控制仪表课件-第02章调节器(3月19日更新)

—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录1第二章调节器主要内容数字式PID算式数字调节器—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录2第一节数字式PID算式•调节器的调节规律•模拟式PID算式•基本型数字式PID算式•改进型数字式PID算式—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录3一、何为调节器的调节规律△x=Xm-Xs单回路调节系统方框图△x——偏差Xs——给定值Xm——测量值调节器的调节规律就是调节器的输出信号随输入信号(偏差)变化的规律。这个规律常常称为调节器的特性。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录4一、何为调节器的调节规律调节器特性：1、输入是被控变量与给定值之差即偏差△x，输出是输出信号的变化量△y。2、△x＞0称正偏差(XmXs)△x＜0称负偏差(XmXs)3、△x＞0相应的△y＞0,称为正作用调节器△x＞0相应的△y＜0,称为反作用调节器—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录5一、何为调节器的调节规律正作用调节器：△x＞0(XmXs)△y＞0TC正作用TC反作用反作用调节器：△x＞0(XmXs)△y＜0—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录6二、模拟调节器的PID算式理想的PID微分方程为传递函数为dtdXTXdtTXKYDIP1STSTKSGDIP11)(—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录7二、模拟调节器的PID算式偏差型PID运算式微分先行PID运算式PID调节器偏差构成的二种形式—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录8二、模拟调节器的PID算式偏差型PID运算式测量值Xm与给定值Xs相减后，得到偏差△x，然后对偏差△x进行比例、积分和微分的运算。缺点：对给定值的变化也进行PID运算SKTSKTSTSTKSXSYSGDDIIDIP11)11()()()(模拟电路构成的偏差型PID调节器可实现的调节规律：—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录9二、模拟调节器的PID算式微分先行PID运算式先对测量值Xm进行微分运算，再与给定值Xs相减，然后再进行比例积分运算。)()1111()(1111)(SXSTKSTKSXSKTSTKSTSTKSYSIIIPmDDIIDIP优点：只对给定值的变化进行PI运算，避免了给定值变化产生的大幅度变化。模拟电路构成的微分先行PID调节器可实现的调节规律：—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录10三、基本型数字式PID算式离散化处理对于积分项用右式近似对于微分项用右式近似结果：niiniixTstxdtx00Tsxxtxxdtdxnnnn11ninnDiInPnxxTsTxTTsxKy01)(dtdXTXdtTXKYDIP1—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录11三、基本型数字式PID算式•位置型算式输出与实际调节阀的阀位相对应便于计算机运算的实现，但计算繁琐、占用的计算机内存很大,计算错误或输出错误时，会造成调节阀开度错误，致使控制出错。ninnDiInPnxxTsTxTTsxKy01)(—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录12三、基本型数字式PID算式•增量型算式输出为两个采样周期PID输出值之差计算机运算所需的内存较小、计算也相对简单，出现故障不会造成大的影响，易于系统手动和自动间的无扰动切换。102111)(ninnDiISnPnxxTsTxTTxKy)2()(2111nnnDnInnPnnnxxxTsTxTTsxxKyyy—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录13三、基本型数字式PID算式•速度型算式输出是增量型算式的输出值与采样间隔时间T之比本质上与增量型算式是相同的。)2()(211nnnDnInnPnnxxxTsTxTTsxxTsKTsy—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录14三、基本型数字式PID算式•偏差系数型算式是将增量型算式展开后合并同类项而得到的设则有21)21()1(nDnDnDIPnxTsTxTsTxTsTTTsKyTsTKCTsTKBTsTTTsKADPDPDIP),21(),1(21nnnnCxBxAxy—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录15四、改进型数字式PID算式•不完全微分算式微分作用采用实际微分作用SKTSTSTKSXSYSGDDDIP1)11()()()(SKTSTSTKDDDIP11)11(STSTSTKFDIP11)11(DDFKTT设该式为一理想PID与一个一阶惯性环节的乘积。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录16四、改进型数字式PID算式•不完全微分算式ninnDiInPnxxTsTxTTsxKy01)('nnnyyy'1(1位置型理想PID算式:一阶惯性环节的离散化后的形式:—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录17四、改进型数字式PID算式•微分先行PID算式微分运算环节：微分先行PID运算结构图dtdxTxdtdyKTymdmdddd)1()()()1()(nxTTKKTnxTTKKTTnyTTKTnymdSdddmdSddSdddSddd)]1()([)()]1()([)(nxnxTTnxnynyTKTnymmSdmddSddd—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录18四、改进型数字式PID算式•微分先行PID算式偏差计算：)()()(nynxnedS)1(edtTeKyIP])()([)(0niISpieTTneKny)1()()()1()()(nxTTKKTnxTTKKTTnyTTKTnxnemdSdddmdSddSdddSddS比例积分运算环节：—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录19四、改进型数字式PID算式•带不灵敏区的PID算式—在一定偏差范围内输出为0BnxBnxnyny)(0)()()(当当BnxBnxnyny)(0)()()(当当或(B称为不灵敏区宽度)—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录20四、改进型数字式PID算式•积分分离PID算式—在一定偏差范围内切除积分作用AnxAnxN)(1)(0例:方法：PID控制算式的积分项前面乘上一个变量NkiSDISPnxnxTTixTTNnxKny0)1()()()()(—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录21第二节数字式调节器•数字式调节器构成原理•SLPC可编程调节器—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录22数字式调节器类型常用数字式调节器的类型有：定程序调节器：调节规律固定不变；调节参数（P,Ti,Td）可变。可编程调节器：调节规律可变（通过编程组态）；调节参数（P,Ti,Td）可变。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录23一、数字式调节器构成原理数字式调节器由二大部分组成：1.以微处理器(CPU)为核心构成的硬件电路部分；2.系统程序和用户程序构成的软件部分。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录24数字式调节器的硬件电路数字式调节器的硬件电路构成框图—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录25主机电路完成数据传递、算术逻辑运算、转移控制等功能。ROM存放系统程序。EPROM存放用户程序。RAM存放输入数据、显示数据、运算的中间值和结果值。CTC的定时功能用来确定调节器的采样周期，并产生串行通信接口所需的时钟脉冲。计数功能主要用来对外部事件进行计数。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录26I/O接口I/O接口是CPU同过程输入、输出通道等进行数据交换的器件，它有并行接口和串行接口两种。并行接口具有数据输入、输出双向传送和位传送的功能，用来连接过程输入、输出通道，或直接输入、输出开关量信号。串行接口具有异步或同步传送串行数据的功能，用来连接可接收或发送串行数据的外部设备。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录27过程输入通道模拟量输入通道将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样/保持器。采样/保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用。A/D转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。利用D/A转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模/数转换的。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录28过程输入通道开关量输入通道开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开头量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为“1”与“0”这类两种状态的信号。开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录29过程输出通道模拟量输出通道依次将多个运算处理后的数字信号进行数/模转换。D/A转换器起数/模转换作用。V/I转换器将1~5V的模拟电压信号转换成4~20mA的电流信号。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录30过程输出通道开关量输出通道开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录31人／机联系部件正面板有：测量值、给定值和输出电流显示器；状态显示灯；运行状态(自动/串级/手动)切换按钮；给定值增/减按钮；手动操作按钮等。侧面板有：设置和指示各种参数的键盘；显示器等。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录32通信接口电路通信接口将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数据。通信接口有串行和并行两种：并行传送是以位并行、字节串行形式；串行传送为串行形式，即一次传送一位，连续传送。—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录33数字式调节器的软件数字式调节器的软件分为两大部分：系统程序和用户程序（对于可编程调节器）。系统程序:系统程序是调节器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成。用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来。称为：组态。用户程序:—控制仪表和计算机控制装置—太原理工大学信息学院自动化系上页下页目录34系统程序监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。其主要完成的任务有：·系统初始化·中断管理·自诊断处理·键处理·定