第5章_数字调节器1.ppt

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1、1第5章数字调节器本章主要内容：概述模拟量输入/输出通道数字式PID调节器PID参数自整定调节器21、数字调节器的硬件构成：5.1概述32、数字调节器的软件构成：数字调节器的全部工作都是在硬件环境下，由微处理器执行程序完成。数字调节器的软件包括监控管理程序和应用程序两大部分。45.2模拟量输入/输出通道模拟量输入通道1、分类：从接受电信号的电平分：高电平和低电平输入通道；从抗干扰性能角度分：非隔离型和隔离型高抗干扰输入通道；从结构上可按共用一个放大器或A/D转换器及不共用多种组合。5（1）共用一个采样/保持器（S/H）和A/D转换器的高电平模拟量输入通道（如下图所示

2、）。6（2）各通道分用采样／保持器，共用A/D转换器的模拟量输入通道（如下图所示）7（3）低电平模拟量输入通道（4）高抗干扰模入通道:输入通道的干扰从形式上可分为串模干扰和共模干扰两种类型。89二、模拟量输出通道在数字调节器中，运算处理后得到的控制信号仍是数字量，需经模拟量输出通道变换为能直接驱动执行器的信号。进行闭环连续控制的执行器大致有以下几类：1）由伺服马达驱动的电动执行器。2）由电／气转换器驱动的气动执行器。3）由步进电动机驱动的电动执行器。4）控制电加热系统的晶闸管。输出通道根据所用D/A转换器的情况可有两种形式。10①多个输出通道共用一个D/A转换器，其

3、结构示意图如下图所示。11②每个通道各用一个D/A转换器，其结构如下图所示。12一、数字式调节器控制规律的实现5.3数字式PID调节器DDZⅢ调节器是模拟式调节器，它利用电子电路进行连续的PID运算。数字式调节器以微计算机为核心进行有关控制规律的运算，所有控制规律的运算都是周期性的进行，即数字式调节器是离散系统。因此，用于连续系统的PID控制规律必须进行离散化后方可应用于数字式调节器。控制算法：完全微分PID算法(理想PID算法)不完全微分PID算法(实际PID算法)实现形式：位置型、增量型、速度型和偏差型13二、数字调节器的设计方法数字调节器控制算法的设计有模拟化

4、设计方法和数字化设计方法两种。数字调节器的模拟化设计方法是基于将数字控制系统看一个连续系统，如下图所示。14直接数字化设计是设计数字调节器的另一种方法，它是将计算机控制系统看成一个离散系统，如下图所示。它实际上是通过零阶保持器和采样器将连续对象离散化了。利用离散系统理论，可以根据系统性能指标要求直接求出数字控制器的离散算法D（Z）。15三、PID控制算式（一）PID控制算式的基本形式数字调节中的PID控制算式是将PID的模拟表达式进行离散化而得到的。PID的模拟表达式为式中p——调节器的输出信号；e——调节器的偏差输入信号，是测量值m与给定值r之差，e=r-m；KP

5、、TI、TD——分别为调节器的比例系数、再调时间（也称积分时间）、预调时间（也称微分时间）。16因为采样周期Ts相对于信号变化周期是很小的，这样可用矩形法计算积分，用向后差分代替微分，则上式变成离散PID算式为式中⊿t=Ts——采样周期；pn——第n次采样时调节器的输出；en——第n次采样的偏差值en=r-mn；n——采样序号。17上式为位置式算式，其计算出的输出量与执行机构（阀门）的位置相对应。由上式同样可列出第（n—l）次采样的输出表达式由上面两式相减，可得PID调节器输出增量的表达式式中KI——PID控制算式的积分系数KI＝KPTS/TI；KD——PID控制算

6、式的微分系数KD=KPTD/TS。18上式运算结果⊿p表示了执行机构（阀门）位置应改变的增量，为增量式算式。位置式和增量式两种控制算式在本质上并无多少区别，只不过在用位置式算式时，pn=∫⊿pi的任务由软件完成，而在用增量式控制算式时，则需由硬件中的输出通道来完成。采用位置式和增量式算式时，数字控制系统示意图如下图所示。19由上述可见，两种算式在本质上是一样的，但增量式算式却有一些优点，使它的应用更广泛。这些优点主要有：1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，误动作时影响小。必要时通过逻辑判断进行保护，不会严重影响系统状态。2）易于实现手动一自动的无扰切

7、换。20增量式输出PID控制系统手动←→自动切换示意图21增量运算、位置输出PID控制系统原理示意图22（二）PID控制算式的变型为了改善控制质量，针对不同对象，PID控制中引入了许多新内容，我们仅举以下几个例子。（1）完全微分PID算法位置型：增量型：速度型：偏差型：23（2）不完全微分PID算法完全微分PID算法的缺点：微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制系统振荡，降低控制品质；阀门开度时间与调节器的输出信号时间不相对应。不完全微分PID调节器：在完成微分PID的输出端串联一阶惯性环节，如下图所示。不完全微分PID调节器组成原理框图24不完全微