火电厂计算机控制教学课件(第四章计算机控制系统常规及新型控制策略)课件

第四章第四章第四章第四章 计算机控制系统常规及新型控制策略计算机控制系统常规及新型控制策略计算机控制系统常规及新型控制策略计算机控制系统常规及新型控制策略Chapter4ConventionalandnewtypecontrolChapter4Conventionalandnewtypecontrolstrategyofcomputer-controlledsystemstrategyofcomputer-controlledsystem 本章导航7/5/20242计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计方法方法模拟设计法离散设计法（Z传递函数）状态空间设计法（状态空间模型）7/5/20243本章主要内容第一节数字第一节数字PIDPID控制算法控制算法第二节数字第二节数字PIDPID控制器的工程实现控制器的工程实现第三节数字第三节数字PIDPID控制器的参数整定控制器的参数整定第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第五节自适应控制第五节自适应控制第六节预测控制第六节预测控制第七节模糊控制第七节模糊控制7/5/20244第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字PIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字PIDPIDPID控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字PIDPIDPID控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制7/5/20245一、数字PID控制算法PIDPID控制是根据被调量与给定值之间控制是根据被调量与给定值之间控制是根据被调量与给定值之间控制是根据被调量与给定值之间偏差偏差偏差偏差的的的的比例比例比例比例（ProportionalProportional）、）、）、）、积分积分积分积分（IntegralIntegral）、）、）、）、微分微分微分微分（DifferentialDifferential）进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。7/5/2024619071907年，年，年，年，C.J.TagliabueC.J.Tagliabue公司安装了第一台气动公司安装了第一台气动公司安装了第一台气动公司安装了第一台气动比比比比例（例（例（例（ProportionalProportional，P P）控制器）控制器）控制器）控制器，用于控制牛奶巴，用于控制牛奶巴，用于控制牛奶巴，用于控制牛奶巴氏消毒器的温度。氏消毒器的温度。氏消毒器的温度。氏消毒器的温度。19221922年，年，年，年，FoxboroInstrumentFoxboroInstrument公司获得了一项气动公司获得了一项气动公司获得了一项气动公司获得了一项气动控制系统的专利，专利涉及到温度的控制和测量，控制系统的专利，专利涉及到温度的控制和测量，控制系统的专利，专利涉及到温度的控制和测量，控制系统的专利，专利涉及到温度的控制和测量，从功能的描述中知道，这应该是从功能的描述中知道，这应该是从功能的描述中知道，这应该是从功能的描述中知道，这应该是比例控制器比例控制器比例控制器比例控制器。19201920年，年，年，年，LeedsLeeds NorthropNorthrop公司的创建者公司的创建者公司的创建者公司的创建者MorrisMorrisELeedsELeeds在在在在19201920年获得了一项自动控制器专利，该年获得了一项自动控制器专利，该年获得了一项自动控制器专利，该年获得了一项自动控制器专利，该控制器的独到之处在于考虑了误差和误差的变化率。控制器的独到之处在于考虑了误差和误差的变化率。控制器的独到之处在于考虑了误差和误差的变化率。控制器的独到之处在于考虑了误差和误差的变化率。在此基础上，在此基础上，在此基础上，在此基础上，19291929年，该公司生产出年，该公司生产出年，该公司生产出年，该公司生产出气动比例积分气动比例积分气动比例积分气动比例积分控制器控制器控制器控制器。PIDPID的发展历程（的发展历程（1 1）7/5/20247微分控制器（微分控制器（微分控制器（微分控制器（DifferentialDifferential）的发明来源于的发明来源于的发明来源于的发明来源于TaylorTaylor仪器公司仪器公司仪器公司仪器公司在人造丝生产过程中的温度控制器设计。生产过程要求温在人造丝生产过程中的温度控制器设计。生产过程要求温在人造丝生产过程中的温度控制器设计。生产过程要求温在人造丝生产过程中的温度控制器设计。生产过程要求温度保持不变，但绒毛形状的纤维素不导热，使得热交换的度保持不变，但绒毛形状的纤维素不导热，使得热交换的度保持不变，但绒毛形状的纤维素不导热，使得热交换的度保持不变，但绒毛形状的纤维素不导热，使得热交换的时间延长，采用时间延长，采用时间延长，采用时间延长，采用PIPI控制器的系统处于不停的震荡中。控制器的系统处于不停的震荡中。控制器的系统处于不停的震荡中。控制器的系统处于不停的震荡中。TaylorTaylor仪器公司的工程师仪器公司的工程师仪器公司的工程师仪器公司的工程师ClarridgeClarridge观察发现，通过约束控观察发现，通过约束控观察发现，通过约束控观察发现，通过约束控制器中比例作用的线性反馈，可以使得当给定值有一个突制器中比例作用的线性反馈，可以使得当给定值有一个突制器中比例作用的线性反馈，可以使得当给定值有一个突制器中比例作用的线性反馈，可以使得当给定值有一个突然的变化时，系统有很大的输出响应。这个控制器有预测然的变化时，系统有很大的输出响应。这个控制器有预测然的变化时，系统有很大的输出响应。这个控制器有预测然的变化时，系统有很大的输出响应。这个控制器有预测误差信号变化的能力。误差信号变化的能力。误差信号变化的能力。误差信号变化的能力。19351935年，微分控制器开始运用于生产过程的控制中。年，微分控制器开始运用于生产过程的控制中。年，微分控制器开始运用于生产过程的控制中。年，微分控制器开始运用于生产过程的控制中。PIDPID的发展历程（的发展历程（2 2）7/5/2024819391939年，年，年，年，TaylorTaylor仪器公司和仪器公司和仪器公司和仪器公司和FoxboroFoxboro仪器公司制造出仪器公司制造出仪器公司制造出仪器公司制造出完全具有完全具有完全具有完全具有PIDPID控制功能的气动控制器。控制功能的气动控制器。控制功能的气动控制器。控制功能的气动控制器。A.A.CallenderCallender,A.B.Stevenson(1939),A.B.Stevenson(1939)Automatic Control of Variable Physical Characteristic.Automatic Control of Variable Physical Characteristic.U.S.Patent2,175,985.U.S.Patent2,175,985.FiledFebruary17,1936inUnitedStates.FiledFebruary17,1936inUnitedStates.FiledFebruary1935inGreatBritain.FiledFebruary1935inGreatBritain.IssuedOctober10,1939inUnitedStates.IssuedOctober10,1939inUnitedStates.PIDPID的发展历程（的发展历程（3 3）7/5/20249在当时，在当时，在当时，在当时，PIDPID控制面临的有三个主要问题：控制面临的有三个主要问题：控制面临的有三个主要问题：控制面临的有三个主要问题：寻找一种简单方法，能够计算寻找一种简单方法，能够计算寻找一种简单方法，能够计算寻找一种简单方法，能够计算PIDPID调节器的三个调节器的三个调节器的三个调节器的三个调节参数调节参数调节参数调节参数判断生产过程是否可控判断生产过程是否可控判断生产过程是否可控判断生产过程是否可控PIDPID控制器的操作不依赖于复杂易损的机械元件控制器的操作不依赖于复杂易损的机械元件控制器的操作不依赖于复杂易损的机械元件控制器的操作不依赖于复杂易损的机械元件PIDPID的发展历程（的发展历程（4 4）7/5/202410J.G.ZieglerJ.G.Zieglerandand N.B.NicholsN.B.Nichols（19421942）developeddevelopedmathematicalrulesforautomaticallyselectingthemathematicalrulesforautomaticallyselectingtheparametervaluesforPIDcontrollers.parametervaluesforPIDcontrollers.Intheirinfluentialbook,Intheirinfluentialbook,K.J.K.J.AstromAstrom andand T.T.HagglundHagglund（19951995）developedaworld-beatingdevelopedaworld-beatingPIDcontrollerthatoutperformsthe1942PIDcontrollerthatoutperformsthe1942Ziegler-Ziegler-NicholsrulesNicholsrulesonanindustriallyrepresentativesetonanindustriallyrepresentativesetofplants.ofplants.PIDPID的发展历程（的发展历程（5 5）7/5/202411n现代控制理论飞速发展，取得了一系列引人注目的成果，但在工程应用上并没有取得期望的进展。n控制对象向多变量、高阶、多输入多输出的延伸，给控制工程提出一系列的难题。n目前，世界上在用的闭环控制系统中超过90%都包含有PID（或者PI）控制回路。PIDPID的发展历程（的发展历程（6 6）7/5/20241220002000年，年，年，年，IFACIFAC数字控制工作数字控制工作数字控制工作数字控制工作组在西班牙组在西班牙组在西班牙组在西班牙TerrassaTerrassa 举行了专题为举行了专题为举行了专题为举行了专题为“PastPast，PresentandFutureofPresentandFutureofPIDControl”PIDControl”的的的的PIDPID控制学术会议。控制学术会议。控制学术会议。控制学术会议。PIDPID的发展历程（的发展历程（7 7）国际著名控制理论学者国际著名控制理论学者国际著名控制理论学者国际著名控制理论学者K.J.K.J.stromstrom 教授教授教授教授在其论文在其论文在其论文在其论文TheFutureofPIDTheFutureofPIDControlControl中指出，中指出，中指出，中指出，PIDPID控制器在未来的控制器在未来的控制器在未来的控制器在未来的控制工程中仍将继续扮演重要的角色，控制工程中仍将继续扮演重要的角色，控制工程中仍将继续扮演重要的角色，控制工程中仍将继续扮演重要的角色，同时将成为各种复杂控制器的基本单元。同时将成为各种复杂控制器的基本单元。同时将成为各种复杂控制器的基本单元。同时将成为各种复杂控制器的基本单元。7/5/2024137/5/202414在过程控制中，在过程控制中，在过程控制中，在过程控制中，采用如图采用如图采用如图采用如图所示的所示的所示的所示的PIDPIDPIDPID控制控制控制控制：PIDPIDPIDPID控制算控制算控制算控制算式式式式为为为为：对应的传递函数形式为：对应的传递函数形式为：对应的传递函数形式为：对应的传递函数形式为：7/5/202415在连续系统中，在连续系统中，在连续系统中，在连续系统中，PIDPID控制规律是通过负反馈系统来控制规律是通过负反馈系统来控制规律是通过负反馈系统来控制规律是通过负反馈系统来实现的。实现的。实现的。实现的。DDZDDZDDZ 型调节器型调节器型调节器型调节器型调节器型调节器隔离电路隔离电路手操器手操器输入电路输入电路直流放大器直流放大器PID运算电路运算电路偏差指示偏差指示偏差指示偏差指示指示电路指示电路指示电路指示电路输入输入输入输入设定设定设定设定输出输出输出输出7/5/202416在计算机控制系统中，在计算机控制系统中，在计算机控制系统中，在计算机控制系统中，PIDPID控制规律由数字控制规律由数字控制规律由数字控制规律由数字PIDPID调调调调节器来实现。节器来实现。节器来实现。节器来实现。为了便于计算机实现为了便于计算机实现为了便于计算机实现为了便于计算机实现PIDPID控制算式，必须把控制算式，必须把控制算式，必须把控制算式，必须把PIDPID控控控控制的微分方程转换成差分方程。制的微分方程转换成差分方程。制的微分方程转换成差分方程。制的微分方程转换成差分方程。7/5/202417当采样周期相当短时，当采样周期相当短时，当采样周期相当短时，当采样周期相当短时，可以用可以用可以用可以用求和求和求和求和来近似积分项，来近似积分项，来近似积分项，来近似积分项，用用用用后向差分后向差分后向差分后向差分来近似微分项来近似微分项来近似微分项来近似微分项。将上式代入将上式代入将上式代入将上式代入PIDPID控制算式，得到控制算式，得到控制算式，得到控制算式，得到PIDPID控制规律的差控制规律的差控制规律的差控制规律的差分方程。分方程。分方程。分方程。上式的计算值提供了执行机构的位置上式的计算值提供了执行机构的位置上式的计算值提供了执行机构的位置上式的计算值提供了执行机构的位置u u（k k），如阀），如阀），如阀），如阀门的开度，所以被称为门的开度，所以被称为门的开度，所以被称为门的开度，所以被称为位置式数字位置式数字位置式数字位置式数字PIDPID算式算式算式算式。7/5/202418第第第第k k时刻的实际控制量为时刻的实际控制量为时刻的实际控制量为时刻的实际控制量为上上上上式的计算值对应于第式的计算值对应于第式的计算值对应于第式的计算值对应于第k k时刻执行机构位置的增量，所以称时刻执行机构位置的增量，所以称时刻执行机构位置的增量，所以称时刻执行机构位置的增量，所以称此式为此式为此式为此式为增量式数字增量式数字增量式数字增量式数字PIDPID算式算式算式算式。积分系数积分系数微分系数微分系数比例增益比例增益（为比例带）为比例带）写出数字写出数字写出数字写出数字PIDPID控制算式的控制算式的控制算式的控制算式的u u（k k）和）和）和）和 u u（k k-1-1），），），），将两式将两式将两式将两式相减，相减，相减，相减，可得可得可得可得：7/5/202419二、数字二、数字PID控制算法的改进控制算法的改进7/5/202420积分分离数字积分分离数字PID算法算法变速积分数字变速积分数字PID算法算法抗积分饱和抗积分饱和梯形积分梯形积分消除积分不灵敏区消除积分不灵敏区（一）积分算法的改进（一）积分算法的改进（一）积分算法的改进（一）积分算法的改进 7/5/2024211 1积分分离数字积分分离数字积分分离数字积分分离数字PIDPID算法算法算法算法 积分分离系数积分分离系数 积分分离阀值积分分离阀值 采用积分分离算采用积分分离算法，可以显著降法，可以显著降低超调量，缩短低超调量，缩短调节时间。但积调节时间。但积分分离阀值分分离阀值E0须须合理选择。合理选择。7/5/2024222 2变速积分数字变速积分数字变速积分数字变速积分数字PIDPID算法算法算法算法系数函数系数函数fe（k）。当）。当e（k）|增大时，增大时，fe（k）减小，反之增大。）减小，反之增大。变速积分变速积分PID控制算法可以消除积分饱和现象，控制算法可以消除积分饱和现象，大大减小超调量，使大大减小超调量，使PID控制的适应能力显著增强。控制的适应能力显著增强。7/5/2024233 3抗积分饱和抗积分饱和抗积分饱和抗积分饱和饱和效应饱和效应 积分饱和积分饱和 如果由于计算机给出的控制量如果由于计算机给出的控制量u超出其数超出其数值和变化率的有限范围，那么实际执行的控制值和变化率的有限范围，那么实际执行的控制量就不再是计算值，由此将得不到预期的效果，量就不再是计算值，由此将得不到预期的效果，这种效应通常称为饱和效应。这种效应通常称为饱和效应。这类现象在给定值发生突变时特别容易发这类现象在给定值发生突变时特别容易发生，所以有时也称为启动效应。生，所以有时也称为启动效应。在位置式在位置式PID控制算法中，如果执行机构控制算法中，如果执行机构已到极限位置或执行元件已进入饱和区，仍然已到极限位置或执行元件已进入饱和区，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID位置算式所得到的运算结果继续增大或减位置算式所得到的运算结果继续增大或减小，而执行机构已无相应的动作，这种主要由小，而执行机构已无相应的动作，这种主要由积分作用引起的饱和现象称为积分饱和。积分作用引起的饱和现象称为积分饱和。7/5/202424（1 1）遇限削弱积分法）遇限削弱积分法）遇限削弱积分法）遇限削弱积分法（2 2）有效偏差法）有效偏差法）有效偏差法）有效偏差法（3 3）给定值变化限制）给定值变化限制）给定值变化限制）给定值变化限制（4 4）增量式）增量式）增量式）增量式PIDPID算法算法算法算法克服积分饱和现象的办法克服积分饱和现象的办法克服积分饱和现象的办法克服积分饱和现象的办法7/5/2024254 4梯形积分梯形积分梯形积分梯形积分梯形积分梯形积分梯形积分梯形积分矩形积分矩形积分矩形积分矩形积分7/5/2024265 5消除积分不灵敏区消除积分不灵敏区消除积分不灵敏区消除积分不灵敏区（1 1）增加）增加）增加）增加A AD D转换位数，加长运算字长，提高运算转换位数，加长运算字长，提高运算转换位数，加长运算字长，提高运算转换位数，加长运算字长，提高运算精度；精度；精度；精度；（2 2）当增量式）当增量式）当增量式）当增量式PIDPID算式的积分项连续出现小于输出精算式的积分项连续出现小于输出精算式的积分项连续出现小于输出精算式的积分项连续出现小于输出精度度度度 情况时，不要将它们作为情况时，不要将它们作为情况时，不要将它们作为情况时，不要将它们作为“零零零零”舍掉，而是把它舍掉，而是把它舍掉，而是把它舍掉，而是把它们一次次累加起来。们一次次累加起来。们一次次累加起来。们一次次累加起来。直到累加值直到累加值直到累加值直到累加值SiSi大于大于大于大于 时，才输出时，才输出时，才输出时，才输出SiSi，同时把累加单，同时把累加单，同时把累加单，同时把累加单元清零。元清零。元清零。元清零。7/5/202427（二）微分算法的改进（二）微分算法的改进7/5/202428理想微分理想微分理想微分理想微分 理想微分理想微分PID控制的实际控制效果并不理想。控制的实际控制效果并不理想。由于理想微分作用持续时间很短，动作幅度很大，由于理想微分作用持续时间很短，动作幅度很大，由于理想微分作用持续时间很短，动作幅度很大，由于理想微分作用持续时间很短，动作幅度很大，执行机构不可能按控制器输出动作；执行机构不可能按控制器输出动作；执行机构不可能按控制器输出动作；执行机构不可能按控制器输出动作；理想微分容易引入高频干扰，且对过程噪声有放理想微分容易引入高频干扰，且对过程噪声有放理想微分容易引入高频干扰，且对过程噪声有放理想微分容易引入高频干扰，且对过程噪声有放大作用，致使执行机构动作频繁，不利于设备的长期大作用，致使执行机构动作频繁，不利于设备的长期大作用，致使执行机构动作频繁，不利于设备的长期大作用，致使执行机构动作频繁，不利于设备的长期运行。运行。运行。运行。7/5/2024291实际微分数字实际微分数字PID算法算法7/5/202430标准实际微分标准实际微分标准实际微分标准实际微分PIDPID算法的传递函数为算法的传递函数为算法的传递函数为算法的传递函数为其中，其中，其中，其中，KKp p为比例增益，为比例增益，为比例增益，为比例增益，T Ti i为积分时间，为积分时间，为积分时间，为积分时间，T Td d为微分时间，为微分时间，为微分时间，为微分时间，KKd d为微分增益。为微分增益。为微分增益。为微分增益。（1 1）标准实际微分）标准实际微分）标准实际微分）标准实际微分PIDPID算法算法算法算法 实际微分实际微分7/5/202431实际微分实际微分实际微分实际微分PIDPID算法算法算法算法 7/5/202432实际微分的增量式实际微分的增量式实际微分的增量式实际微分的增量式PIDPID算法算法算法算法 7/5/202433微分作用容易引入高频干扰，因此可以在数字微分作用容易引入高频干扰，因此可以在数字微分作用容易引入高频干扰，因此可以在数字微分作用容易引入高频干扰，因此可以在数字PIDPID控制器中串接低通滤波器（一阶惯性环节）来抑控制器中串接低通滤波器（一阶惯性环节）来抑控制器中串接低通滤波器（一阶惯性环节）来抑控制器中串接低通滤波器（一阶惯性环节）来抑制高频干扰，这就组成了不完全微分制高频干扰，这就组成了不完全微分制高频干扰，这就组成了不完全微分制高频干扰，这就组成了不完全微分PIDPID控制算法。控制算法。控制算法。控制算法。图中低通滤波器的传递函数为图中低通滤波器的传递函数为图中低通滤波器的传递函数为图中低通滤波器的传递函数为（2 2）不完全微分数字）不完全微分数字）不完全微分数字）不完全微分数字PIDPID算法算法算法算法 7/5/202434不完全微分数字不完全微分数字不完全微分数字不完全微分数字PIDPID算法算法算法算法7/5/202435不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPID的位置式控制算法的位置式控制算法的位置式控制算法的位置式控制算法令：7/5/202436不完全微分数字不完全微分数字不完全微分数字不完全微分数字PIDPID的增量式算法的增量式算法的增量式算法的增量式算法在不完全微分在不完全微分在不完全微分在不完全微分PIDPID算式中，如果令算式中，如果令算式中，如果令算式中，如果令T Tf f=T=Td d/KKd d，则其，则其，则其，则其中的微分项与前面的标准实际微分相同。中的微分项与前面的标准实际微分相同。中的微分项与前面的标准实际微分相同。中的微分项与前面的标准实际微分相同。7/5/202437理想微分理想微分PID算法与算法与实际微分实际微分PID算法算法控制效果的比较控制效果的比较7/5/202438设控制器输入为阶跃序列：设控制器输入为阶跃序列：设控制器输入为阶跃序列：设控制器输入为阶跃序列：当使用理想微分当使用理想微分当使用理想微分当使用理想微分PIDPID算法时，微分项输出为算法时，微分项输出为算法时，微分项输出为算法时，微分项输出为，k0，1，2，将将将将e e（k k）代入上式可得）代入上式可得）代入上式可得）代入上式可得 理想微分理想微分理想微分理想微分PIDPID控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果7/5/202439理想微分理想微分理想微分理想微分PIDPID控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果7/5/202440设控制器输入为阶跃序列：设控制器输入为阶跃序列：设控制器输入为阶跃序列：设控制器输入为阶跃序列：当使用不完全微分当使用不完全微分当使用不完全微分当使用不完全微分PIDPID算式时，微分项的输出为算式时，微分项的输出为算式时，微分项的输出为算式时，微分项的输出为，k0，1，2，实际实际微分微分微分微分PIDPID控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果7/5/202441实际实际微分微分微分微分PIDPID控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果7/5/202442当当当当k0k0时，时，时，时，e(ke(k)a a，由上式可得：，由上式可得：，由上式可得：，由上式可得：实际实际微分微分微分微分PIDPID控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果显然，显然，ud(k)0，k0，1，2，并且：并且：7/5/202443实际实际微分微分微分微分PIDPID控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果控制算法的控制效果在第一个采在第一个采样周期里不完全周期里不完全微分数字微分数字PID算算法的法的输出比理想出比理想微分数字微分数字PID算算法的法的输出幅度要出幅度要小得多。小得多。7/5/202444理想微分数字理想微分数字理想微分数字理想微分数字PIDPID算法的控制品质较差，其原算法的控制品质较差，其原算法的控制品质较差，其原算法的控制品质较差，其原因是微分作用仅局限于第一个采样周期的大幅度输因是微分作用仅局限于第一个采样周期的大幅度输因是微分作用仅局限于第一个采样周期的大幅度输因是微分作用仅局限于第一个采样周期的大幅度输出，一般的工业执行机构，无法在较短的时间采样出，一般的工业执行机构，无法在较短的时间采样出，一般的工业执行机构，无法在较短的时间采样出，一般的工业执行机构，无法在较短的时间采样周期内跟踪较大的微分输出。周期内跟踪较大的微分输出。周期内跟踪较大的微分输出。周期内跟踪较大的微分输出。两种数字两种数字两种数字两种数字PIDPID算法的阶跃响应比较算法的阶跃响应比较算法的阶跃响应比较算法的阶跃响应比较实际微分数字实际微分数字实际微分数字实际微分数字PIDPID算法的控制品质较好，其原算法的控制品质较好，其原算法的控制品质较好，其原算法的控制品质较好，其原因是微分作用能缓慢地持续多个采样周期，使得执因是微分作用能缓慢地持续多个采样周期，使得执因是微分作用能缓慢地持续多个采样周期，使得执因是微分作用能缓慢地持续多个采样周期，使得执行机构能够较好地跟踪控制输出。行机构能够较好地跟踪控制输出。行机构能够较好地跟踪控制输出。行机构能够较好地跟踪控制输出。7/5/2024452微分先行数字微分先行数字PID控制算法控制算法 7/5/202446微分先行数字微分先行数字微分先行数字微分先行数字PIDPID控制算法只对被调量控制算法只对被调量控制算法只对被调量控制算法只对被调量y y（t t）进行）进行）进行）进行微分，而对给定值微分，而对给定值微分，而对给定值微分，而对给定值r r（t t）无微分作用。）无微分作用。）无微分作用。）无微分作用。该算法适用于给定值频繁升降的系统，可以避免该算法适用于给定值频繁升降的系统，可以避免该算法适用于给定值频繁升降的系统，可以避免该算法适用于给定值频繁升降的系统，可以避免因给定值升降所引起的超调量过大、调节阀门动作过因给定值升降所引起的超调量过大、调节阀门动作过因给定值升降所引起的超调量过大、调节阀门动作过因给定值升降所引起的超调量过大、调节阀门动作过分剧烈的摇荡。分剧烈的摇荡。分剧烈的摇荡。分剧烈的摇荡。这种算法对于串级控制系统中的副回路不适用。这种算法对于串级控制系统中的副回路不适用。这种算法对于串级控制系统中的副回路不适用。这种算法对于串级控制系统中的副回路不适用。7/5/2024477/5/202448（三）带死区的数字（三）带死区的数字PID控制算法控制算法7/5/202449可避免控制作用的变化过于频繁。可避免控制作用的变化过于频繁。可避免控制作用的变化过于频繁。可避免控制作用的变化过于频繁。非线性环节非线性环节带死区的数字带死区的数字带死区的数字带死区的数字PIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法7/5/202450（四）其他（四）其他（四）其他（四）其他自校正自校正PIDPID控制器控制器自适应自适应PIDPID控制器控制器模糊模糊PIDPID复合控制器复合控制器模糊模糊PIDPID控制器控制器神经网络神经网络PIDPID控制器控制器PIDPID专家控制系统专家控制系统 7/5/202451第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字PIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法控制算法控制算法第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字PIDPID控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字PIDPIDPID控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制7/5/202452模拟模拟模拟模拟PIDPID控制器控制器控制器控制器硬设备（模拟电路）硬设备（模拟电路）硬设备（模拟电路）硬设备（模拟电路）硬接线方式连接硬接线方式连接硬接线方式连接硬接线方式连接多个单元共同完成特定的控制功能多个单元共同完成特定的控制功能多个单元共同完成特定的控制功能多个单元共同完成特定的控制功能只能控制一个回路只能控制一个回路只能控制一个回路只能控制一个回路数字数字数字数字PIDPID控制器控制器控制器控制器软设备（功能块，即程序）软设备（功能块，即程序）软设备（功能块，即程序）软设备（功能块，即程序）组态软连接组态软连接组态软连接组态软连接可在线调整参数可在线调整参数可在线调整参数可在线调整参数可以被多个控制回路调用可以被多个控制回路调用可以被多个控制回路调用可以被多个控制回路调用7/5/202453数据区数据区数据区数据区（参数表）（参数表）（参数表）（参数表）PIDPIDPIDPID控制程序控制程序控制程序控制程序数字数字PID控制器控制器PIDPID控制功能块控制功能块控制功能块控制功能块7/5/202454PIDPID控制功能块的组成控制功能块的组成控制功能块的组成控制功能块的组成7/5/2024557/5/2024567/5/202457一、给定值处理一、给定值处理一、给定值处理一、给定值处理通过选择给定值方式（通过选择给定值方式（SVMODE）的值为）的值为0,1或或2，分别对，分别对应软开关应软开关LOC，CAS或或SCC，可以构成内给定、串级或监控可以构成内给定、串级或监控状态。状态。减少给定值突变对控制系统的扰减少给定值突变对控制系统的扰动，防止比例（动，防止比例（P）、微分）、微分（D）饱和，以实现平稳控制。）饱和，以实现平稳控制。7/5/202458二、被调量处理二、被调量处理二、被调量处理二、被调量处理7/5/202459偏差处理主要包括偏差的正反作用计算、偏差报警、非线性偏差处理主要包括偏差的正反作用计算、偏差报警、非线性特性和输入补偿特性和输入补偿4部分。部分。三、偏差处理三、偏差处理三、偏差处理三、偏差处理7/5/2024601 1计算偏差计算偏差计算偏差计算偏差根据根据根据根据PIDPID控制器正控制器正控制器正控制器正/反作用方式（反作用方式（反作用方式（反作用方式（D_RD_R）计）计）计）计算偏差算偏差算偏差算偏差DVDV。当当当当D_RD_ROFFOFF，代表正作用，此时偏差，代表正作用，此时偏差，代表正作用，此时偏差，代表正作用，此时偏差即被调量增加时，使控制量增加；即被调量增加时，使控制量增加；即被调量增加时，使控制量增加；即被调量增加时，使控制量增加；当当当当D_RD_RONON，代表反作用，此时偏差，代表反作用，此时偏差，代表反作用，此时偏差，代表反作用，此时偏差即被调量增加时，使控制量减少。即被调量增加时，使控制量减少。即被调量增加时，使控制量减少。即被调量增加时，使控制量减少。7/5/2024612 2偏差报警偏差报警偏差报警偏差报警对于控制要求较高的对象，不仅要设置被调量对于控制要求较高的对象，不仅要设置被调量对于控制要求较高的对象，不仅要设置被调量对于控制要求较高的对象，不仅要设置被调量PVPV的高、低限报警，而且要设置偏差的高、低限报警，而且要设置偏差的高、低限报警，而且要设置偏差的高、低限报警，而且要设置偏差DVDV报警。报警。报警。报警。3 3非线性特性非线性特性非线性特性非线性特性为了实现非线性为了实现非线性为了实现非线性为了实现非线性PIDPID控制或带死区的控制或带死区的控制或带死区的控制或带死区的PIDPID控制，控制，控制，控制，设置了非线性区设置了非线性区设置了非线性区设置了非线性区NANA至至至至NANA和非线性区增益和非线性区增益和非线性区增益和非线性区增益NKNK。4 4输入补偿输入补偿输入补偿输入补偿为了扩展为了扩展为了扩展为了扩展PIDPID控制性能，对偏差进行输入补偿。控制性能，对偏差进行输入补偿。控制性能，对偏差进行输入补偿。控制性能，对偏差进行输入补偿。输入补偿方式有无补偿、加补偿、减补偿和置换补偿。输入补偿方式有无补偿、加补偿、减补偿和置换补偿。输入补偿方式有无补偿、加补偿、减补偿和置换补偿。输入补偿方式有无补偿、加补偿、减补偿和置换补偿。利用输入补偿，可以组成复杂的利用输入补偿，可以组成复杂的利用输入补偿，可以组成复杂的利用输入补偿，可以组成复杂的PIDPID控制回路，如前控制回路，如前控制回路，如前控制回路，如前馈控制或纯迟延补偿控制。馈控制或纯迟延补偿控制。馈控制或纯迟延补偿控制。馈控制或纯迟延补偿控制。7/5/202462PIDPID计算分为选择计算分为选择计算分为选择计算分为选择PIDPID计算的算式（计算的算式（计算的算式（计算的算式（EQ_MODEEQ_MODE）、微分）、微分）、微分）、微分方式（方式（方式（方式（DV_PVDV_PV）和控制量限幅（）和控制量限幅（）和控制量限幅（）和控制量限幅（OHOH，OLOL）处理）处理）处理）处理3 3部分。部分。部分。部分。四、四、四、四、PIDPID计算计算计算计算7/5/202463为了扩展为了扩展为了扩展为了扩展PIDPID控制功能，实现安全平稳操作，必须对控制控制功能，实现安全平稳操作，必须对控制控制功能，实现安全平稳操作，必须对控制控制功能，实现安全平稳操作，必须对控制量进行处理，主要有输出补偿、输出保持和输出安全量进行处理，主要有输出补偿、输出保持和输出安全量进行处理，主要有输出补偿、输出保持和输出安全量进行处理，主要有输出补偿、输出保持和输出安全3 3部分。部分。部分。部分。五、控制量处理五、控制量处理五、控制量处理五、控制量处理7/5/202464自动自动自动自动/手动切换包括手动切换包括手动切换包括手动切换包括PIDPID工作方式（工作方式（工作方式（工作方式（OV_MODEOV_MODE）、输出）、输出）、输出）、输出跟踪、输出控制量变化率限制及限幅跟踪、输出控制量变化率限制及限幅跟踪、输出控制量变化率限制及限幅跟踪、输出控制量变化率限制及限幅4 4部分。部分。部分。部分。六、自动六、自动六、自动六、自动/手动切换手动切换手动切换手动切换7/5/202465输出跟踪输出跟踪输出跟踪输出跟踪7/5/202466第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字PIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法控制算法控制算法第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字PIDPIDPID控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字PIDPID控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第五节预测控制第五节预测控制第五节预测控制第五节预测控制第五节预测控制第五节预测控制第六节自适应控制第六节自适应控制第六节自适应控制第六节自适应控制第六节自适应控制第六节自适应控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制7/5/202467一、控制系统的主要性能指标一、控制系统的主要性能指标一、控制系统的主要性能指标一、控制系统的主要性能指标稳态误差稳态误差essry超调量超调量衰减率衰减率调节时间调节时间ts7/5/202468二、二、PIDPID控制器参数对控制性能的影响控制器参数对控制性能的影响7/5/2024691 1、比例系数、比例系数、比例系数、比例系数K Kp p对系统性能的影响对系统性能的影响对系统性能的影响对系统性能的影响加大比例系数加大比例系数Kp，在系统，在系统稳定的情况下，可以减少稳态稳定的情况下，可以减少稳态误差误差ess，提高控制精度，但是，提高控制精度，但是不能完全消除稳态误差。不能完全消除稳态误差。7/5/2024702 2、积分时间、积分时间、积分时间、积分时间T Ti i对系统性能的影响对系统性能的影响对系统性能的影响对系统性能的影响积分作用通常使系统的稳定性积分作用通常使系统的稳定性下降。下降。Ti太小系统将不稳定；太小系统将不稳定；Ti偏小偏小时振荡次数较多；时振荡次数较多；Ti太大时对系统太大时对系统的稳定性影响较小，但会导致不能的稳定性影响较小，但会导致不能减小稳态误差。减小稳态误差。7/5/2024713 3、微分时间、微分时间、微分时间、微分时间T Td d对系统性能的影响对系统性能的影响对系统性能的影响对系统性能的影响无论无论Td偏大还是偏小，都偏大还是偏小，都会引起超调量的增大和调节时会引起超调量的增大和调节时间的加长，只有选择合适时，间的加长，只有选择合适时，才可能得到满意的过渡过程。才可能得到满意的过渡过程。7/5/202472三、采样周期三、采样周期三、采样周期三、采样周期T T的选择的选择的选择的选择香农采样定理仅从理论上给出了选择采样周期的香农采样定理仅从理论上给出了选择采样周期的香农采样定理仅从理论上给出了选择采样周期的香农采样定理仅从理论上给出了选择采样周期的上限。在实际选择采样周期时，要考虑如下因素：上限。在实际选择采样周期时，要考虑如下因素：上限。在实际选择采样周期时，要考虑如下因素：上限。在实际选择采样周期时，要考虑如下因素：1 1、对象的动态特性。、对象的动态特性。、对象的动态特性。、对象的动态特性。2 2、作用于系统的扰动信号频率。、作用于系统的扰动信号频率。、作用于系统的扰动信号频率。、作用于系统的扰动信号频率。3 3、执行机构的特性。、执行机构的特性。、执行机构的特性。、执行机构的特性。4 4、对象所要求的控制质量。、对象所要求的控制质量。、对象所要求的控制质量。、对象所要求的控制质量。5 5、性能价格比。、性能价格比。、性能价格比。、性能价格比。6 6、控制回路数。、控制回路数。、控制回路数。、控制回路数。采样周期采样周期T的选择应考的选择应考虑被控对象的时间常数虑被控对象的时间常数T和纯迟延时间和纯迟延时间。扰动信号的频率越高，扰动信号的频率越高，则采样频率也应越高，则采样频率也应越高，即采样周期应远小于对即采样周期应远小于对象的扰动信号的周期，象的扰动信号的周期，以使系统具有良好的抗以使系统具有良好的抗干扰和快速响应特性。干扰和快速响应特性。过短的采样周期，执行过短的采样周期，执行机构将来不及响应；采机构将来不及响应；采样周期过大，保持器跳样周期过大，保持器跳变加大，控制作用粗糙变加大，控制作用粗糙度增加。度增加。控制精度要求越高，则控制精度要求越高，则采样周期越短。但采样采样周期越短。但采样周期的选择必须大到使周期的选择必须大到使由计算机精度造成的由计算机精度造成的“积分残差积分残差”减小到可以减小到可以接受的程度。接受的程度。控制回路数多，计算量控制回路数多，计算量大，采样周期要大；反大，采样周期要大；反之，可以减小采样周期。之，可以减小采样周期。7/5/202473四、数字四、数字四、数字四、数字PIDPID控制器的参数整定方法控制器的参数整定方法控制器的参数整定方法控制器的参数整定方法控制器参数的控制器参数的整定方法整定方法理论整定法理论整定法工程整定法工程整定法凑试法凑试法实验经验法实验经验法稳定边界法稳定边界法（临界比例带法）（临界比例带法）衰减曲线法衰减曲线法动态特性法动态特性法基于基于偏差积分指标偏差积分指标最小的整定方法最小的整定方法PID控制器控制器参数自整定参数自整定基于继电反馈的基于继电反馈的参数自整定参数自整定基于模式识别的基于模式识别的参数自整定参数自整定7/5/202474通过调整通过调整PIDPID控制器的三个参数控制器的三个参数K Kp、T Ti、T Td，将系统的闭环特征根分布在，将系统的闭环特征根分布在 s s 域左半平域左半平面的某一特定域内，以保证系统具有足够面的某一特定域内，以保证系统具有足够的稳定裕度并满足给定的性能指标。的稳定裕度并满足给定的性能指标。PIDPID整定的理论方法整定的理论方法整定的理论方法整定的理论方法7/5/202475通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线，通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线，然后根据各环节参数对系统响应的大致影响，然后根据各环节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定定PID参数。参数。凑试法确定凑试法确定凑试法确定凑试法确定PIDPID控制器参数控制器参数控制器参数控制器参数7/5/202476整定比例部分。整定比例部分。整定比例部分。整定比例部分。如果仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到如果仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到如果仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到如果仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求时，则需加入积分环节。设计要求时，则需加入积分环节。设计要求时，则需加入积分环节。设计要求时，则需加入积分环节。若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节。在凑试时，可根据各参数对控制过程的影响趋势，在凑试时，可根据各参数对控制过程的影响趋势，在凑试时，可根据各参数对控制过程的影响趋势，在凑试时，可根据各参数对控制过程的影响趋势，按先比例，后积分，再微分的整定步骤进行：按先比例，后积分，再微分的整定步骤进行：按先比例，后积分，再微分的整定步骤进行：按先比例，后积分，再微分的整定步骤进行：凑试法确定凑试法确定凑试法确定凑试法确定PIDPID控制器参数控制器参数控制器参数控制器参数7/5/202477常见被控量的常见被控量的PID参数经验选择范围参数经验选择范围7/5/202478临界比例带法（齐格勒尼柯尔斯1942年提出，ZN法）n 自平衡对象，对纯比例调节器，形成闭环，逐渐减小比例带(=1/Kp），直到系统发生持续等幅振荡。记录发生振荡的临界比例带和周期u及振荡Tu。试验经验法确定试验经验法确定试验经验法确定试验经验法确定PIDPID控制器参数控制器参数控制器参数控制器参数控制规律KpTiTdP05 Ku0PI045 KuTu120PID06 KuTu20125Tu7/5/202479 是一种闭环整定方法，试验过程与稳定边界法相似。所不同的是要调整比例带（从大到小）直到被控量y出现4：1的衰减振荡。然后根据此时的比例带v及振荡周期Tv按照经验公式确定控制器的参数。控制规律TiTdPv0PI12v05Tv0PID08v03Tv01Tv衰减曲线法衰减曲线法衰减曲线法衰减曲线法 7/5/202480动态特性法是在系统处于开环情况下，根据被控对象的阶跃响应曲线，求得被控对象的动态特性参数：迟延时间、响应速度（无自平衡能力对象）或迟延时间、时间常数Tc和放大系数K（有自平衡能力对象），然后按经验公式计算比例带、积分时间Ti和微分时间Td。动态特性法（阶跃响应曲线法）动态特性法（阶跃响应曲线法）动态特性法（阶跃响应曲线法）动态特性法（阶跃响应曲线法）7/5/202481 整定参数寻最佳，从小到大逐步查整定参数寻最佳，从小到大逐步查;先调比例后积分，微分作用最后加先调比例后积分，微分作用最后加;曲线震荡很频繁，比例刻度要放大曲线震荡很频繁，比例刻度要放大;曲线漂浮波动大，比例刻度要拉小曲线漂浮波动大，比例刻度要拉小;曲线偏离回复慢，积分时间往小降曲线偏离回复慢，积分时间往小降;曲线波动周期长，积分时间要加长曲线波动周期长，积分时间要加长;曲线震荡动作繁，微分时间要加长。曲线震荡动作繁，微分时间要加长。7/5/202482第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字第一节数字PIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法控制算法控制算法第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字第二节数字PIDPIDPID控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现控制器的工程实现第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字第三节数字PIDPIDPID控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第四节复杂控制系统第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第五节自适应控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第六节预测控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制第七节模糊控制7/5/202483一、串级控制系统一、串级控制系统一、串级控制系统一、串级控制系统 采用串级控制系统需要满足三个条件，一是对象可采用串级控制系统需要满足三个条件，一是对象可以分段；二是中间信号（如副参数）可测；三是副对象和主以分段；二是中间信号（如副参数）可测；三是副对象和主对象的时间常数相差较大，通常副对象的时间常数小，因此对象的时间常数相差较大，通常副对象的时间常数小，因此副回路为快速回路，而主对象时间常数大，相应的主回路为副回路为快速回路，而主对象时间常数大，相应的主回路为慢速回路。慢速回路。在计算机控制系统中，不管串级控制有多少级，计在计算机控制系统中，不管串级控制有多少级，计算机计算的顺序总是从最外面的回路向内回路进行。算机计算的顺序总是从最外面的回路向内回路进行。串级控制系统的控制方式有两种，一种是异步采样控制，串级控制系统的控制方式有两种，一种是异步采样控制，另一种是同步采