數(shù)字控制系統(tǒng)

1、數(shù)字控制系統(tǒng)與數(shù)字PID控制器,張建明浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所,,放熱反應(yīng)器采用串級控制，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量Fw來控制反應(yīng)器溫度T。出于安全的原因，冷卻水調(diào)節(jié)閥采用氣關(guān)閥。畫出控制系統(tǒng)方塊圖，注明每個(gè)方塊的輸入輸出信號；判斷每個(gè)控制器的正反作用；指出TC21的廣義對象的輸入和輸出，計(jì)算廣義對象模型的動(dòng)態(tài)參數(shù) K、T、τ; 如果采用PID控制器，采用離線整定法確定控制器TC21的參數(shù)。,,,,FC31 和 TC21 均為

2、正作用控制器廣義被控對象的輸入是 Fsp，輸出是Tm,,,,,,,,,,,內(nèi) 容,串級控制系統(tǒng)的抗積分飽和數(shù)字控制系統(tǒng)的概念數(shù)字濾波器的選擇 數(shù)字PID控制算法及其改進(jìn)型 集散控制系統(tǒng)（DCS）簡述小結(jié),積分飽和問題的由來,若工藝介質(zhì)溫度過低，或工藝介質(zhì)流量過大，或蒸汽量供應(yīng)不足，導(dǎo)致控制閥即使全開，也難以保證換熱溫度達(dá)到其設(shè)定值。此時(shí)，分析PID控制器輸出信號的變化情況。,PID控制器的積分飽和問題,積分飽和的實(shí)質(zhì)當(dāng)調(diào)

3、節(jié)能力不足時(shí)，控制器內(nèi)部狀態(tài)超出正常工作范圍。而當(dāng)主要干擾消除后，控制器內(nèi)部狀態(tài)首先需要返回至正常工作范圍，然后控制器才真正開始起調(diào)節(jié)作用。,單回路PID控制器的積分飽和現(xiàn)象,討論以下現(xiàn)象：（1）控制器的積分飽和現(xiàn)象（2）控制閥全開或全關(guān),單回路控制的抗積分飽和原理,原理：當(dāng)控制器輸出超出正常操作范圍時(shí)，將積分作用切除。,抗積分飽和仿真舉例,單回路系統(tǒng)的防積分飽和,,可以嗎？,工業(yè)單回路PID控制器,PID1,PID2,串級PID

4、系統(tǒng)的積分飽和問題,問題：當(dāng)主副控制器均采用單回路抗積分飽和方法時(shí)，在限位參數(shù)不一致的情形下，同樣存在發(fā)生“積分飽和”的可能性。,Why?How?,加熱爐出口溫度串級控制方案,爐出口溫度串級控制系統(tǒng),爐出口溫度串級控制系統(tǒng)仿真模型,為揭示串級控制的積分飽和現(xiàn)象，待加熱的工藝介質(zhì)進(jìn)料溫度發(fā)生了較大的變化,僅采用單回路抗積分飽和措施的仿真結(jié)果,串級控制系統(tǒng)的防積分飽和,爐出口溫度串級控制系統(tǒng)仿真模型3,采用串級控制的抗積分飽和措施

5、的仿真結(jié)果,數(shù)字PID控制,如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制？,數(shù)字PID的主要組成,下面來看看各個(gè)組成部分,信號采集 —— 采樣速率,發(fā)生了什么？,連續(xù)信號,采樣速度應(yīng)多快？,快速采樣,慢速采樣,,,信號采集 —— 采樣速率,連續(xù)信號,發(fā)生了什么？失真,慢速采樣,,失真：當(dāng)采樣速率與信號的變化相比太慢會造成失真。Shannon定理：采樣頻率必須大于等于信號最高頻率的兩倍。,信號采集 —— 信號保持,保持會改變動(dòng)態(tài)嗎？,連續(xù)信號,,零階保持

6、后的信號,,在執(zhí)行控制期間信號保持為上次采樣的值,信號采集 —— 信號保持,連續(xù)信號,,保持后的近似連續(xù)信號,,與原始信號有約半個(gè)采樣周期的純滯后,A/D轉(zhuǎn)換,,硬件實(shí)現(xiàn),0～2N－1,測量值,,軟件實(shí)現(xiàn),,數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)的組成,模擬控制系統(tǒng),數(shù)字控制系統(tǒng),數(shù)字控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)舉例,,數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)有效性檢查測量變送器失靈或故障會產(chǎn)生無效數(shù)據(jù) 信號補(bǔ)償有些信號需要進(jìn)行補(bǔ)償，如熱電偶需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償線性化處理有些

7、信號與真實(shí)的物理量不是成線性關(guān)系，如差壓變送器輸出信號與真實(shí)的流量信號是開方關(guān)系，熱電偶的熱電勢與所測溫度之間也是非線性關(guān)系歸一化處理,濾波,信號？,噪聲？,噪聲：測量中不可再現(xiàn)的部分稱為噪聲。,很難得到如此明確地區(qū)分！,濾波,模擬濾波電路(RC),,程序判斷濾波中值濾波遞推平均濾波加權(quán)遞推平均濾波一階滯后濾波,,如何實(shí)現(xiàn)？,數(shù)字濾波,程序判斷濾波中值濾波遞推平均濾波加權(quán)遞推平均濾波一階滯后濾波,連續(xù)三次采樣的中間值作

8、為有效信號,,,,,,數(shù)字PID,比例作用積分作用微分作用,?。?數(shù)字PID —— 位置式,數(shù)字PID，位置式計(jì)算到終端執(zhí)行器的輸出,將三種作用匯集起來,數(shù)字PID —— 增量式,增量式計(jì)算到達(dá)終端執(zhí)行器的變化量,有什么好處？,位置式和增量式的比較,位置式需由外部引入初始閥位值，增量式不需要位置式需防積分飽和，增量式不會產(chǎn)生積分飽和只有存在偏差時(shí)，增量式才會有輸出增量式容易實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的切換,PID改進(jìn)方法,微分先行,

9、積分分離,不靈敏區(qū),,,,抗積分飽和的數(shù)字PID增量式,常規(guī)的數(shù)字PID增量式：,抗積分飽和的PID增量式：,數(shù)字PID的實(shí)現(xiàn),數(shù)字控制的效果,改變控制周期會如何？,連續(xù)控制時(shí)控制參數(shù)為：,,Kc=30Ti=11 minTd=0.80 min,數(shù)字控制的效果,為何采用數(shù)字控制,可實(shí)現(xiàn)高級控制算法可對過程進(jìn)行監(jiān)視可實(shí)現(xiàn)過程優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)診斷,工業(yè)數(shù)字PID控制器完整結(jié)構(gòu),數(shù)字控制模塊 — PID,,手操與選擇模塊,,手操器,高

10、選器,低選器,常見數(shù)字運(yùn)算模塊（1）,加減器,開方器,比值器,常見數(shù)字運(yùn)算模塊（2）,乘法器,,除法器,集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (DCS，Distributed Control Systems),分散控制意義分析 ?為什么DCS廣受歡迎?,PID控制小結(jié),過程動(dòng)態(tài)特性的描述與獲取氣開/氣關(guān)控制閥與PID控制器正反作用的選擇PID控制器類型的選擇PID控制參數(shù)的整定（離線法與在線法）流量控制回路的特殊性與控制參數(shù)整定液位均勻控制