集散控制系統(tǒng)原理及其應(yīng)用-蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院精品課程

1、學(xué)習(xí)目標(biāo),●掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成原理,?知識(shí)點(diǎn)：,●了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用類型,●掌握集散控制系統(tǒng)的基本組成,●掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理原理,●掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出通道的組成,●掌握理想PID控制算法,?技能點(diǎn)：,利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置，培養(yǎng)以下技能,●熟練掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成方法,●了解模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)的處理方法,●理解和掌握理想PID控制算法,1.1　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成,?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)(通

2、常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī))來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。,什么是自動(dòng)控制?自動(dòng)控制系統(tǒng)由哪些部分組成?,1.1.1　基本概念,設(shè)定值,,控制器,D/A,執(zhí)行機(jī)構(gòu),被控對(duì)象,A/ D,,計(jì)算機(jī),,,,,,,,,,,被控變量,+,圖1.1 計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,,執(zhí)行機(jī)構(gòu),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理,(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 對(duì)測(cè)量變送裝置輸出的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理。,(2)實(shí)時(shí)控制決策 對(duì)被控變量的測(cè)量值進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，并

3、按預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算。,(3)實(shí)時(shí)控制輸出 實(shí)時(shí)地輸出運(yùn)算后的控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成控制任務(wù)。,上述過(guò)程不斷重復(fù)，使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。,可歸納為以下三個(gè)步驟：,什么是實(shí)時(shí)控制?,生產(chǎn)過(guò)程,工業(yè)控制機(jī),,圖1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖,生產(chǎn)過(guò)程,,指按生產(chǎn)過(guò)程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)它包括硬件和軟件兩部分。,包括被控對(duì)象，測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開(kāi)關(guān)等裝置。,1.1.2　硬件系統(tǒng),接收輸入的指令

4、和工業(yè)對(duì)象的信息，向系統(tǒng)各部分發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。,包括顯示操作臺(tái)、屏幕顯示器(CRT)或數(shù)碼顯示器、鍵盤(pán)、打印機(jī)、記錄儀等。,從被控對(duì)象采集的模擬量或數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠接收的數(shù)字量,生產(chǎn)過(guò)程包括被控對(duì)象，測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開(kāi)關(guān)等裝置。,圖1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖,包括磁盤(pán)、光盤(pán)、磁帶，主要用于存儲(chǔ)大量的程序和數(shù)據(jù)。,將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成可以對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的信號(hào)。,工業(yè)控制機(jī)硬件：硬件是指計(jì)算機(jī)本身及外圍設(shè)備

5、。,計(jì)算機(jī)硬件,過(guò)程輸出接口,計(jì)算機(jī),過(guò)程輸入接口,存儲(chǔ)器,人機(jī)接口,軟件是指能完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和.,軟件,系統(tǒng)軟件,,應(yīng)用軟件,,是專門(mén)用來(lái)使用和管理計(jì)算機(jī)的程序，包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控管理程序、語(yǔ)言處理程序和故障診斷程序等。,應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問(wèn)題而編寫(xiě)的各種程序。,1.1.3 軟件系統(tǒng),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),分級(jí)控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),直接數(shù)字控制系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),集散型控制系統(tǒng),1.2　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

6、類型,計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng),根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要分為六種類型,1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),計(jì)算機(jī)承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集和處理工作。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各種工藝變量進(jìn)行巡回檢測(cè)、處理、記錄以及變量的超限報(bào)警。,同時(shí)對(duì)變量進(jìn)行累計(jì)和實(shí)時(shí)分析。,,,,,,,,,,,計(jì)算機(jī)通過(guò)過(guò)程輸入通道對(duì)變量作巡回檢測(cè),1.2.2　直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）,根據(jù)變量，按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算,其結(jié)果經(jīng)過(guò)輸出通道，作用到控制對(duì)象。

7、,,模擬量輸入,,微型計(jì)算機(jī),模擬量輸出,,,生產(chǎn)過(guò)程,,數(shù)字量輸入,,,數(shù)字量輸出,,,顯示,,打印,,磁盤(pán),,磁盤(pán),采用計(jì)算機(jī)代替模擬儀表控制，只要改變程序就可以對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，因此計(jì)算機(jī)可以控制幾百個(gè)回路，并可以對(duì)上下限進(jìn)行監(jiān)視和報(bào)警。,工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計(jì)算機(jī)的可靠運(yùn)行。因此，必須采取抗干擾措施。,1.2.2　直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）,1.2.3　計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC),D

8、DC級(jí)微機(jī)完成生產(chǎn)過(guò)程的直接數(shù)字控制；SCC級(jí)微機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算，產(chǎn)生最優(yōu)化設(shè)定值。,用數(shù)字控制儀器代替，再配以輸入采樣器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器、輸出掃描器，便是SCC加數(shù)字控制器的SCC系統(tǒng)。當(dāng)SCC計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，由數(shù)字控制器獨(dú)立完成控制任務(wù)，比較安全可靠。,1.2.4　分級(jí)控制系統(tǒng),生產(chǎn)過(guò)程中既存在控制問(wèn)題，也存在大量的管理問(wèn)題。 由若干臺(tái)微處理器或微機(jī)分別承擔(dān)部分控制任務(wù)，代替了集中控制的計(jì)算機(jī)。

9、 這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是將控制功能分散，用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別完成不同的控制功能，管理則采用集中管理。,(3)工廠集中控制級(jí) 它可根據(jù)上級(jí)下達(dá)的任務(wù)和本廠情況，制定生產(chǎn)計(jì)劃、安排本廠工作、進(jìn)行人員調(diào)配及各車間的協(xié)調(diào)，并及時(shí)向上級(jí)報(bào)告。,(4)企業(yè)管理級(jí) 制定長(zhǎng)期發(fā)展現(xiàn)劃、生產(chǎn)銷計(jì)劃，發(fā)命令至各工廠，并接受反饋信息，實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的總調(diào)度。,（2)車間監(jiān)督級(jí)(SCC級(jí)) 它根據(jù)廠級(jí)計(jì)算機(jī)下達(dá)的命令和通過(guò)裝置控制級(jí)獲得的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，

10、進(jìn)行最優(yōu)化控制。,(1)裝置控制級(jí)(DDC級(jí)) 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行直接控制，使所控制的生產(chǎn)過(guò)程在最優(yōu)工作狀況下工作。,,,,,1.2.5　集散控制系統(tǒng),協(xié)調(diào)各控制站的工作達(dá)到過(guò)程的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化,人機(jī)接口裝置，完成操作、顯示和監(jiān)視任務(wù),集散控制系統(tǒng)是分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。,完成過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù),實(shí)現(xiàn)了地理上和功能上分散的控制，將各個(gè)分散的信息集中起來(lái)，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作。,采集非控制過(guò)程信息,,,,,?集散控制系統(tǒng)是一種典型的分級(jí)分布式控制結(jié)

11、構(gòu)。?集散控制系統(tǒng)有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制算法先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)．又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。?集散控制系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，系統(tǒng)是積木式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，可大可小，易于擴(kuò)展。,1.2.6 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)，是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)，采用工作站-現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式。,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字執(zhí)行器,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字控制功能模塊,服務(wù)器,工作站,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字傳感器,1.3　信號(hào)處理,在連續(xù)量控制系

12、統(tǒng)中，控制信號(hào)、反饋信號(hào)和偏差信號(hào)都是連續(xù)型的時(shí)間信號(hào)；而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸入、輸出都是離散型的時(shí)間函數(shù)。,CPU,D/A,執(zhí)行器,對(duì)象,采樣器,A/D,1.3.1　輸入信號(hào)處理,?為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制，需要將被控對(duì)象的各種測(cè)、控變量按要求的方式送入計(jì)算機(jī)，以便運(yùn)算和處理。?被控對(duì)象所提供的信息是紛繁復(fù)雜的，其種類、性質(zhì)及大小等各不相同，因此需要通過(guò)某種裝置將生產(chǎn)過(guò)程中的各種被測(cè)變量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的信號(hào)，這

13、種在計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間，起著信號(hào)轉(zhuǎn)換并向計(jì)算機(jī)傳送信息的裝置稱之為輸入通道。輸入通道的信號(hào)處理包括數(shù)字量輸入信號(hào)處理和模擬量輸入信號(hào)處理。,圖1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖,1．?dāng)?shù)字量輸入信號(hào)處理,數(shù)字量通道,信號(hào)變換電路,整形電路,信號(hào)和接口電路,電平變換電路,計(jì)算機(jī)不能直接接受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)量因此，必須通過(guò)輸入通道將狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送入計(jì)算機(jī)。,2．模擬量輸入信號(hào)處理,檢測(cè)各種非電量過(guò)程變量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。,將多路模

14、擬信號(hào)按要求分時(shí)輸出,放大器將傳感器輸出的微弱電信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器所需要的電平,采樣保持器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，在模/數(shù)轉(zhuǎn)換期間對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行保持,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào),接口電路提供模擬量輸入通道與計(jì)算機(jī)之間的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳送通路,,3．模擬量輸入信號(hào)采樣過(guò)程,,計(jì)算機(jī)對(duì)某個(gè)隨時(shí)間變化的模擬量進(jìn)行采樣，是利用定時(shí)器控制的開(kāi)關(guān)，每隔一定時(shí)間使開(kāi)關(guān)閉合而完成一次采樣。 開(kāi)關(guān)重復(fù)閉合的時(shí)間間隔T稱為采樣周期，其倒數(shù)? s=1/T

15、稱為采樣頻率。,采樣過(guò)程，是指將一個(gè)連續(xù)的輸入信號(hào)經(jīng)開(kāi)關(guān)采樣后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)生在采樣開(kāi)關(guān)閉合瞬時(shí)0、T、2T…nT的一連串脈沖輸出信號(hào)? *(t)，如圖1.11所示。,式中 ?*(t)——輸出脈沖序列 ? (kT)——輸出脈沖數(shù)值序列； 　　δ (t-kT)——發(fā)生在t=kT時(shí)刻上的單位脈沖,（1-1）,,,,,,,,單位脈沖函數(shù)的定義為,（1-2）,根據(jù)理想單位脈沖函數(shù)的定義式(1-2)，在采樣開(kāi)關(guān)閉合

16、時(shí)，? (kT)與?(t)的瞬時(shí)值相等，式(1-1)還可改寫(xiě)成如下形式,式(1-3)說(shuō)明，數(shù)字控制系統(tǒng)中的采樣過(guò)程可以理解為脈沖調(diào)制過(guò)程。在這里，采樣開(kāi)關(guān)只起著理想脈沖發(fā)生器的作用，通過(guò)它將連續(xù)信號(hào)?(t)調(diào)制成脈沖序列?*(t)。,（1-3）,4．香農(nóng)采樣定理,采樣后的離散信號(hào)?*(t)才能夠無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)?(t),一個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)?(t)，設(shè)其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為?max，如果在等間隔點(diǎn)上對(duì)該信號(hào)?(t)進(jìn)行連續(xù)采樣，為了使

17、采樣后的離散信號(hào)?*(t)能包含原信號(hào)?(t)的全部信息量，則采樣頻率只有滿足下面的關(guān)系,?s≥2?max （1-4）,式中 ?s ——采樣頻率；　 ?max——?(t)最高頻率。,在實(shí)際工程中采樣頻率的選擇還跟采樣回路數(shù)和采樣時(shí)間有關(guān)，一般根據(jù)具體情況選用。?s≥（5~10）?max,采樣定理表明，采樣頻率?s的選擇至少要比?max高二倍，對(duì)于連續(xù)模擬信號(hào)?(t)，我們并不需要有無(wú)限多個(gè)連續(xù)

18、的時(shí)間點(diǎn)上的瞬時(shí)值來(lái)決定其變化規(guī)律，而只需要有各個(gè)等間隔點(diǎn)上的離散抽樣值就夠了。,5．?dāng)?shù)字濾波,數(shù)字濾波優(yōu)點(diǎn)：,①數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要硬件設(shè)備，所以可靠性高、穩(wěn)定性好。,②數(shù)字濾波可以濾除頻率很低的干擾，這一點(diǎn)是模擬濾波難以實(shí)現(xiàn)的。,③數(shù)字濾波可以根據(jù)不同的信號(hào)采用不同的濾波方法，使用靈活、方便。,數(shù)字濾波是通過(guò)編制一定的計(jì)算或判斷程序，減少干擾在有用信號(hào)中的比重，提高信號(hào)真實(shí)性的濾波方法。,常用的數(shù)字濾波方法有：,數(shù)字濾波方

19、法,平均濾波,程序判斷濾遞推,中位值法濾波,一階滯后濾波,加權(quán)遞推平均濾波,程序判斷濾波的具體方法是通過(guò)比較相鄰的兩個(gè)采樣值，如果它們的差值過(guò)大，超出了變量可能的變化范圍，則認(rèn)為后一次采樣值是虛假的，應(yīng)予以廢除，而用前一次采樣值送入計(jì)算機(jī)。,中位值法濾波就是將某個(gè)被測(cè)變量在輪到它采樣的時(shí)刻，連續(xù)采 3 次 ( 或 3 次以上 ) 值，從中選擇大小居中的那個(gè)值作為有效測(cè)量信號(hào)。,管道中的流量、壓力或沸騰狀液面的上下波動(dòng)，會(huì)使其變送器輸出信

20、號(hào)出現(xiàn)頻繁的振蕩現(xiàn)象。若將此信號(hào)直接送入計(jì)算機(jī)，會(huì)導(dǎo)致控制算式輸出紊亂，造成控制動(dòng)作極其頻繁。甚至執(zhí)行器根本來(lái)不及響應(yīng)，還會(huì)使控制閥因過(guò)分磨損而影響使用壽命，嚴(yán)重影響控制品質(zhì)。,(3)遞推平均濾波如圖 1.12 所示。,圖中的黑點(diǎn)表示各個(gè)采樣值。對(duì)于這類信號(hào)，僅僅依靠一次采樣值作為控制依據(jù)是不正確的，通常采用遞推平均的方法，即第 n 次采樣的 N 項(xiàng)遞推平均值是 n，(n-1)，… ，(n-N+1) 次采樣值的算術(shù)平均。,,,,,N 值

21、的選擇對(duì)采樣平均值的平滑程度與反應(yīng)靈敏度均有影響。,遞推平均算式為：,（1-6）,——往前遞推第 i 項(xiàng)的測(cè)量值；,——遞推平均的項(xiàng)數(shù)。,也就是說(shuō)，第 n 次采樣的 N 項(xiàng)遞推平均值的計(jì)算，應(yīng)該由 n 次采樣往前遞推 ( N-1 )項(xiàng)。,在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)觀察不同 N 值下遞推平均的輸出響應(yīng)來(lái)決定 N 值的大小。目前在工程上，流量常用 12 項(xiàng)平均，壓力取 4 項(xiàng)平均，溫度沒(méi)有顯著噪聲時(shí)可以不加平均。,(4)加權(quán)遞推平均濾波,,,,,

22、,,遞推平均濾波法的每一次采樣值，在結(jié)果中的比重是均等的，這對(duì)時(shí)變信號(hào)會(huì)引入滯后。,一個(gè) N 項(xiàng)加權(quán)遞推平均算式為：,（1-7）,0≤ Ci ≤1 且,為增加當(dāng)前采樣值在結(jié)果中所占的比重，提高系統(tǒng)對(duì)本次采樣的靈敏度，可采用加權(quán)遞推平均方法。,(5)一階慣性濾波,一階慣性濾波器的動(dòng)態(tài)方程式為：,（1-8）,——輸出值；,——輸入值。,,,,,,,,,在實(shí)際應(yīng)用上述幾種數(shù)字濾波方法時(shí)，往往先對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行程序判斷濾波，然后再用遞推平

23、均、加權(quán)遞推平均或一階慣性濾波等方法處理，以保持采樣的真實(shí)性和平滑度。,一階慣性濾波對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻繁的變量濾波。,(1-11),,1.3.2 輸出信號(hào)處理,過(guò)程輸出通道:計(jì)算機(jī)和執(zhí)行器之間進(jìn)行信息傳遞和變換的裝置.,1．?dāng)?shù)字輸出信號(hào)的處理,數(shù)字信號(hào)的輸出必須通過(guò)數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)去控制接點(diǎn)的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等，簡(jiǎn)稱 DO (Digital outpu

24、t)通道。,根據(jù)被控對(duì)象的不同，其輸出的數(shù)字控制信號(hào)的形態(tài)及相應(yīng)的配置也不相同。,其中最為常用的數(shù)字控制信號(hào)是開(kāi)關(guān)量和脈沖量信號(hào),隔離器一般采用光電隔離器，如TLP521系列；輸出驅(qū)動(dòng)器將計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足被控對(duì)象要求。,繼電器、晶閘管(或大功率晶體管)、TTL電平輸出等為需要開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)這些開(kāi)關(guān)器件的通、斷去控制被控對(duì)象。,,,2．模擬輸出信號(hào)的處理,,模擬信號(hào)的輸出必須通過(guò)模擬量輸出通道來(lái)完成。,

25、模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵。,它的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)。以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、達(dá)到控制的目的。,模擬量輸出通道—般由輸出接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I變換等組成。,（1）一個(gè)通路設(shè)置一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器:,微處理器和通路之間通過(guò)獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數(shù)字保持的方案。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器有故障也不會(huì)影響其它通路的工作。缺點(diǎn)是使用了使用硬件較多，成本

26、高。但隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)缺點(diǎn)正在逐步得到克服。這種方案較易實(shí)現(xiàn)。,多路信號(hào)共用一個(gè)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器。,（2）多個(gè)通路共用一個(gè)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的形式,因此它必須在微型機(jī)控制下分時(shí)工作。即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓(或電流)，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)傳送到下一級(jí)電路。,這種結(jié)構(gòu)節(jié)省了數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，但因是分時(shí)工作，只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場(chǎng)合。,因多路共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，所以可靠性較差。,,,,,,,1.4　PID控制算法

27、,按偏差的比例、積分和微分控制(以下簡(jiǎn)稱PID控制)，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。在系統(tǒng)中引入偏差的比例控制，以保證系統(tǒng)的快速性，引入偏差的積分控制以提高控制精度，引入偏差的微分控制來(lái)消除系統(tǒng)慣性的影響。,1.4.1　理想PID控制算法,ＰＩＤ控制器將根據(jù)偏差e＝sv-pv（設(shè)定值sv與測(cè)量值pv之差），給出控制信號(hào)u(t)。,,理想PID常用以下形式表示：,式中 Kp ——控制器比例增益；,TI ——積分時(shí)間；,TD——微分

28、時(shí)間。,由于在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)只能每隔一定的時(shí)間(采樣周期T)才能完成一次檢測(cè)、計(jì)算并輸出控制，因此必須將原來(lái)的PID微分方程經(jīng)過(guò)差分處理后變成相應(yīng)的差分方程。,（１－１２）,（１－１３）,,,,,,,積分與求和的關(guān)系可用圖1.17說(shuō)明。,,簡(jiǎn)寫(xiě)為,（1-16）,（1-14）,設(shè)采樣周期為T(mén)，取 ,,采用差分近似法分別代入式（1-12）中的,（1-15）,,,,,,雖屬離散量，但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，累積結(jié)果會(huì)無(wú)限加大，給

29、實(shí)際計(jì)算機(jī)計(jì)算帶來(lái)困難。所以常將式(1-16)進(jìn)一步化簡(jiǎn)成遞推形式，即令n＝n-1，代入式(1-16)得,（1-17）,用式(1-17)減去式(1-16)，得控制器輸出的增量表達(dá)式為,（1-18）,1.4.2　理想PID控制算法的改進(jìn),1．積分分離,,在一般的PID控制中，當(dāng)啟動(dòng)、停車或大幅度改變給定值時(shí)，由于在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽和現(xiàn)象，以致造成很大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振蕩。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可采用積分分離方法，

30、即在被控制量開(kāi)始跟蹤時(shí)，取消積分作用；而當(dāng)被控制量接近給定值時(shí)，才將積分作用投入以消除靜差。,（1-20）,1.4.2　理想PID控制算法的改進(jìn),1．積分分離,,圖1.18 兩種控制效果比較a-積分分離式的PID控制過(guò)程；b-普通的PID控制過(guò)程,在單位階躍信號(hào)的作用下，將積分分離式的PID控制與普通的PID控制響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，前者超調(diào)小，過(guò)渡時(shí)間短。,常規(guī)PID運(yùn)算,2．微分先行,,微分先行是只對(duì)被控變量求導(dǎo)，而不對(duì)設(shè)

31、定值求導(dǎo)。這樣，在改變?cè)O(shè)定值時(shí)，輸出不會(huì)突變，而被控變量的變化，通?？偸潜容^和緩的。,（1-21）,此時(shí)控制算法為：,2．微分先行,,微分先行的控制算法明顯改善了隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而靜態(tài)特性不會(huì)產(chǎn)生影響，所以這種控制算法在模擬式控制器中也在采用。,與常規(guī)PID運(yùn)算相比較，微分先行PID運(yùn)算規(guī)律中， PV值經(jīng)微分運(yùn)算，而SV只經(jīng)PI運(yùn)算。,,,,控制器輸出U(S)可用下式表示,（1-22）,而,（1-23）,由上式可見(jiàn)SV項(xiàng)無(wú)微分作用，

32、當(dāng)人工改變SV值時(shí)不會(huì)給控制系統(tǒng)帶來(lái)附加擾動(dòng)。,本章小結(jié),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組成。工業(yè)控制機(jī)是指按生產(chǎn)過(guò)程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，它包括硬件和軟件兩部分。生產(chǎn)過(guò)程包括被控對(duì)象，測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開(kāi)關(guān)等裝置。,在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程與計(jì)算機(jī)之間是通過(guò)輸入輸出通道連接起來(lái)的。輸入通道將生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)去處理；輸出通道將計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為

33、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠接收的信號(hào)去控制生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)運(yùn)行。,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按其應(yīng)用特點(diǎn)、控制功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、分級(jí)控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。,本章小結(jié),按偏差的比例、積分和微分控制(以下簡(jiǎn)稱PID控制)，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。在系統(tǒng)中引入偏差的比例控制，以保證系統(tǒng)的快速性，引入偏差的積分控制以提高控制精度，引入偏差的微分控制來(lái)消除系統(tǒng)慣性的影響。,要實(shí)現(xiàn)對(duì)生

34、產(chǎn)過(guò)程的控制，首先要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種模擬信號(hào)進(jìn)行采集、然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理。計(jì)算機(jī)將輸入的測(cè)量信號(hào)與預(yù)置的設(shè)定值進(jìn)行比較、運(yùn)算，將結(jié)果以數(shù)字信號(hào)的形式輸出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后輸出模擬信號(hào)去控制執(zhí)行器。,按偏差的比例、積分和微分控制(以下簡(jiǎn)稱PID控制)，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。在系統(tǒng)中引入偏差的比例控制，以保證系統(tǒng)的快速性，引入偏差的積分控制以提高控制精度，引入偏差的微分控制