同Kp下，干擾幅度越大，余差越大,(二)比例積分控制規(guī)律,1、積分作用 定義：積分作用的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成比例關(guān)系,2.1.控制規(guī)律,能消除余差 慢慢來(lái),積分作用一般不單獨(dú)使用,2、比例積分控制規(guī)律,——比例與積分兩種作用的輸出之和,,,,,2.1.控制規(guī)律,積分時(shí)間TI——反映積分作用的強(qiáng)弱,TI的定義：在階躍信號(hào)輸入下，積分作用的輸出變化到等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的

8、時(shí)間就是積分時(shí)間TI,,,,,,,3、積分增益與開環(huán)放大倍數(shù),實(shí)際的PI控制(模擬調(diào)節(jié)器),,理想的PI控制,,,幅值為A的階躍輸入作用下,,,怎么求出來(lái)的？,,,,,,,積分增益,,開環(huán)放大倍數(shù)KOP,,4、控制點(diǎn)、控制點(diǎn)偏差與控制精度,控制點(diǎn)：對(duì)于具有積分作用的控制器，當(dāng)測(cè)量值等于給定值時(shí)，其輸出可以穩(wěn)定在任一值上（在流程范圍內(nèi)）,控制點(diǎn)偏差：具有積分作用的控制器的輸出穩(wěn)定不變時(shí)，測(cè)量值與給定值間的微小偏差,控制精度：最大控制點(diǎn)偏差

9、占輸入信號(hào)范圍的百分?jǐn)?shù),,表征控制器減小余差的能力,5、積分飽和,具有積分作用的控制器在單方向偏差信號(hào)的作用下，其輸出達(dá)到輸出范圍上限值或下限值以后，積分作用將繼續(xù)進(jìn)行，從而使控制器脫離正常工作狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和,積分飽和的影響：控制不及時(shí)、危險(xiǎn),,,等待時(shí)間,防止積分飽和的方法,在控制器輸出達(dá)到輸出上限或下限時(shí)，暫時(shí)去掉積分作用在控制器輸出達(dá)到輸出上限或下限時(shí)，使積分作用輸出不繼續(xù)增加,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的PID控制會(huì)不會(huì)出現(xiàn)

10、積分飽和？如何防止積分飽和？,主要知識(shí)點(diǎn)：消除余差，會(huì)產(chǎn)生相位滯后，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性積分時(shí)間積分作用越大，消除余差能力越強(qiáng)，太大，系統(tǒng)易發(fā)散比例積分的微分方程、離散化、傳遞函數(shù)表達(dá)式積分增益(做不到?）和開環(huán)放大倍數(shù)控制點(diǎn)、控制點(diǎn)偏差和控制精度積分飽和,(三)比例微分控制規(guī)律,1、微分控制,2.1.控制規(guī)律,,定義：控制器微分作用的輸出與偏差變化的速度成正比 特點(diǎn)：對(duì)于固定不變的偏差，不管偏差多大，微分作用的輸出總是零

11、 微分通常和比例一起使用,,,,2.1.控制規(guī)律,,,,該微分能起作用嗎？,數(shù)學(xué)意義的微分，理想微分不起作用,理想微分和一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián),,,,←階躍輸出,,,工程意義的微分，實(shí)際微分有點(diǎn)意思,2、實(shí)際比例微分控制規(guī)律,,2.1.控制規(guī)律,,,,,,,,,,,,,,,,,4、比例微分控制規(guī)律的特點(diǎn)－超前,,超前時(shí)間,主要知識(shí)點(diǎn)：超前控制，適當(dāng)引入微分會(huì)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)振蕩發(fā)散（思考：什么時(shí)候不適用？）比例微分的微

12、分方程、離散化、傳遞函數(shù)表達(dá)式微分增益(一般不能為0，否則變理想微分了，實(shí)際模擬調(diào)節(jié)器的增益為5-10）,26,(四)比例積分微分控制規(guī)律,理想的PID作用的微分方程為,2.1.控制規(guī)律,,,實(shí)際PID算法,Ki——積分增益，一般較大， III型模擬調(diào)節(jié)器約104～105Kd——微分增益，一般為5～10,偏差型,偏差型PID特點(diǎn)：對(duì)給定值的變化也進(jìn)行PID運(yùn)算,1、模擬式PID運(yùn)算式,PID控制的階躍響應(yīng)示

13、意,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,幾種實(shí)用的改進(jìn)PID控制作用,改進(jìn)型數(shù)字式PID運(yùn)算式,不完全微分算式,實(shí)際微分作用,,,,,,PID算式 :,一階慣性環(huán)節(jié)的離散化后的形式:,,,30,微分先行PID先對(duì)測(cè)量值Xm進(jìn)行微分運(yùn)算，再與給定值Xs相減，然后再進(jìn)行比例積分運(yùn)算。,偏差型PID：對(duì)給定值的變化也進(jìn)行PID運(yùn)算，特別是微分作用,,在給定值不變、測(cè)量值階躍變化時(shí)，響應(yīng)特性與偏差型完全相同,微分先

14、行PID算式,,,,,,微分先行PID算式,,,,,,,,,— 在一定偏差范圍內(nèi)輸出為0,或,B稱為不靈敏區(qū)寬度,帶不靈敏區(qū)的PID算式,,,積分分離PID算式,—在一定偏差范圍內(nèi)切除積分作用,方法：PID控制算式的積分項(xiàng)前面乘上一個(gè)標(biāo)志變量N,,A為門限值,,,34,第二章 作業(yè)（1）：,2.“控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置”書中 P78 2-7題,,1.推出增量式離散化PID算式，說(shuō)明增量式算法的特點(diǎn)。,,4. 根據(jù)圖示調(diào)節(jié)器輸入信