测控系统原理与设计.ppt

当采用周期很小时，可用近似代替，可用近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即 将(6-5)代入(6-4)得到离散PID表达式 或 图6.9 PID程序流程图 当进入PID调节程序时，首先需要根据系统给定值和采样值来计算偏差。为了防止在系统运行初期，由于控制量uk过大使得开关占空比过大，需要对ek做一定的限幅处理。因为瞬间过大的占空比有时候可能会引起过大的电流，从而导致开关管的损坏。另外在系统进入稳态后，偏差很小，如果偏差在一个很小的范围内波动，控制器对这样微小的偏差计算后，将会输出一个微小的控制量，此时输出的控制值在一个很小的范围内，不断改变自己的方向，频繁动作，发生振颤，这样不利于正在充电的蓄电池。因此当控制过程进入这种状态时，就进入系统设定的一个输出允许带e0，即当采集到的偏差的绝对值小于e0时，不改变控制量，使充放电过程能够稳定地进行。 图6.10 消除积分不灵敏区的程序流程 通常，消除积分不灵敏区的措施如下： 1）增加A/D转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度。 2）当积分项小于输出精度ε的情况时，把它们一次次累加起来，即 图6.11 控制算法的输出特性 (a)完全微分 (b)不完全微分 如图6.11所示，在单位阶跃信号作用下，完全微分PID算法与不完全微分PID算法的输出特性相差很大。主要原因在于：完全微分的调节作用，只对阶跃信号的第一个采样周期产生作用，输出很大，并急剧下降至0，不能按照偏差的变化趋势在整个过程起到调节作用，容易发生超调、产生震荡；而不完全微分式，由于存在αuD（k-1）项的微分作用，能在各个采样周期里按照偏差的趋势，均匀地输出，真正起到微分的作用，从而克服了上述缺点，改善了系统性能。 图6.12 从功能和经济选择最佳T 图6.12是从功能和经济角度分析的最佳采样周期。若采样周期靠近Tmax，系统可以稳定工作，但控制质量较差，因为这不满足采样定理，会有部分信息丢失。若采样周期靠近Tmin，则满足采样定理，可得到较好的控制质量。 表6-1 常用被控量经验采样周期 被控物理量 采样周期/s 备注 流量 1~5 优选1~5 压力 3~10 优选6~8 液位 6~8 优选7s 温度 15~20 取纯滞后时间常数 成分 15~20 优选18s 图6.13 被控量在阶跃输入下的变化过程曲线 用扩充响应曲线法整定的步骤如下。 （1）数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。 （2) 用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图6.13所示。 （3) 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间t、被控对象时间常数Tt以及它们的比值Tt/t。 （4) 由求得的t和Tt以及它们的Tt/t，查表6-3，可得数字控制器的T、KP、TI、TD的值。 6.14 数字PID控制器的控制模块 数字控制器的设计本质上是按控制算法编制一段应用程序，由于其具有参数整定方便、结构改变灵活（如效果较佳的优点），而获得广泛的应用。但是，在设计控制程序时，必须考虑各种工程实际情况，并含有一些必要的功能以便用户选择。数字控制器算法的工程实现可分为由给定值处理、被调量处理、偏差处理、运算、控制量处理及自动/手动无扰切换等几模块组成，如图 6.14 所示。 图6.15 给定值处理 给定值处理包括选择给定值SV和给定值变化率限制SR两部分，如图6.15所示。通过选择软开关CL/CR，可以构成内给定状态或外给定状态；通过选择软开关CAS/SCC，可以构成串级控制或SCC控制。 图6.16 被控量处理 为了安全运行，需要对被调量PV进行处理，主要包括被调量上限、下限报警，设置一定的报警死区(HY)等。如图6.16所示。 图6.17 偏差处理 正反作用计算是根据逻辑信号D/R来进行的： 若D/R=0，称为正作用，此时DV=CPV+CSV；或叫增增作用，因为当被控量增加时控制输出将增加； 若D/R=1 ，称为反作用，此时DV=CPV-CSV ，或叫增减作用，因为当被控量增加时控制输出将减少。 非线性补偿环节用来实现非线性PID控制。对于控制精度要求不高的场合，使用带有死区的PID控制器可以避免系统在给定值附近的频繁波动。典型的非线性补偿环节，如图6.18所示。 图中当偏差DV落在区间[-A，A]时，补偿环节的斜率为K，而