第5章集散控制系统的控制算法

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1、第第5章章 集散控制系统的控制算法集散控制系统的控制算法v主要内容:v5.1、PID控制算法 5.6、推断控制v5.2、选择性控制系统 5.7、预测控制v5.3、前馈控制 5.8、自适应控制v5.4、解耦控制 5.9、顺序控制v5.5、时滞补偿控制 5.10、计算机优化控制v目的：把理论的控制算法应用于实际的DCS工程中去，以实现良好的控制控制作用控制作用：比例控制（比例控制（P P）：）：比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制（积分控制（I I）：）：积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积

2、累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制（微分控制（D D）：）：微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，使整个控制系统得到良好的性能。 在PID控制系统中，控制器将根据偏差esv-pv（设定值sv与测量值pv之差），给出控制信号u(t)。二、离散的二、离散的 PID 控制控制 、位置算法 比例进行采样： kpe

3、(t) kpe(k) 用求和代替积分：kjjeTSTi0)( 用差分代替微分：)1()(kekeSTDTdttdedT）（ 所以离散 PID 控制为： )1(0)(e(k)pk)(kekeSTTkjjeTSTkUdi）（ 上式为全量式， 非递推式， 式中 TS为采样周期， TI 为积分时间；TD为微分时间。 为了求和，必须将系统的偏差的全部过去值都储存为了求和，必须将系统的偏差的全部过去值都储存起来，这种算法得出的全量起来，这种算法得出的全量U(K)是控制量的绝对值。在控是控制量的绝对值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，是一一对制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，是一一对应

4、的。缺点是每时刻计算机都要重复计算阀位的位置，必应的。缺点是每时刻计算机都要重复计算阀位的位置，必须把偏差的全部过去数据都积累起来，容易产生积分饱和须把偏差的全部过去数据都积累起来，容易产生积分饱和2、增量算法 由位置算法求出： )1(0)(e(k)pk)(kekeSTDTkjteITSTkU）（ )2(10)(1)-e(kpk) 1(kekeSTDTkjteITSTkU）（ 2() 1(2)()()1()() 1()()(）kekekeDkkeIkkekepkkUkUkU 设1kekeke 1)()()()(）（ kekeDkkeIkkepkkU 上式只表示出各次偏差量对控制作用的影响，已看

5、不出 P 、I、D 作用的直接关系了，只存储三个偏差采样值足够 e(k) e(k-1) e(k-2) 3 3、速度算法、速度算法它是增量算法除以采样周期，是增量算法的变形，没它是增量算法除以采样周期，是增量算法的变形，没有累加和项，不会出现积分饱和，避免了大的超调和震荡有累加和项，不会出现积分饱和，避免了大的超调和震荡 三种算法的选择：一是要考虑执行器的形式，另一方面要分析应用三种算法的选择：一是要考虑执行器的形式，另一方面要分析应用时的方便性时的方便性1、从执行器看：位置算法的输出除用数字式控制阀可直接连接从执行器看：位置算法的输出除用数字式控制阀可直接连接外，一般须经外，一般须经A/D转换

6、为模拟量，还要有保持电路。而增量算法可转换为模拟量，还要有保持电路。而增量算法可通过步进电机等累积机构转化为模拟量。速度算法的输出采用积分通过步进电机等累积机构转化为模拟量。速度算法的输出采用积分式执行机构。式执行机构。2、从应用方面看：增量和速度手自动切换较方便；不产生积分饱、从应用方面看：增量和速度手自动切换较方便；不产生积分饱和。位置算法正好相反。和。位置算法正好相反。1)(2)()()()(）（ kekesTdTpkkeiTkpsTkepksTkUhv三、参数整定三、参数整定1 1、实验凑试法的整定步骤为、实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分。先比例，再积分，最后微分。 （

7、1 1）整定比例控制）整定比例控制 预选择一个足够短的采样周期预选择一个足够短的采样周期T TS S。一般说一般说T TS S应小于受控对应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。象纯延迟时间的十分之一。用选定的用选定的T TS S使系统工作。使系统工作。这时这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐加大比例放大系数构成闭环运行。逐渐加大比例放大系数K KP P，即将比例控制即将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线，即系统对输入的阶跃信号

8、的响应出现临界小的响应曲线，即系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘）。振荡（稳定边缘）。（2 2）整定积分环节）整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（先将步骤（1 1）中选择的比例系数减小为原来的）中选择的比例系数减小为原来的50508080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。至得到较满意的

9、响应，确定比例和积分的参数。（3 3）整定微分环节）整定微分环节 若经过步骤（若经过步骤（2 2），），PIPI控制只能消除稳态误差，而动态控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PIDPID控制。控制。 先置微分时间先置微分时间T TD D=0=0，逐渐加大逐渐加大T TD D，同时相应地改变比例系同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PIDPID控制控制参数。参数。参数整定法：参数整定法：参数整定找最佳，从小到大顺序查参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比

10、例后积分，最后再把微分加先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低理想曲线两个波，前高后低4比比1一看二调多分析，调节质量不会一看二调多分析，调节质量不会低低 (4) 离散离散PIDPID控制算法的优缺点控制算法的优缺点优点：离

11、散优点：离散PIDPID的的P P、I I、D D三个作用是独立的，可三个作用是独立的，可以分别整定，计算机实施时，等效的以分别整定，计算机实施时，等效的Ti TdTi Td可以可以在更大范围内自由选择；积分微分作用的某些在更大范围内自由选择；积分微分作用的某些改进更为灵活多变。改进更为灵活多变。缺点：如果采用等效的缺点：如果采用等效的PIDPID参数，离散参数，离散PIDPID控制往控制往往差于连续的控制，滞后往差于连续的控制，滞后1/21/2TsTs四、控制度和采样周期四、控制度和采样周期1 1、采样周期、采样周期采样一数据控制系统中，设采样周期为采样一数据控制系统中，设采样周期为T TS