第 1 章 计算机常规控制技术 1.4 数字 PID 控制系统的设计 控制系统分析 简单控制系统单回路控制 复杂控制系统 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制

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1 DDC 第 1 章计算机常规控制技术 1.1 数字 PID 控制算法 1.2 数字 PID 控制算法的改进 1.3 数字 PID 控制器的工程实现 1.4 数字 PID 控制系统的设计 1.5 数字 PID 控制参数的整定

2 第 1 章 计算机常规控制技术 1.4 数字 PID 控制系统的设计 控制系统分析 简单控制系统单回路控制 复杂控制系统 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统

3 第 1 章 计算机常规控制技术 1.4 数字 PID 控制系统的设计 核心 : PID 控制块 目的 : 以 PID 控制块为核心构成各类常规控制系统, 例如, 单回路控制系统串级控制系统, 前馈控制系统, 比值控制系统, 选择性控制系统, 分程控制系统, 纯迟延补偿控制系统, 解耦控制系统,

4 第 1 章 计算机常规控制技术 1.4 数字 PID 控制系统的设计 方法 : 了解被控对象 明确控制要求 选择功能模块 组成控制回路 内容 : 1. 简单控制系统 2. 复杂控制系统 3. 数字 PID 控制参数的整定

5 第 1 章 计算机常规控制技术 1.4 数字 PID 控制系统的设计 控制系统分析 简单控制系统 复杂控制系统

6 1.4 数字 PID 控制系统的设计 控制系统分析 1. 被控对象分析 2. 控制指标分析

7 1.4 数字 PID 控制系统的设计 控制系统分析 1. 被控对象分析 2. 控制指标分析

8 1.4.0 控制系统分析 1. 被控对象分析 ⑴ 一阶对象 y K1 x ( s) 1 1T s 1 x 1 其中,K 1 为增益, T 1 为时间常数, s 为拉普拉斯算子 x 为输入, y 为输出 其阶跃输入输出特性如图所示 y O t 1 t 2 一阶惯性阶跃响应 t

9 1.4.0 控制系统分析 1. 被控对象分析 ⑵ 纯迟延一阶对象 y s K e 1 x ( s) 1 1T s 其中,K 1 为增益, T 1 为时间常数, τ 为纯迟延时间, s 为拉普拉斯算子 x 为输入, y 为输出 其阶跃输入输出特性如图所示 1 x 1 y O t 1 τ 纯迟延一阶惯性阶跃响应 t 2 τ t

10 1.4.0 控制系统分析 1. 被控对象分析 ⑶ 纯迟延二阶对象 y y (1 T K 1 1 e s s)(1 T 其中,K 1 为增益, T 1 T 2 T 为时间常数, τ 为纯迟延时间, s 为拉普拉斯算子 x 为输入, y 为输出 其阶跃输入输出特性如图所示 T 2 s 2 K 1 e s 2Ts 2 s) 1 h(t) h(t p ) h( ) 0.9h( ) 0.5h( ) 0.1h( ) 0 x x 1 1 t d ( s) ( s) 二阶非振荡对象 阶跃响应曲线 0 1 有自平衡二阶非振荡对象 稳态误差 t t

11 1. 被控对象分析 ⑷ 无自平衡非振荡对象 控制系统分析 y Ke Ts s x ( s) 1 x 1 y y Ke s s(1 Ts) x ( ) 1 s 阶跃响应曲线 t

12 1.4 数字 PID 控制系统的设计 控制系统分析 1. 被控对象分析 2. 控制指标分析

13 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑴ 时域性能指标 ⑵ 频域性能指标

14 2. 控制指标分析 控制系统分析 ⑴ 时域性能指标 ⑵ 频域性能指标

15 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑴ 时域性能指标 线性系统稳定的充分必要条件 : 闭环系统特征方程的所有根均具有负实部, 或者说, 闭环传递函数的极点均位于 s 左半平面 劳思稳定判据 动态性能指标

16 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 控制系统的稳定性条件 闭环二阶系统传递函数 s R(s) 2 Y n ( s) 2 2 R( s) s 2 s 闭环二阶系统的特征方程 s 2 2 n s 2 n 0 n - n E (s) Y(s) 2 n s(s 2 ) 标准的闭环二阶系统 n 自然频率 ω n 阻尼比 ζ 闭环二阶系统的特征根 ( 极点 ) s 2 1,2 n n 1 或 s 1,2 j d

17 控制系统的稳定性条件 闭环二阶系统的极点分布 n 1 n 1 a j 共轭复数极点 j s 1 不稳定 s 2 2. 控制指标分析 b j 不稳定 s 2 s 1 不等实数极点 j 取 s 1 稳定 阻尼比 ζ s 共轭复数极点 衰减振荡 c j ~ 0.8 n 1 n 1 欠阻尼 j 临界稳定 s 1 一对纯虚极点 s 2 等幅振荡无阻尼 稳定 s2 s 1 = 2 个重实数极点 稳定 s 1 s 2 不等实数极点 单调上升临界阻尼单调上升过阻尼 d e f

18 2. 控制指标分析 控制系统的稳定性条件 阻尼比 ζ 闭环二阶系统的单位阶跃响应 ζ<0 0 0<ζ<1 1 ζ>1 无阻尼 欠阻尼 临界阻尼 过阻尼 ζ 一对纯虚根 共轭复数根 2 个重实根 2 个实根 等幅振荡 衰减振荡 单调上升 单调上升 不稳定 S 右半平面 稳定 S 左半平面

19 2. 控制指标分析 控制系统的稳定性条件 线性系统稳定的充分必要条件 : 闭环系统特征方程的所有根均具有负实部, 或者说, 闭环传递函数的极点均位于 s 左半平面 劳思 (Routh) 稳定判据 赫尔维茨稳定判据 j

20 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑴ 时域性能指标 动态性能指标 h(t) h(t p ) 单位阶跃响应曲线 : h( ) 0.9h( ) 0.5h( ) t d 单位阶跃响应曲线 稳态误差 t G(s) h(t) 0.1h( ) 0 t r t p t t s

21 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑴ 时域性能指标 h(t) h(t p ) h( ) 0.9h( ) 动态性能指标 0.5h( ) 0.1h( ) 0 t d 单位阶跃响应曲线 稳态误差 t t t r 峰值时间 t p 指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间 调节时间 t s 指响应到达并保持在终值 ±5% 或 ±2% 内所需的时间 上升时间 t r 指响应从终值 10% 上升到 90% 所需的时间 延迟时间 t d 指响应第一次到达其终值 50% 所需的时间 超调量 σ% 指响应的最大峰值 h(tp) 与终值 h( ) 的差与终值 h( ) 比的百分数, 稳态误差 e ss h( t p ) h( ) % 100% h( ) 用上升时间 t r 或峰值时间 t p 评价系统的响应速度, 用超调量 σ% 评价系统的阻尼程度, 用调节时间 t s 同时反映系统的响应速度和阻尼程度 t p t s

22 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑴ 时域性能指标 动态性能指标 稳态误差 e ss 表征系统的控制精度和抗扰动能力 稳态误差 e ss 表示系统在输入量 r(t) 的作用下, 当时间趋于无穷时, 系统的输出量 y(t) 与输入量 r(t) 之间的差值 e ss sr( s) se( S) lim 0 s 1 G( s) H ( s) lim s 0 R(s) - E (s) Y (s) G(s)H(s)

23 2. 控制指标分析 ⑴ 时域性能指标 动态性能指标 控制系统分析 R(s) 常用的输入量 r(t) 有 : 阶跃函数 R 1(t), R/s 斜坡函数 R t, R/s 2 加速度函数 R t 2 /2,R/s 3 G(s)H(s) 设系统开环传递函数为 G(s)H(s), 稳态误差 e ss 与系统型别及典型输入信号的关系 e ss - E (s) Y (s) sr( s) se( S) lim 0 s 1 G( s) H ( s) lim s 0

24 ⑴ 时域性能指标 2. 控制指标分析 误差系数 K P,K V,K a 典型输入信号下的稳态误差 e ss

25 ⑴ 时域性能指标 2. 控制指标分析 误差系数 K P,K V,K a 典型输入信号下的稳态误差 e ss 开环传递函数为 G(s)H(s)

26 2. 控制指标分析 ⑴ 时域性能指标 动态性能指标 控制系统分析 减小或消除稳态误差 e ss 的措施 : 1 增大系统开环增益 K 2 增大比例控制器增益 K P 3 增加积分控制器 4 采用串级控制抑制内回路扰动

27 2. 控制指标分析 开环传递函数 : λ=0, 称为 0 型系统 ; λ=1, 称为 Ⅰ 型系统 ; λ=2, 称为 Ⅱ 型系统 ; λ=3, 称为 Ⅲ 型系统 ; 控制系统分析 λ 为开环系统在 S 平面坐标原点上的极点的重数 K G( s) H ( s) Ts 1 K G( s) H ( s) s ( Ts 1) G( s) H ( s) 2 s K ( Ts 1) G( s) H ( s) 积分环节 0 型系统 Ⅰ 型系统 Ⅱ 型系统 i1 n 1 s K s m j1 ( s j i ( T s i 1) 1)

28 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑴ 时域性能指标 ⑵ 频域性能指标

29 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑵ 频域性能指标 开环幅相频率特性 ( 极坐标图 ) 奈奎斯特 (Nyquist) 稳定性判据 开环对数频率特性 ( 伯德图 (Bode 图 )) 相角稳定裕量, 幅值稳定裕量, 截止频率, 二阶系统的主要频域性能指标

30 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑵ 频域性能指标 R(s) - E (s) Y(s) 2 n s(s 2 ) n 典型的闭环二阶系统 频域性能指标 : 谐振峰值 谐振频率 带宽频率 截止频率 相角裕量 幅值裕量 等 典型二阶系统为例, 开环传递函数为 G( s) s Y E( s) s(s 2 n 2 ) n 闭环传递函数为 s 2 Y n ( s) 2 2 R( s) s 2 s n n

31 2. 控制指标分析 ⑵ 频域性能指标 控制系统分析 二阶系统的主要频域性能指标 : 1 ⑴ 谐振峰值 M r R(s), - E (s) Y(s) n s(s 2 ) 典型的闭环二阶系统 n ⑵ 谐振频率 r n 1 2 2, ⑶ 带宽频率 b n (1 2 2 ) 2 1 ⑷ 截止频率 c n ⑸ 阻尼振荡频率 d n 1 2 ⑹ 相角裕量 arctg

32 2. 控制指标分析 ⑵ 频域性能指标 控制系统分析 二阶系统的主要频域性能指标 : ⑺ 超调量 ⑻ 峰值时间 ⑼ 上升时间 ⑽ 延迟时间 % e t t r p d / d 1 n 2 100% 1 2 n t d 或 t n R(s) - 2 E (s) Y(s) d n 2 n s(s 2 ) 典型的闭环二阶系统 n ⑾ 调节时间 t s 3.5 n 或 t c s 7 tg

33 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑵ 频域性能指标 分析 : 1 谐振频率 ω r 和带宽频率 ω b 表示系统的快速性, ω r 和 ω b 越大, 调节时间越短, 系统的过渡过程越快 2 为了使系统能快速准确地跟踪输入信号, 要求系统具有较大的带宽 ; 而从抑制噪声的角度考虑, 又不希望系统的带宽过大 3 为了使系统具有较高的稳定裕量, 希望系统的开环对数幅频特性在截止频率 ω c 处的斜率为 -20dB/dec

34 2. 控制指标分析 ⑵ 频域性能指标 分析 : 控制系统分析 4 截止频率 ω c 介于 ω r 和带宽频率 ω b 和之间, 所以也可以用 ω c 衡量系统的快速性 5 为了使系统具有较好的运行效果, 希望系统的相角裕量为 45 左右 若过高, 则稳定程度过好, 并造成系统动态过程缓慢 ; 若过低, 则稳定程度降低, 对参数变化的适应能力较弱

35 1.4.0 控制系统分析 2. 控制指标分析 ⑵ 频域性能指标 分析 : 6 若要实现 45 左右的相角裕量, 那么开环对数幅频特性在中频区的斜率为 -20dB/dec, 并要求中频区占据一定的频率范围, 以保证系统参数变化时, 相角裕量变化不大 过此中频区后, 要求系统幅频特性迅速衰减, 以削弱噪声对系统的影响

36 第 1 章 计算机常规控制技术 1.4 数字 PID 控制系统的设计 控制系统分析 简单控制系统 复杂控制系统

37 1.4.1 简单控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 系统组成 : 1 个被控量 1 个 PID 控制器 1 个执行机构 1 个被控对象 SV PV E MV 控制器执行器 被控对象 PV 传感器 SV PV PID 控制器 MV 传感器 执行器

38 1.4.1 简单控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 回路组成 : 1 个模拟量输入块 (AI 块 ) 1 个 PID 控制块 (PID 块 ) 1 个模拟量输出块 (AO 块 ) 组成单回路 模拟量输入块 PT1234 AI APV PID 控制块 PC1234 PID PV COV SV BOV BIV 模拟量输出块 PV1234 AO AOI AOV BOV

39 1.4.1 简单控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 只有 1 个闭环控制回路 ; 单输入单输出的单回路控制系统 SV PV E MV 控制器执行器 被控对象 PV 传感器 模拟量输入块 PT1234 AI APV PID 控制块 PC1234 PID PV COV SV BOV BIV 模拟量输出块 PV1234 AO AOI AOV BOV

40 1.4 数字 PID 控制系统的设计 简单控制系统 图 1.22 (a) 控制原理图 SV E PV PID U 执行机构测量仪表 被控对象 P 压力 (a) 控制原理图 (b) 计算机控制原理图 SV E PV PID U D/A A/D 执行机构 压力测量 被控对象 P 压力 (b) 计算机控制原理图 (c) 功能块组态图 PT1238 AI PC1238 PID PV1238 AO APV PV COV AOI AOV SV BOV BOV 模拟量输入块 BIV PID 控制块 模拟量输出块 (c) 功能块组态图 图 1.22 单回路 PID 控制系统

41 第 1 章 计算机常规控制技术 1.4 数字 PID 控制系统的设计 控制系统分析 简单控制系统 复杂控制系统

42 1.4.2 复杂控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统.

43 1.4.2 复杂控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统.

44 1.4 数字 PID 控制系统的设计 复杂控制系统 1. 串级控制系统 系统组成 : 主被控量 主 PID 控制器 主被控对象 副被控量 副 PID 控制器 副被控对象 主回路 副回路

45 1.4 数字 PID 控制系统的设计 复杂控制系统 1. 串级控制系统 回路组成 : 主回路 副回路 TT1236 AI APV TC1236 PID PV COV SV BIV FC1237 PID SV COV PV BOV BIV 主回路 : AI 块 PID 块 副回路 : AI 块 PID 块 AO 块 FT1237 APV FV1237 AO AOI AOV BOV

46 1.4.2 复杂控制系统 1. 串级控制系统 图 1.23 SV1 E1 U1 E2 U2 F PID1 PID2 D/A 执行器副对象主对象 SV2 PV1 PV2 流量 A/D2 流量测量 T 温度 A/D1 温度测量 (a) 控制原理图 TT1236 AI TC1236 PID FC1237 PID 主回路 : TT1236(AI 块 ) TC1236(PID 块 ) APV 模拟量输入块 PV COV SV BOV BIV PID 控制块 FT1237 AI APV 模拟量输入块 SV PV BIV FV1237 (b) 功能块组态图 COV BOV PID 控制块 AO AO I AOV BOV 模拟量输出块 图 1.23 串级 PID 控制系统 副回路 : FT1237 (AI 块 ) FC1237(PID 块 ) FV1237 (AO 块 )

47 1.4.2 复杂控制系统 1. 串级控制系统 给定值选择 : 主 PID 控制块为 LOC( 内给 ) 状态 副 PID 控制块为 CAS( 串级 ) 状态 投运步骤 : 先副回路 ( 内环 ) 后主回路 ( 外环 ) 无平衡无扰动切换 : 参见 节

48 1.4.2 复杂控制系统 1. 串级控制系统 控制方式 : 异步控制方式 :T C1 =NT C2 同步控制方式 :T C1 =T C2 计算顺序 : 先主回路 后副回路 主 PID 块控制周期 T C1 副 PID 块控制周期 T C2 N =1,2,3,

49 1.4.2 复杂控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统.

50 2. 前馈控制系统 复杂控制系统 含义 : 扰动量 D 通过前馈补偿器 G f (s) 作用于被控对象 扰动 D 图 1.24(a) SV E PV U f OCV G f (S) PID U C U D/A A/D G d (S) G p (S) L 液位 (a) 控制原理图 图 1.24 前馈 - 反馈 PID 控制系统 前馈补偿器 G f (s) 的输出 U f 作为 PID 控制器的输出补偿量 OCV

51 1.4.2 复杂控制系统 2. 前馈控制系统 原理 : 图 1.24(a) (1.4.1) (1.4.2) 扰动 D SV E PV U f OCV G f (S) PID U C U D/A A/D G d (S) G p (S) L 液位 (a) 控制原理图 图 1.24 前馈 - 反馈 PID 控制系统

52 1.4.2 复杂控制系统 2. 前馈控制系统 原理 : 图 1.24(a) 根据前馈控制的 不变性 原理 前馈补偿器 动态前馈 : 传递函数式 静态前馈 : 代数式 扰动通道 控制通道 (1.4.2) (1.4.3)

53 1.4.2 复杂控制系统 2. 前馈控制系统 前馈 单回路控制系统 ( 图 1.24 ) LT1231 AI LC1231 PID LV1231 AO 功能块组态图 APV 模拟量输入块 DT1232 AI PV COV SV BOV BIV PID 控制块 OCV FF1232 FFC AOI AOV BOV 模拟量输出块 APV 模拟量输入块 X1 ROV 前馈补偿块 (b) 功能块组态图 图 1.24 前馈 - 反馈 PID 控制系统

54 1.4.2 复杂控制系统 2. 前馈控制系统 前馈 串级控制系统 ( 图 1.25) 原理图 SV1 E 1 PV1 PID1 U 1 E 2 SV2 PV2 ICV U f E 2C PID2 U 2 G f (S) D/A A/D2 扰动 D 蒸汽量 G d (S) F G p2 (S) G p1 (S) 给水量 L 水位 A/D1 (a) 控制原理图 LT1236 AI LC1236 PID FC1237 PID 组态图 APV 模拟量输入块 PV COV SV BOV BI V PID 控制块 SV COV PV BOV BIV ICV PID 控制块 DT1238 AI FF1238 FFC FT1237 AI FV1237 AO 锅炉汽包水位三冲量 ( 水位 给水量 蒸汽量 ) 控制系统 APV 模拟量输入块 X1 ROV APV AOI AOV 前馈补偿块 模拟量输入块 BOV 模拟量输出块 (b) 功能块组态图 图 1.25 前馈 - 串级 PID 控制系统

55 1.4.2 复杂控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统.

56 3. 比值控制系统 复杂控制系统 组成 : 主物料流量,F a 从物料流量,F b 比值运算器,K 类型 : 单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统 变比值控制系统 等等

57 3. 比值控制系统 单闭环比值控制系统 ( 图 1.26) 原理图 F a FT1342 F a T F b 复杂控制系统 AI K SV b F b C F b T (a) 控制原理图 FC1342 PID F a T: 主流量变送器 K: 比值器 ( 乘法器 ) F b T: 从流量变送器 F b C: 从流量控制器 FV1342 AO 主 从物料流量之一构成闭环控制回路 组态图 APV 模拟量输入块 PV COV SV BOV BIV PID 控制块 AOI AOV BOV 模拟量输出块 FT1341 AI RA1341 MUL APV X1 ROV 模拟量输入块乘法块 (b) 功能块组态图 图 1.26 单闭环比值控制系统 比值系数 K 固定

58 3. 比值控制系统 复杂控制系统 双闭环比值控制系统 ( 图 1.27) 主 从物料流量分别构成闭环控制回路 F a FaT F b F b T K FaC F b C F a T: 主流量变送器 F a C: 主流量控制器 F b T: 从流量变送器 F b C: 从流量控制器 K: 比值器 ( 乘法器 ) 图 1.27 双闭环比值控制系统 比值系数 K 固定

59 1.4.2 复杂控制系统 3. 比值控制系统 变比值控制系统 ( 图 1.28) 比值系数 K 不固定 F a F a T 比值器 R AC AT 比值系数 K 随某个参数的变化而改变 F b T F b F b C F a T: 主流量变送器 AT : 成份变送器 AC : 成份控制器 F b T: 从流量变送器 F b C: 从流量控制器 R : 比值器 ( 乘法器 ) 图 1.28 变比值控制系统 A

60 1.4.2 复杂控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统.

61 4. 选择性控制系统 复杂控制系统 组成 : 正常工作回路 非正常或事故工作回路 选择器 低选器 U = min(u 1,U 2,...,U n ) 高选器 U = max(u 1,U 2,...,U n ) 选择控制量 U i 选择被制量 Y i

62 1.4.2 复杂控制系统 4. 选择性控制系统 图 1.29(a) 原理 : 主控参数 P a ( 蒸汽压力 ), 事故参数 P b ( 燃气压力 ), 正常情况的被控量 P a P b <SP b, 且 U b >U a, 故低选器输出 U=U a, P a C 控制器参与正常调节 ; 事故情况的被控量 P b P b >SP b, 且 U b <U a, 故低选器输出 U=U b, P b C 控制器参与事故调节 ; SP a P a C SP b T 1 T 2 T 3 p a p b 高选器 HS 图 1.29 P b C (a) 选择控制量 U a U b P a T P b T SP t 低选器 LS TC (b) 选择被控量 蒸汽压力 燃气压力 图 1.29 选择性 PID 控制系统 反作用 PID 控制器 正作用调节阀 U U P a 燃气锅炉 P b

63 1.4.2 复杂控制系统 4. 选择性控制系统 图 1.29(a) 原理 : 事故状态为无扰动切换到正常状态作以下准备 : P a C 处于输出跟踪方式, 即 U a 跟踪 U b SP a 跟踪蒸汽压力 P a 历史数据清 0 组态图 : AI 块,PID 块,AO 块, 低选器或高选器, SP a P a C SP b T 1 T 2 T 3 p a p b 高选器 HS 图 1.29 P b C (a) 选择控制量 U a U b P a T P b T SP t 低选器 LS TC (b) 选择被控量 蒸汽压力 燃气压力 图 1.29 选择性 PID 控制系统 U U P a 燃气锅炉 P b

64 1.4.2 复杂控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统.

65 5. 分程控制系统 复杂控制系统 原理 : 一个 PID 控制器的输出同时送往两个或两个以上的调节阀, 而各个调节阀的工作范围不同 图 1.30 SF FC U F % 100 阀位 A % 100 阀位 B 原理图 A B FT (a) 控制原理图 50 A 气开 B B A 气关 B U A U % % (c) 分程特性 图 1.30 分程控制系统

66 5. 分程控制系统 复杂控制系统 功能块组成 : 1 个 AI 块 1 个 PID 块 2 个 AO 块 图 1.30 组态图 FT1234 AI FC1234 PID FV1235 AO APV PV COV AOI AOV 模拟量输入块 SV PID 控制块 模拟量输出块 FV1236 AOI AO AOV (b) 功能块组态图 模拟量输出块 图 1.30 分程控制系统 1 个 PID 块对应 2 个 AO 块

67 1.4.2 复杂控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统.

68 1.4.2 复杂控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 原理 : 采用史密斯补偿器 G s (S) 图 1.31 原理图 R(s) SV Y c (s) E 1 G c (s) G s (s) E 2 U PID G P (s) ICV (1 U(s) e S G P (s) )G P (s) e S Y(s) G c (s) :P I D 控制器 G p (s) e S : 被控对象 G s (s) : 史密斯补偿器 (a) 控制原理图 1 e S T 温度 (b) 控制原理图 2 图 1.31 纯迟延补偿控制系统

69 1.4.2 复杂控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 原理 : 采用史密斯补偿器 G s (S) (1.4.7) (1.4.8) R(s) Y c (s) G c (s) G s (s) U(s) G P (s) e S Y(s) G c (s) :P I D 控制器 G p (s) e S : 被控对象 G s (s) : 史密斯补偿器 (a) 控制原理图 1 图 1.31 纯迟延补偿控制系统

70 1.4.2 复杂控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 原理 : 采用史密斯补偿器 G s (S) (1.4.7) (1.4.8) (1.4.9) (1.4.10)

71 1.4.2 复杂控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 功能块组成 : 1 个 AI 块 1 个 PID 块 1 个 AO 块 1 个史密斯补偿块 TT1334 AI TC1334 PID TV1334 AO 图 1.31 组态图 APV PV COV 模拟量输入块 SV ICVPID 控制块 (c) 功能块组态图 AOI AOV 模拟量输出块 SM1334 SMC X1 ROV 史密斯补偿块 图 1.31 纯迟延补偿控制系统

72 1.4.2 复杂控制系统 1.4 数字 PID 控制系统的设计 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统.

73 7. 解耦控制系统 耦合 : 2 个或 2 个以上控制回路之间互相影响 互相关联 互相耦合, 导致每个被控参数都无法稳定 图 1.32 原理图 PT P 压力 复杂控制系统 PC FC G A B (a) 控制原理图 1 F 流量 FT SP SF 图 1.32 耦合控制系统 PID1 PID2 U 1 U 2 G 11 (s) G 21 (s) G 12 (s) G 22 (s) (b) 控制原理图 2 例如, 图 1.32 中压力 P 和流量 F 互相耦合 原因 : 被控对象除了主控通道 G 11 (s) 和 G 22 (s) 外, 还有耦合通道 G 21 (s) 和 G 12 (s) P 压力 F 流量

74 7. 解耦控制系统 复杂控制系统 解耦 : 在控制器与被控对象之间设置解耦器 F i j (s), 图 1.33(a) 原理图 R 1 U 1 V 1 Y 11 PID1 F 11 (s) G 11(s) R 2 PID2 U 2 F 21 (s) F 12 (s) F 22 (s) V 2 G 21 (s) G 12 (s) G 22 (s) Y 22 Y 1 Y 12 Y 21 Y 2 (a) 控制原理图 图 1.33 对角矩阵解耦控制系统 例如, 双输入双输出解耦控制系统图 1.33(a) 解耦器为 F 11 (s),f 22 (s),f 21 (s),f 12 (s)

75 7. 解耦控制系统 复杂控制系统 解耦方法 : ⑴ 对角矩阵法 ⑵ 单位矩阵法 ⑶ 前馈补偿法

76 7. 解耦控制系统 复杂控制系统 解耦方法 : ⑴ 对角矩阵法 ⑵ 单位矩阵法 ⑶ 前馈补偿法

77 7. 解耦控制系统 ⑴ 对角矩阵法 复杂控制系统 对角矩阵法解耦原理 (1.4.14) 解耦器 (1.4.15)

78 7. 解耦控制系统 ⑴ 对角矩阵法 复杂控制系统 对角矩阵法解耦等效回路 : 两个单回路 被控对象为 G 11 (s),g 22 (s) R 1 U 1 V 1 Y 11 PID1 F 11 (s) G 11(s) R 2 PID2 U 2 F 21 (s) F 12 (s) F 22 (s) (a) 控制原理图 V 2 G 21 (s) G 12 (s) G 22 (s) Y 22 Y 12 Y 21 Y 1 Y 2 图 1.33(b) 原理图 R 1 PID1 R 2 PID2 U 1 U 2 G 11 (s) G 22 (s) (b) 等效原理图 图 1.33 对角矩阵解耦控制系统 Y 1 Y 2

79 7. 解耦控制系统 ⑴ 对角矩阵法 对角矩阵法解耦组态图 : 2 个 AI 块 2 个 PID 块 4 个解耦器块 2 个加法块 2 个 AO 块 复杂控制系统 R 1 U 1 V 1 Y 11 PID1 F 11 (s) G 11(s) R 2 PID2 U 2 F 21 (s) F 12 (s) F 22 (s) (a) 控制原理图 G 21 (s) G 12 (s) G 22 (s) 图 1.33 对角矩阵解耦控制系统 V 2 Y 22 Y 12 Y 21 Y 1 Y 2

80 7. 解耦控制系统 复杂控制系统 解耦方法 : ⑴ 对角矩阵法 ⑵ 单位矩阵法 ⑶ 前馈补偿法

81 7. 解耦控制系统 ⑵ 单位矩阵法解耦 单位矩阵法解耦原理 复杂控制系统 (1.4.18) 解耦器 (1.4.19)

82 7. 解耦控制系统 ⑵ 单位矩阵法解耦 单位矩阵法解耦等效回路 : 复杂控制系统 两个单回路 被控对象为 1,1 R 1 U 1 V 1 Y 11 PID1 F 11 (s) G 11(s) R 2 PID2 U 2 F 21 (s) F 12 (s) F 22 (s) (a) 控制原理图 V 2 G 21 (s) G 12 (s) G 22 (s) Y 22 Y 12 Y 21 Y 1 Y 2 图 1.34 原理图 R 1 PID1 R 2 PID2 U 1 U 2 图 1.34 单位矩阵解耦控制系统等效原理图 1 1 Y 1 Y 2

83 7. 解耦控制系统 ⑵ 单位矩阵法解耦 复杂控制系统 单位矩阵法解耦组态图 : 2 个 AI 块 2 个 PID 块 4 个解耦器块 2 个加法块 2 个 AO 块 R 1 U 1 V 1 Y 11 PID1 F 11 (s) G 11(s) R 2 PID2 U 2 F 21 (s) F 12 (s) F 22 (s) (a) 控制原理图 V 2 G 21 (s) G 12 (s) G 22 (s) Y 22 Y 1 Y 12 Y 21 Y 2

84 7. 解耦控制系统 复杂控制系统 解耦方法 : ⑴ 对角矩阵法 ⑵ 单位矩阵法 ⑶ 前馈补偿法

85 1.4.2 复杂控制系统 7. 解耦控制系统 ⑶ 前馈补偿法 前馈补偿法解耦原理 ( 图 1.35) R 1 PID1 U 1 F 1 F 21 (s) V 1 G 11 (s) G 21 (s) Y 11 Y 12 Y 1 解耦器 R 2 PID2 (1.4.22) (1.4.23) U 2 F 2 F 12 (s) G 12 (s) G 22 (s) V 2 Y 22 Y 2 图 1.35 前馈补偿解耦控制系统 Y 21

86 7. 解耦控制系统 ⑶ 前馈补偿法 前馈补偿法解耦组态图 : 2 个 AI 块 2 个 PID 块 2 个解耦器块 2 个加法块 2 个 AO 块 复杂控制系统 R 1 R 2 PID2 PID1 U 1 U 2 F 1 F 2 F 21 (s) F 12 (s) G 11 (s) G 21 (s) G 12 (s) G 22 (s) 图 1.35 前馈补偿解耦控制系统 V 1 V 2 Y 11 Y 22 Y 12 Y 21 Y 1 Y 2

87 第 1 章计算机常规控制技术 1.4 数字 PID 控制系统的设计 控制系统分析 简单控制系统单回路控制 复杂控制系统 1. 串级控制系统 2. 前馈控制系统 3. 比值控制系统 4. 选择性控制系统 5. 分程控制系统 6. 纯迟延补偿控制系统 7. 解耦控制系统 结束

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