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第三篇 过程计算机控制系统,前言一、过程计算机控制系统结构种类单机控制系统两级计算机控制系统分布式控制系统（DCS）递阶控制系统（HCS）,1、两级计算机控制系统,自动化集成,不仅要完成生产过程的在线控制任务，还要进行现代化的集中管理。利用小型或微型计算机进行DDC控制，再用中型或大型计算机完成现代化企业管理。通过高速通信线路-网络，使各部门协调地进行工作。,2、集散控制系统(DCS)：,分散控制系统体系结构,3、递阶控制系统(HCS)：,也称综合自动化系统、计算机集成制造系统（CIMS）、计算机集成过程系统（CIPS）。现代企业大型化、连续化，生产过程设备联系密切、变量关联严重；生产计划对市场依赖性大；实现局部控制和优化难以奏效。以全局优化为目标，以小型机为中心，协调各局部子系统，实现分散与集中相结合的计算机控制系统。是过程控制未来的发展方向。,二、过程计算机控制系统可以具有四个功能层次控制层（基础自动化层）代替模拟控制器，完成闭环控制任务；监控层（过程控制层）生产过程进行监视、高级控制；计划调度层 根据决策管理层的指令，制定生产计划，原料组成、能源、设备运行进行最优调度、提高效率，获取最大利润；决策管理层 最上层，市场分析与预测，多目标优化计算，制定生产规划。,连铸生产过程,方坯,板坯,连铸控制系统监控界面,连铸过程优化控制系统,DDC系统中有关数据采集及处理方面的问题；DDC系统中的位置型和增量型PID算式及相应的改进算法；DDC系统中PID参数整定问题。,第13章 数字控制系统,本章主要内容：,13.1 数字控制系统的组成,直接数字控制（DDC）系统即是用计算机代替模拟控制器。原理图如以下图所示。,反多路开关,计算机,DDC系统具有以下特点：1、计算机运算速度快，可以分时处理多个控制回路，实现几十个甚至更多的PID控制。2、计算机运算能力强，很容易实现各种比较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、解耦控制、预测控制等。3、对计算机可靠性要求很高，计算机故障会使全部控制回路失灵。一般要求连续无故障运行时间达几千小时以上。（这也是DDC系统的缺点）。,计算机过程控制系统由被控对象、检测仪表、执行器和工业控制机组成。单回路控制系统典型构成如下图所示。,DDC系统的组成方框图,1、主机,2、过程接口:输入、输出；模拟量、开关量。,3、外围设备：输入设备、输出设备、外存储器。4、自动化仪表：过程通道必须通过自动化仪表才能和被控过程发生联系。5、软件系统：程序设计系统、操作系统、监控系统和诊断系统等，通常由计算机制造厂家提供。6、应用软件：是用户根据具体的生产工艺要求完成某种控制功能所必须的软件，由用户自编。,上图包括：,DDC控制系统处理的参数有：开关量、脉冲量、大部分是模拟量计算机处理的是数字量，解决两个问题：模拟量数字化（单位数字量对应模拟量大小）；时间数字化（采样周期）；提高信号的信噪比和可靠性数字滤波数据处理,13.2 数字控制系统的基础知识,提高控制品质，T0可取小些 减小超调量，T0可取大些 减小调节时间，T0可取小些 数字PID控制要把T0、TI、TD一起考虑,采样周期的选择原则：根据被控对象的物理特性选择T0,13.2.3 连续控制系统到数字控制系统的转换,1、采样周期：T0=T/2,2、模拟量的数字化如下图所示.,设模拟量为yn,则相应的二进制代码yn可表示为：其中Km 为变送器输入量与输出量之比，q 为量化单位其中M 为模拟量电信号全量程，N 为A/D位数。例题：设温度变送器量程为0100，其相应的输出为010mA，试求 温度为50 时相应的六位二进制代码。,3、数据采集：当模入点数不多时，可通过输入指令逐点读入；当模入点数较多时，可利用数据通道直接把一批数据送到内存指定的缓冲区，以节省时间。,数字滤波即是通过一定的程序对采样信号进行平滑加工，提高有用信号，消除或削减各种干扰和噪声；优点：不增加任何设备，由软件来实现；稳定性高；不存在阻抗匹配问题；多通道共用；可对低频干扰滤波（模拟，受电容量的影响）；使用方便、灵活。,13.2.4 数字滤波,限幅滤波限速滤波顺序采样时刻t1,t2,t3,采集参数y1,y2,y3，当,1、程序判断滤波,适用：温度、液位变化比较缓慢的信号,2、递推平均滤波(算术平均滤波),适用：有周期性噪声的信号平滑处理，N决定了平滑度和灵敏度缺点：N较大时，占用机时较长，效率低,3、加权递推加权平均滤波(滑动平均值法),适用：纯延迟较大的对象,如采用四项进行加权，可取：,对于慢过程，可采用动态滤波方法，如一阶惯性滤波方法。,4、一阶惯性滤波,适用：慢变化过程，动态滤波。,上式通过差分变换可得：,T0远小于Tf,因此是惯性环节另一个表达式：,（1）,（2）,（Z变换或状态方程方法-思考题？）,三、数据处理,读入数据多路模入采用一个A/D时，要考虑采样周期和转换时间的关系有效性检查溢出、无效等线性化处理数字滤波工程量化计算处理间接测量（软测量技术）上下限检查及报警,13.3 数字控制算法,概 述 1、PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。2、PID调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的 函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。3、在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改变PID的结构，取其一部分进行控制。,PID控制算式 1、模拟系统的PID算法表达式 在模拟系统中，PID算法的表达式为：式中 u（t）-调节器的输出信号 e(t)-调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差 KC调节器的比例系数 TI-调节器的积分时间 TD-调节器的微分时间,（3）,2、离散系统的PID算法表达式 对式（8-15）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，则积分项和微分项可用求和及增量式表示：（1）位置型PID控制算式 将式（4）代入式（3），则可得离散的PID表达式式中 t=T0-采样周期，必须使T0足够小；k-采样序号，k=0，1，2.e（k）、e(k-1)-第k次和第（k-1）次采样时的偏差值 u（k）-第k次采样时调节器的输出,（4）,（5）,（6）,由于上式的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常把上式称为位置型PID控制算式。应用于调节阀执行器的控制。,（2）增量型PID控制算式 式（6）做如下改动，根据递推原理，可写出（k-1）次的PID输出表达式：用上面两式（6）与（7）相减，可得：式中 KI=KCT0/TI-积分系数 KD=KCTD/T0-微分系数,（7）,（8）,在很多控制系统中，控制机构采用的是步进电机或多圈电位器，所以采用增量式PID算式。,（3）速度型PID控制算式：,综上，控制算式的选择原则：执行器的型式 应用时的方便,应用于积分式执行器控制,（9）,（4）计算机实现PID控制原理图,（5）增量型PID控制的优点：）增量算法控制误动作影响小）增量算法控制易于实现手动自动无扰动切换）不产生积分失控，易获得较好的调节品质,位置算式,增量算式,u(k),u(k),(6)PID算法的程序设计 1)、位置型PID算法的程序设计 由式（5）可写出k次采样时PID的输出表达式（10）思路：将三项拆开，并应用递推进行编程 设比例输出：up(k)=KC e(k)积分项输出：,（11）,微分项输出：所以，式（10）可写为（12）该式即为离散化的位置PID编辑公式。其流程图如右图所示，,2)、增量型PID算法的程序设计 由式（8），设代入式（8）得（13）此即为离散化的增量型的PID编程表达式。,13.3.2 PID控制算式的改进,由于计算机控制系统的灵活性，除了按（8-18）和式（8-20）进行标准的PID控制计算外，可根据系统的实际要求，对PID控制进行改进，以达到提高调节品质的目的。本节介绍几种 改进的PID算式。1 不完全微分的PID算式 1）、问题-微分项的副作用 微分项的引入，主要是提高系统的响应速度，但也有副作用。当高频扰动的生产过程或阶跃信号输入时，微分项输出急剧增加，容易引起超调和输出振荡，导致调节品质下降。2）、解决方法-PID不完全微分 为了解决这一问题，同时要保证微分作用有效，可以参照模拟调节器的方法，在输出端串接一惯性环节，即采用不完全微分的PID算式：,不完全微分PID算式,离散化后得：,（14）,PID,惯性环节,不完全微分的PID增量算式：（15）在标准的PID算法中，加入一个一阶惯性环节，可以组成不完全微分的数字控制器。思考题：只在微分环节加惯性环节后，PID算式是？,3）、不完全微分PID的输出特性 在单位阶跃信号作用下，完全微分与不完全微分输出的差异，如下图所示。,易引起振荡和超调,系统稳定,2 带不灵敏区的PID算式 1)、问题 在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PID控制系统。2)死区的PID概念：是人为地设置一个不灵敏区域B，当偏差e(t)的绝对值小于B时，其控制输出不变，否则使其输出为正常输出。避免频繁动作所引起的振荡。,（16）,3)、带死区的PID控制流程图,3、积分分离的PID算式 解决当开工、停工、给定值大幅变化，引起系统大幅的超调或震荡。积分分离控制算式,（17）,4 微分先行PID算式,避免给定值升降变化给控制系统带来的冲击（超调量过大或调节阀动作剧烈）只对被调量 y(t)微分,增量PID算式,（18）,13.3.3 数字式PID调节参数的整定,1 问题引出 问题1：PID控制中的参数的确定 在数字控制系统中，参数的整定是十分重要的，调节系统参数整定的好坏直接影响调节品质。问题2：采样周期T0的确定 一般的生产过程都具有较大的时间常数，而数字PID控制系统采样周期则要小得多，所以数字调节器的参数整定，完全可以按照模拟调节器的各种参数整定方法进行分析的综合。但是，数字控制器与模拟调节器相比，即除了比例系数积分时间和微分时间外，还有一个重要的参数采样周期T0。合理的选择周期T0，也是数字控制系统的关键问题之一。,PID参数的整定方法（2）,影响采样周期T0的扰动频率 扰动频率愈高，采样频率也应提高，采样周期应缩短。2）被控对象的动态性 主要是与被控对象的纯滞后的时间 及时间常数T有关。当纯滞后比较显著时，采样周期T0与纯滞后时间基本相等。3）控制的回路数 控制的回路越多，则T0越大，否则T0越小。4）对象所要求的控制质量 一般来说，控制精度要求越高，采样周期越短，以减小系统的纯滞后。,PID参数的整定方法（3）,采样周期的确定方法 有两面种方法：计算法和经验法。计算法由于比较复杂，特别是被控系统各环节时间常数难以确定，所以工程上用的比较少。工程上应用最多的还是经验法。所谓经验法实际是一种凑试法。即根据人们在工作实践中积累的经验以及被控对象的特点、参数，先粗选一个采样周期T0，送入计算机控制系统进行试验，根据对被控对象的实际控制效果，反复改T0，直到满意为止。经验法所采用有采样周期，如下表所示。,PID参数的整定方法（4）,表8-2 采样周期的经验数据,PID参数的整定方法（5）,2 扩充临界比例带法 扩充临界比例带法是一种简易工程参数整定方法。它是基于模拟调节器中使用的临界比例度法的一种PID数字调节器参数整定方法。用这种方法整定参数T0、KP、TI、和 TD的步骤如上：（1）选择一个足够短的采样周期Tmin 例如带有纯滞后的系统其采样周期取纯滞后时间的1/10以下。（2）求出临界比例度cr 和临界振荡周期Tcr 具体方法是，将上述的采样周期Tmin输入到计算机控制系统，并只有比例控制，逐渐增大比例系数KC，直到系统产生等幅振荡。此时的比例系数即为临界比例度cr，相应的振荡周期称为临界振荡周期Tcr。（3）选择控制度 所谓控制度，就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器控制效果相比较，其评价函数通常采用误差平方积分 表示,PID参数的整定方法（6）,（19）对于模拟系统，其误差平方积分可按记录曲线上的图形面积计算。而DDC系统可用计算机直接计算。通常当控制度为1.05时，表示DDC系统与模拟系统控制效果相当；当控制度为2.0时，控制质量差一倍。（4）根据控制度，查表13-2求出参数（5）将参数 加到系统中调试运行。思考：为什么控制度大于1？,PID参数的整定方法（7）,表13-2 扩充临界比例带法整定参数表 cr：临界比例度；Tcr：临界振荡周期；,13.3.3 PID参数的整定方法（8）,3 扩充响应曲线法（1）如果已知系统的动态特性曲线，那么就可以把模拟调节器动态特性参数法整定方法推广到DDC控制系统，采用扩充响应曲线法进行整定。（2）在应用Z-N公式和C-C公式时要注意被控对象的延迟时间要用等效延迟时间e代替，即：e=+T0/2（3）根据所求得e T和K 值，查表13-3，即可求出控制器的。,PID参数的整定方法（9）,表13-3 扩充响应曲线法整定参数,PID参数的整定方法（10）,4 归一参数整定法 以上两种方法特别用于被控对象是一阶滞后环节，且麻烦。1974年，Roberts 提出一种简化扩充临界比例度整定法。由于该方法只需整定一个参数即可，故称其为归一参数整定法。PID归一参数整定法的指导思想是：根据经验数据，对多变量、相互耦合较强的系数，人为地设定“约束条件”，以减少变量的个数，达到减少整定参数数目、简易、快速中档参数之目的。已知增量型PID控制的公式为（7-25）,PID参数的整定方法（11）,根据经验规律，可以设置各个时间参数之间的关系，即“约束条件”，设 T0=0.1Tcr TI=0.5Tcr TD=0.125Tcr 式中Tcr为纯比例下的临界振荡周期，代入上式化简得（20）该式此即为归一化参数的PID算式。式中只有一个参数KC，通过实验对其调整，便会达到满意的控制效果。参数KC实验确定方法：1）给一阶跃输入，记录输出曲线，如速度、压力、温度等变化曲线，调整参数Kc值，使曲线尽量接近理想曲线，如下页图所示。2）实际运行，再进一步调整参数KC值，使实际控制效果达到最佳。,PID参数的整定方法（12）,第13章小结,一、在这一章里，重点介绍了两种最基本的PID算法：（1）位置型PID；（2）增量型PID。数字PID算法是在模拟PID算法的基础上，用差分方程代替连续方程，所以模拟PID算法中许多行之有效的方法都可以用到数字PID运算中。如数字PID的参数整定方法源于模拟PID算法。但要有一个前提，即采样周期足够小。在这种情况下，采样系统的PID就非常接近于连续系统的模拟PID控制。二、讨论了改进型 PID算法 随着计算机控制技术的发展，使数字PID控制得到了很大的发展，8.3节中介绍的改进型 PID算法就是有代表性的几种。这些算法既适用于增量型，也适用于位置型，算法的选用主要取决于执行机构。,第13章小结（续）,三、介绍了几个PID数字控制的实际问题 此外，13.2节介绍了几种用计算机实现PID数字控制的实际问题，这些都是容易被忽视，但在实际应用中又不得不解决的问题，一定要给予足够的重视。四、PID控制法在不断的发展 可以看出，无论是一种算法的改进，还是在应用中需要解决的实际问题，用计算机实现起来都是很方便的。现在，已经出现了各种各样的PID运算程序库，用户只要根据自己的需要加以调用即可。有的子程序还可以通过组态的方法，选择不同的调节规律。总之，PID调节是目前应用最多。也是最成功的数字调节方法。人们正在根据不同控制系统的要求，对其不断进行研究和改进。近年来，随着模糊控制技术的发展，又出现了模糊PID控制，也收到了一定的效果。,