第5章

數據處理與控制策略DataProcessing&ControlStrategy2/14/20251計算機控制技術數字控制器的設計技術數字濾波和數據處理數控技術基礎數字PID控制算法常規控制方案先進控制方案本章主要內容2/14/20252計算機控制技術5.1數字控制器的設計技術數字控制器的連續化設計技術數字控制器的離散化設計技術

DesigntechnologyOfDigitalontroler2/14/20253計算機控制技術計算機控制系統的設計是指在給定系統性能指標的條件下，設計出控制器的控制規律和相應的數字控制算法

大多數計算機控制系統是由處理數字信號的過程控制計算機和連續的被控過程組成的數字信號與連續信號并存的“混合系統”

數字控制器的分析和設計方法數字控制器的連續化設計技術數字控制器的離散化設計技術2/14/20254計算機控制技術5.1.1數字控制器的連續化設計技術數字控制器的連續化設計步驟

設計假想的連續控制器選擇采樣周期T將D(s)離散化為D(z)設計由計算機實現的控制算法校驗2/14/20256計算機控制技術5.1.1數字控制器的連續化設計技術(1)設計假想的連續控制器

采用連續系統的設計方法(如頻率特性法、根軌跡法等)設計出假想的連續控制器D(s)

。D(s)G(s)y(t)e(t)r(t)+-u(t)2/14/20257計算機控制技術5.1.1數字控制器的連續化設計技術(2)選擇采樣周期T采樣定理：采樣周期T≤π/ωmax由于被控對象的物理過程及參數的變化比較復雜，致使模擬信號的最高角頻率ωmax很難確定。采樣定理僅從理論上給出了采樣周期的上限，實際采樣周期的選擇要受到多方面因素的制約,如：

系統控制品質的要求、執行機構的特性、控制系統抗干擾和快速響應的要求、計算工作量、計算機的成本、控制對象的時間常數Tp和純滯后時間τ

2/14/20258計算機控制技術5.1.1數字控制器的連續化設計技術(3)將D(s)離散化為D(z)常用連續系統離散化的方法：雙線性變換法后向差分法前向差分法沖擊響應不變法零極點匹配法零階保持法

2/14/20259計算機控制技術為了由D(s)求解D(z)，由上式得且有(5.3)式(5.3)就是利用雙線性變換法由D(s)求取D(z)的計算公式。,利用級數展開可得雙線性變換或塔斯廷(Tustin)近似

雙線性變換法:2/14/202510計算機控制技術前向差分法:利用級數展開可將，寫成以下形式上式稱為前向差分法或歐拉法的計算公式。為了由D(s)求取D(z)，由上式可得上式便是前向差分法由D(s)求取D(z)的計算公式且有2/14/202511計算機控制技術后向差分法:利用級數展開可將，寫成以下形式為了由D(s)求取D(z)，由上式可得上式便是后向差分法由D(s)求取D(z)的計算公式且有2/14/202512計算機控制技術5.1.1數字控制器的連續化設計技術(4)設計由計算機實現的控制算法設數字控制器D(z)的一般形式為上式可改寫為上式用時域表示為利用上式即可實現計算機編程，因此上式稱為數字控制器D(z)的控制算法。

2/14/202513計算機控制技術5.1.1數字控制器的連續化設計技術(5)校驗控制器D(z)設計完成并求出控制算法后，需要檢驗其閉環特性是否符合設計要求，可采用數字仿真來驗證，若滿足設計要求，設計結束，否則應修改設計。

2/14/202514計算機控制技術5.1.2數字控制器的離散化設計技術概述數字控制器的連續化設計，立足于連續控制系統控制器的設計，然后在計算機上進行數字模擬來實現的，該方法在被控對象的特性不太清楚時，可充分利用成熟的連續化設計技術，并把它移植到計算機上予以實現由于控制任務需要，當所選擇的采樣周期比較大或對控制質量要求比較高時，必須從被控對象的特性出發，直接根據計算機控制理論(采樣控制理論)來設計數字控制器，這類方法稱為離散化設計方法

離散化設計技術比連續化設計技術更具有一般意義，它完全是根據采樣控制系統的特點進行分析和綜合，并導出相應的控制規律和算法2/14/202515計算機控制技術5.1.2數字控制器的離散化設計技術設計問題下圖中，Gc(s)是被控對象的連續傳遞函數，D(z)是數字控制器的脈沖傳遞函數，H(s)是零階保持器的傳遞函數，T是采樣周期)。-r(t)y(t)u(t)u(k)e(t)e(k)+D(z)H(s)TTGc(s)2/14/202516計算機控制技術5.1.2數字控制器的離散化設計技術設計問題定義廣義對象的脈沖傳遞函數為可得上頁圖對應的閉環脈沖傳遞函數為由上式求得(5.12)(5.13)(5.14)若已知Gc(s)且可根據控制系統性能指標要求構造Φ(z)，則可由式(5.12)和式(5.14)求得D(z)

2/14/202517計算機控制技術5.1.2數字控制器的離散化設計技術數字控制器的離散化設計步驟

根據控制系統性能指標要求和其他約束條件，確定所需閉環脈沖傳遞函數Φ(z)；根據式(5.12)求廣義對象的脈沖傳遞函數G(z)；根據式(5.14)求數字控制器的脈沖傳遞函數D(z)；根據D(z)求取控制算法的遞推計算公式2/14/202518計算機控制技術5.1.2數字控制器的離散化設計技術由G(z)求取控制算法可按以下方法實現：設數字控制器G(z)的一般形式為數字控制器的輸出U(z)為因此，數字控制器D(z)的計算機控制算法為按照式上式就可編寫出控制算法程序。2/14/202519計算機控制技術5.1數字控制器的設計技術不管是按連續系統進行控制系統設計還是按離散系統進行控制系統設計,都可采用基于經典控制理論的常規控制策略或基于現代控制理論的先進控制策略，采用哪種控制策略往往與被控對象的過程特點、得到的數學模型以及對系統的控制精度要求有關，與采用哪種方法無直接關系。

2/14/202520計算機控制技術5.2數字濾波和數據處理數字濾波數字處理DataFilteringandDataProcessing2/14/202521計算機控制技術進行數字濾波和處理的必要性存在外部干擾采樣系統多次轉換信號會摻雜噪聲直接測得數據可能不可用數字濾波在計算機中利用某種計算方法對原始輸入數據進行數學處理，去掉原始數據中摻雜的噪聲數據，提高信號的真實性，獲得最具有代表性的數據集合。數據處理通過數字濾波得到比較真實的被測參數，有時不能直接使用，還需要做某些處理，如線性化、校正運算、標度變換等。2/14/202522計算機控制技術5.2.1數字濾波概述在軟件中對采集到的數據進行消除干擾的處理目的是進一步消除附加在數據中的干擾，使采集數據能真實反映現場實際情況，提高信號可靠性優點不需增加硬件設備，只需在計算機得到采樣數據后，執行預定濾波算法程序即可達到濾波目的穩定性好，一種濾波程序可以反復調用，使用方便靈活常用數字濾波方法平均值濾波法、中值濾波法慣性濾波法、程序判斷濾波備2/14/202523計算機控制技術5.2.1數字濾波--平均值濾波法(1)算術平均值濾波對一點數據連續采樣多次，計算算術平均值，以平均值作為該點采樣結果。可減少系統隨機干擾對采集結果的影響m值決定信號平滑度和靈敏度.適用于對流量、壓力及沸騰狀液面等周期性采樣信號作平滑處理。2/14/202524計算機控制技術5.2.1數字濾波--平均值濾波法實現方法可以在一個采樣瞬間對一個測點多次采樣后,計算出其平均值也可對多個采樣周期的平均采樣值作遞推濾波遞推算式為加快運算速度,可利用上一次計算值,通過遞推平均濾波算式得到當前采樣時刻的遞推平均值。2/14/202525計算機控制技術5.2.1數字濾波--平均值濾波法(2)加權平均濾波算術平均值濾波對每個采樣值給出相同的權重系數1/m若要增加新采樣值在平均值中比重,提高系統對當前所受干擾的靈敏度,可采用加權平均濾波,算式為ai為加權系數，體現各次采樣值在平均值中所占比例。這種濾波方法可根據需要突出信號某一部分，抑制信號另一部分。適用于純滯后較大、采樣周期短的過程。

2/14/202526計算機控制技術5.2.1數字濾波--中值濾波法中值濾波的基本原理對某一參數連續采樣n次,把n次的采樣值從小到大或從大到小排隊,再取中間值作為本次采樣值。適用范圍對于去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩定造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效.若變量變化比較慢，則采用中值濾波效果比較好實際使用時，n值要選擇適當，若選擇過小，可能起不到去除干擾的作用，n過大，會造成采樣數據的時延過大，造成系統性能變差。一般取n為3-5次。

2/14/202527計算機控制技術5.2.1數字濾波--中值濾波法平均值濾波對具有周期性干擾噪聲的信號比較有效,中值濾波法對偶然出現的脈沖干擾信號有良好的濾波效果,結合使用濾波效果會更好.方法是連續采樣m次，并按大小排序，從首尾各舍掉1/3個大數和小數，再將剩余的1/3個大小居中的數據進行算術平均，作為本次采樣的有效數據；亦可去掉采樣值中的最大值和最小值，將余下的（m-2）個采樣值算術平均。2/14/202528計算機控制技術5.2.1數字濾波--慣性濾波法慣性濾波法基本概念用軟件實現RC低通濾波器功能,動態方程為

其中Tf=RC，稱為濾波時間常數離散化后動態方程，T為采樣周期,得

0＜a＜1,稱為濾波系數。2/14/202529計算機控制技術5.2.1數字濾波--程序判斷濾波法基本概念根據生產經驗，確定兩次采樣輸入信號可能出現的最大偏差Δy當采樣信號由于隨機干擾，使得采樣數據偏離實際值較遠，可以采用程序判斷濾波。一般分兩類限幅濾波限速濾波2/14/202530計算機控制技術5.2.1數字濾波--程序判斷濾波法限幅濾波把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對值表示），然后與兩次采樣允許的最大偏差Δy比較，若小于或等于Δy取本次采樣值，若大于Δy仍取上次采樣值。

即|y(k)-y(k-1)|≤Δy0,則y(k)=y(k)

>Δy0,則y(k)=y(k-1)2/14/202531計算機控制技術5.2.1數字濾波--程序判斷濾波法限速濾波限幅濾波用兩次采樣值來決定采樣結果，而限速濾波可用三次采樣值來決定采樣結果。當|y(k)-y(k-1)|>Δy時，再采樣一次，取得y(k+1)根據|y(k+1)-y(k)|與Δy的關系決定本次采樣值

2/14/202532計算機控制技術5.2.1數字濾波各種濾波方法的特點與應用平均值濾波適用于周期性干擾；加權平均遞推濾波適用于純滯后較大的過程；中值濾波和程序判斷濾波適用于偶然出現的脈沖干擾；慣性濾波適用于高頻干擾。2/14/202533計算機控制技術目的經過處理后，可直接引用采樣數據。常見數據處理方法線性化處理：校正運算標度變換越限報警處理死區處理5.2.2數據處理2/14/202534計算機控制技術5.2.2數據處理--線性化處理概述計算機從模擬量輸入通道得到的檢測信號與該信號所代表的物理量之間不一定成線性關系。線性化處理后，方便運算并且便于數字顯示。計算法孔板差壓與流量熱電偶的熱電勢與溫度2/14/202535計算機控制技術5.2.2數據處理--線性化處理插值法實質是找出一種簡單、便于計算處理的近似表達式代替非線性參數。常用的插值公式有多項式插值公式、拉格朗日插值公式、線性插值公式等。折線法上述兩法都可能會帶來大量運算，為簡單起見，可分段進行線性化，即用多段折線代替曲線。過程：先判斷測量數據處于哪一折線段內，然后按相應段的線性化公式計算出線性值。折線段分法不是惟一的，可視具體要求定。一般折線段數越多，線性化精度越高。2/14/202536計算機控制技術℃Pt100℃Pt100℃Pt100-5080.3110103.9080130.90-4084.2720107.8090134.70-3088.2230111.67100138.50-2092.1640115.54150157.31-2092.1650119.40200175.84-1096.0960123.240100.0070127.07熱電阻分度表5.2.2數據處理--線性化處理查表法

為提高運算速度，可將非線性關系轉化為表格形式存在計算機內，在線工作量僅是根據采樣值查表2/14/202537計算機控制技術5.2.2數據處理--校正運算有時來自被控對象的某些檢測信號與真實值有偏差，這時需要對這些檢測信號進行補償，力求補償后的檢測值能反映真實情況。用孔板測氣體體積流量的溫度、壓力補償2/14/202538計算機控制技術5.2.2數據處理--標度變換概述生產中各個參數有不同的數值和量綱,如Pa、℃等

參數經變送器轉換成A/D能接收的0~

5V電壓信號，又由A/D轉換成00~FFH的數字量，不帶量綱，僅代表參數值相對大小。為方便操作及運算、顯示和打印的要求，須把數字量轉換成帶有量綱的數值標度變換方法線性參數標度變換非線性參數標度變換2/14/202539計算機控制技術5.2.2數據處理--標度變換線性參數標度變換一次儀表測量值與A/D轉換結果具有線性關系

非線性參數標度變換一次儀表測量值與A/D轉換結果是非線性關系根據差壓變送器信號△P與流量F的關系，可得測量流量時的標度變換式

即2/14/202540計算機控制技術5.2.2數據處理--越限報警處理概述把計算機采集的數據經計算機進行數據處理、數字濾波、標度變換之后，與該參數上、下限給定值進行比較。若高于(或低于)上限(或下限)，則進行報警，以便進行顯示和控制。聲光報警、報警記錄

設計方法全軟件報警程序直接報警程序（硬件申請中斷）2/14/202541計算機控制技術5.2.2數據處理--越限報警處理如圖所示鍋爐水位調節系統。圖中鍋爐正常工作的主要指標是汽包水位：液面太高會影響汽包的蒸汽產量；水位過低則有爆炸的危險。

HHJ

變送器cba++

預熱管水傳感器傳感器蒸汽蒸汽流量bac液面高度汽包水流量變速器變送器2/14/202542計算機控制技術5.2.2數據處理--越限報警處理為及時監視鍋爐情況，系統有三個參數報警系統，即水位上下限，爐膛溫度上下限，蒸汽壓力下限報警，如下圖所示。當系統各個參數全部正常時，綠燈亮；若有不正常參數，則發出聲光報警信號。

正常運轉

蒸汽壓力下限報警

爐膛溫度下限報警

爐膛溫度下限報警

水位下限報警

水位上限報警

1

LEDGN1

LEDRD1

LEDRD1

LEDRD7PBA82551

LEDRD1

LEDRD6PB5PB3PB2PB1PB0PB4PB1

電笛0674LS3X2X1X2/14/202543計算機控制技術5.2.2數據處理--死區處理從工業現場采集到的信號往往會在一定范圍內波動，或者有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信號上，此時采集到的數據有效值的最后一位不停的波動，難以穩定。這種情況可以采取死區處理，把不停波動的值進行死區處理，只有當變化超出某值時才認為該值發生了變化。比如編程時可以先對數據除以10，然后取整，去掉波動項。2/14/202544計算機控制技術5.3數控技術基礎概述數控原理數控系統分類運動控制系統BaseofNumericalContrl2/14/202545計算機控制技術5.3.1概述基本概念數字控制(NC)：用數字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法數控系統：采用數控技術的控制系統數控設備：采用了數控系統的設備計算機數控系統(CNC)：以計算機為核心的數控系統

數控設備構成飼服系統機電接口輸入通道被控對象CNC2/14/202546計算機控制技術5.3.2數控原理XbadcY曲線分段將如圖所示曲線分割成若干段，可以是直線段，也可以是曲線段，圖中分割成了三段，即、和cd把a、b、c、d四點坐標記下來并送給計算機。圖形分割原則應保證線段所連的曲線與原圖形誤差在允許范圍內。由圖可見，顯然采用、和cd比、和要精確得多。

2/14/202547計算機控制技術5.3.2數控原理插值（或插補）當給定a、b、c、d各點坐標x和y值之后，求得各坐標值間的中間值的數值計算方法稱插值或插補

直線插補：在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近二次曲線插補：在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近

XbadcY2/14/202548計算機控制技術5.3.2數控原理繪圖或加工把插補運算過程中定出的各中間點，以脈沖信號形式去控制x、y方向上的步進電機，帶動繪圖筆、刀具等，繪出圖形或加工所要求輪廓每一個脈沖信號代表步進電機走一步，即繪圖筆或刀具在x或y方向移動一個位置對應于每個脈沖移動的相對位置稱為脈沖當量，又稱為步長，常用△x和△y表示，且一般取△x=△y。

XbadcY2/14/202549計算機控制技術2/14/202550計算機控制技術5.3.3數控系統分類--按控制方式分類按控制方式分類點位控制數控系統點位控制最簡單，其運動軌跡沒有特殊要求，運動時又不加工，它的控制電路只要具有記憶和比較功能即可，不需要插補運算。直線控制數控系統和點位控制相比，直線控制要進行直線加工，控制電路要復雜一些。輪廓控制數控系統要控制刀具準確完成復雜的曲線運動，故控制電路復雜，且需要進行一系列的插補計算和判斷。

2/14/202551計算機控制技術5.3.3數控系統分類--按系統結構分類開環數控系統早期數控機床采用的數控系統，執行機構多采用步進電機或脈沖馬達。數控系統將零件程序處理后，輸出指令脈沖信號，驅動步進電動機，控制機床工作臺移動這種驅動方式不設置檢測元件，指令脈沖送出后，沒有反饋信息，容易掌握，調試維修方便，但控制精度和速度受到限制。步進電機驅動電路步進電機工作臺2/14/202552計算機控制技術5.3.3數控系統分類--按系統結構分類全閉環數控系統接受數控系統驅動指令同時，還接受工作臺上檢測元件測出的實際位置反饋信息，比較后根據差值進行修正，消除因傳動系統誤差引起的誤差可獲得高的加工精度，由于包含很多機械傳動環節，會影響伺服系統的調節參數。因此全閉環系統的設計和調整都有較大困難，處理不好常會造成系統不穩定。主要用于高精度機床。

位置反饋速度反饋速度控制電路步進電機工作臺位置比較電路2/14/202553計算機控制技術5.3.3數控系統分類--按系統結構分類半閉環數控系統將測量元件從工作臺移到執行機構端，由于工作臺不在控制環里，測量元件安裝在執行機構端，環路短，剛性好，容易獲得穩定的控制特性，廣泛應用于各類連續控制的數控機床上。

指令位置反饋速度反饋速度控制電路步進電機工作臺位置比較電路2/14/202554計算機控制技術5.4數字PID控制算法標準數字PID控制算法數字PID控制算法的改進數字PID參數整定DigitalPIDControlArithmetic2/14/202555計算機控制技術5-4-1標準數字PID控制算法PID是Proportional（比例）、Integral（積分）、Differential（微分）三者的縮寫。在過程控制中，按誤差信號的比例、積分和微分進行控制的調節器，簡稱PID調節器，是技術成熟、應用最為廣泛的一種調節器2/14/202556計算機控制技術5-4-1標準數字PID控制算法標準的模擬PID式中：Kc、Ti、Td分別為模擬調節器的比例增益、積分時間和微分時間,u0為偏差e=0

時的調節器輸出,又稱之為穩態工作點。2/14/202557計算機控制技術采樣周期與控制周期的概念模擬PID調節規律的離散化在控制器的采樣時刻t=kT時因此，PID的數字算式如下式5-4-1標準數字PID控制算法2/14/202558計算機控制技術數字PID又可寫成上面兩個算式又稱為PID位置算式其中稱為積分系數

稱為微分系數5-4-1標準數字PID控制算法2/14/202559計算機控制技術PID位置算式的問題由積分項的存在所產生PID增量算式

由

，可得5-4-1標準數字PID控制算法2/14/202560計算機控制技術PID增量算式的另一種形式增量PID算法的優點是編程簡單,數據可以遞推使用,占用內存少,運算快。增量PID算法得到k采樣時刻計算機的實際輸出控制量為5-4-1標準數字PID控制算法2/14/202561計算機控制技術5-4-2數字PID控制算法的改進

1.實際微分PID控制算法微分的作用理想微分的PID算法模擬調節器實現的微分作用理想微分作用的實際缺陷實際微分作用2/14/202562計算機控制技術理想微分PID與實際微分PID在單位階躍輸入時,它們輸出的控制作用

(A)理想微分PID積分項比例項

u012345678kT微分項比例項

u

012345678kT項

(B)實際微分PID微積分分項5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202563計算機控制技術理想微分PID與實際微分PID其區別在于實際微分多了個一階慣性環節，即如圖所示圖中因為u’(t)為理想PID的輸出，Gf(s)是一階慣性環節理想PIDU'(s)E(s)Gf(s)U(s)

實際微分PID控制算法示意框圖5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202564計算機控制技術理想微分PID與實際微分PID故：經計算，可得實際微分位置型控制算式

5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202565計算機控制技術理想微分PID與實際微分PID實際微分增量型控制算式實際微分的其它形式Gf(s)為一階超前/一階滯后環節,或將理想微分作用改為微分/一階慣性環節5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202566計算機控制技術2.微分先行PID控制算法（“測量值微分”）出發點：避免因給定值變化給控制系統帶來超調量過大、調節閥動作劇烈的沖擊。特點：只對測量值(被控量)進行微分,而不對偏差微分,也即對給定值無微分作用。偏差計算：正作用反作用5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202567計算機控制技術標準PID算式中的微分作用改進后的微分作用算式則為正作用：反作用：5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202568計算機控制技術微分先行PID控制算法示意圖U(s)Y(s)

R(s)微分先行的PID控制方框圖5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202569計算機控制技術

3.積分分離PID算法提出背景:積分作用會產生較大超調和振蕩基本思想當│e(k)│＞A時,用P或PD控制；│e(k)│≤A時,用PI或PID控制。注：1）A值需要適當選取；2）Kc應根據積分作用是否起作用而變化5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202570計算機控制技術積分分離PID算法示意圖

y曲線2：標準PID曲線3：A過小曲線1

0t

R

APDPIDPD5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202571計算機控制技術

4.遇限切除積分PID算法執行機構機械性能與物理性能的約束積分飽和該算法是抑制積分飽和的方法之一基本思想：一旦計算出的控制量u(k)進入飽和區,一方面對控制量輸出值限幅；另一方面增加判別程序,算法中只執行削弱積分飽和項的積分運算,而停止增大積分飽和項的運算。5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202572計算機控制技術

5.提高積分項積分的精度積分項的作用：比較重要提高其積分項的運算精度的辦法原來的方法：改進方法5-4-2數字PID控制算法的改進2/14/202573計算機控制技術整定過程先按模擬PID控制參數整定方法來選擇，然后在適當調整，并考慮采樣周期對整定參數影響采樣周期的確定（一般規律）5-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202574計算機控制技術5-4-3數字PID控制的參數整定穩定邊界法（臨界比例度法）選用純比例控制，給定值r作階躍擾動，從較大比例帶開始，逐漸減小，直到被控變量出現臨界振蕩為止，記下臨界周期Tu和臨界比例帶δu，按以下經驗公式計算Kc、Ti和Td。控制規律δTiTdPPIPID2δu2.2δu1.6δu-0.85Tu0.50Tu--0.13Tu2/14/202575計算機控制技術動態特性法（響應曲線法）

在系統處于開環情況下，首先做被控對象的階躍曲線，從該曲線上求得對象的純滯后時間τ、時間常數Tτ和放大系數K。然后在按表4.2經驗公式計算Kc、Ti和Td。

5-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202576計算機控制技術控制規律τ/Tτ≤0.20.2≤τ/Tτ≤1.5δTiTdδTiTdPKτ/Tτ----PI1.1Kτ/Tτ3.3τ-0.8Tc-PID0.85Kτ/Tτ2τ0.5τ0.81Tc+0.19τ0.25Ti5-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202577計算機控制技術3.基于偏差積分指標最小的整定參數法常用三種指標：最佳整定參數應使這些積分指標最小，不同積分指標所對應的系統輸出被控變量響應曲線稍有差別一般情況下，ISE指標的超調量大，上升時間快；IAE指標的超調量適中，上升時間稍快；ITAE指標的超調量小，調整時間也短。

5-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202578計算機控制技術4.試湊法一般規律：增大比例系數Kc一般將加快系統的響應，使系統的穩定性變差

減小積分時間Ti，將使系統的穩定性變差，使余差（靜差）消除加快。增大微分時間Td，將使系統的響應加快，但對擾動有敏感的響應，可使系統穩定性變差。試湊時，可參考上述參數對控制過程的影響趨勢，對參數實行先比例，后積分，最后微分的整定步驟。5-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202579計算機控制技術試湊法整定步驟：（1）首先整定比例部分。將比例系數由小變大，觀察相應響應，直到得到反應較快，超調較小的響應曲線。若系統靜差較小，滿足要求可采用純比例控制。（2）如果純比例控制有較大余差，則需要加入積分作用。積分時間從大變小，同時調整比例增益，使系統保持良好的動態性能，反復調整比例增益和積分時間，以得到滿意的動態性能。（3）若使用比例積分控制，反復調整仍達不到滿意的效果，則可加入微分環節。在整定時，微分時間從小變大，相應調整比例增益和積分時間，逐步試湊，以得到滿意的動態性能。5-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202580計算機控制技術5-4-3數字PID控制的參數整定比例增益對控制系統過渡過程的影響KP=2.85KP=1.852/14/202581計算機控制技術5-4-3數字PID控制的參數整定KP=2.4KP=2.4Ti=2KP=2.4

Ti=1積分時間對控制系統過渡過程的影響2/14/202582計算機控制技術5-4-3數字PID控制的參數整定微分時間對控制系統過渡過程的影響KP=2.4Ti=1Td=0.25KP=2.4

Ti=1Td=0.42/14/202583計算機控制技術純比例控制參數整定KP=1KP=2KP=2.4

5-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202584計算機控制技術比例積分控制參數整定KP=2.4KP=2.2Ti=2KP=2.2

Ti=15-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202585計算機控制技術PID控制參數整定1KP=2.2Ti=1KP=2.6Ti=0.8Td=0.2KP=2.6

Ti=0.75Td=0.25-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202586計算機控制技術KP=2.6Ti=0.75Td=0.2KP=2.6Ti=0.75Td=0.25KP=2.4

Ti=0.75Td=0.25PID控制參數整定25-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202587計算機控制技術其他先進的自動整定方法基于繼電反饋控制(relayfeedbackcontrol)基于模式識別(patternrecognition)

基于專家系統(expertsystem)原理5-4-3數字PID控制的參數整定2/14/202588計算機控制技術5.5常規控制方案串級控制系統前饋控制系統純滯后補償控制系統RoutineControlScheme2/14/202589計算機控制技術5-5-1串級控制系統

串級控制系統基本概念主調節回路要保證控制精度，主調節器一般采用PID控制器副調節回路克服主要干擾，系統中起“粗調”作用，副調節器一般采用P或PI控制器。2/14/202590計算機控制技術雙回路串級控制系統副變送器主變送器主參數給定值r通用的計算機串級控制系統示意框圖u2主調節器副調節器e1e2u1副對象主對象二次擾動一次擾動副參數主參數y1y2執行機構D/AA/DA/D5-5-1串級控制系統

2/14/202591計算機控制技術串級控制系統在每個采樣周期的計算順序采樣并獲得當前輸出采樣值；計算主回路的偏差e1(k)；計算主回路PID控制器的輸出u1(k)；計算副回路的偏差e2(k)；計算副回路PID控制器的輸出u2(k)；輸出到被控對象。5-5-1串級控制系統

2/14/202592計算機控制技術串級控制系統的控制方式異步采樣控制即主回路的采樣控制周期T1是副回路采樣控制周期T2的整數倍。同步采樣控制即主、副回路的采樣控制周期相同，但因副對象響應速度較快，故應以副回路為準。5-5-1串級控制系統

2/14/202593計算機控制技術串級控制系統的應用目的用于抑制系統的主要干擾用于克服對象的純滯后用于減少對象的非線性影響5-5-1串級控制系統

2/14/202594計算機控制技術5-5-1串級控制系統

例：反應釜的單回路控制、串級控制2/14/202595計算機控制技術5-5-1串級控制系統

例：加熱爐的串級控制2/14/202596計算機控制技術前饋控制系統的基本思想：不變性原理主要特點是一個開環系統應用前提是擾動可測只能針對某一特定的干擾實施控制較少單獨使用，一般結合反饋控制，構成前饋-反饋（Feedforword-Feedback)控制5-5-2前饋控制系統

2/14/202597計算機控制技術典型的前饋-反饋控制系統Gf(s)Gd(s)D/AG

(s)PIDA/Dreucy擾動dufub5-5-2前饋控制系統2/14/202598計算機控制技術前饋-反饋控制算法的流程計算反饋控制的偏差e(k)；計算反饋控制器(PID)的輸出ub(k)；計算前饋控制器Gf(s)的輸出uf(k)；計算前饋－反饋調節器的輸出uc(k)。前饋：快速、對具體干擾；反饋：慢速、準確、對整個系統。前饋-反饋控制系統往往可以取得較好的控制效果。實際中也常采用前饋-串級控制。5-5-2前饋控制系統

2/14/202599計算機控制技術5-5-2前饋控制系統

凝液蒸汽QC例：換熱器前饋控制系統2/14/2025100計算機控制技術5-5-2前饋控制系統

例：精餾塔前饋-反饋控制系統2/14/2025101計算機控制技術5-5-3純滯后補償控制系統在工業過程控制中，由于物料或能量的傳輸延遲，許多被控對象具有純滯后。由于純滯后的存在，被控量不能及時反映系統變化，即使測量信號已到達調節器，執行機構迅速動作，也需要純滯后時候后才能影響到被控量。具有純滯后的對象被公認為過程控制的難點之一。2/14/2025102計算機控制技術5-5-3純滯后補償控制系統史密斯(Smith)純滯后補償器基本思想建立過程的動態特性的模型；將模型加入到反饋控制系統中，有延遲的一部分用于抵消被延遲了τ的被控量；無延遲部分反映到調節器，讓調節器提前動作，從而可明顯地減少超調量和加快調節過程。預估是純滯后控制中的基本方法2/14/2025103計算機控制技術史密斯(Smith)純滯后補償器Gc(s)

Gp(s)Gp(s)rduyy'Gs(s)史密斯預估控制系統示意框圖mqe5-5-3純滯后補償控制系統2/14/2025104計算機控制技術史密斯(Smith)純滯后補償器圖中虛框即為史密斯預估器，其等效傳遞函數Gs(s)為Gs(s)=Gp(s)(1－)閉環傳遞函數為5-5-3純滯后補償控制系統2/14/2025105計算機控制技術史密斯(Smith)純滯后補償控制系統實施純滯后的表示設采樣周期為T，則由于純滯后τ的存在，信號要延遲N個周期內存中設N個單元存放信號m(k)的歷史數據第N號單元里的內容即為m(k)滯后N個采樣周期后的信號q(q=m(k-N))。5-5-3純滯后補償控制系統2/14/2025106計算機控制技術史密斯(Smith)純滯后補償控制系統實施史密斯預估控制系統的計算順序計算反饋回路的偏差e(k)：控制器的輸出u(k)：史密斯預估器的輸出：5-5-3純滯后補償控制系統2/14/2025107計算機控制技術史密斯(Smith)純滯后補償控制系統實施前面式中的m(k)根據被控對象的數學模型Gp(s)的差分形式和控制器的輸出u(k)計算得到。教材中給出了對象為一階加純滯后的史密斯(Smith)預估器控制算式。5-5-3純滯后補償控制系統2/14/2025108計算機控制技術5-5-3純滯后補償控制系統Smith預估控制器仿真例2/14/2025109計算機控制技術史密斯(Smith)預估器的不足對系統受到的負荷干擾無補償作用；控制效果嚴重依賴于對象的動態模型精度，特別是純滯后時間。改進算法加入自適應功能等多回路控制也可與PID改進算法結合應用