数字控制系统 与数字PID控制器 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所

放热反应器采用串级控制，通过调节冷却水流量Fw来控制反应器温度T。出于安全的原因，冷却水调节阀采用气关阀。 画出控制系统方块图，注明每个方块的输入输出信号； 判断每个控制器的正反作用； 指出TC21的广义对象的输入和输出，计算广义对象模型的动态参数 K、T、τ; 如果采用PID控制器，采用离线整定法确定控制器TC21的参数。

FC31 和 TC21 均为正作用控制器 广义被控对象的输入是 Fsp，输出是Tm

内 容 串级控制系统的抗积分饱和 数字控制系统的概念 数字滤波器的选择 数字PID控制算法及其改进型 集散控制系统（DCS）简述 小结

积分饱和问题的由来 若工艺介质温度过低，或工艺介质流量过大，或蒸汽量供应不足，导致控制阀即使全开，也难以保证换热温度达到其设定值。此时，分析PID控制器输出信号的变化情况。

PID控制器的积分饱和问题 积分饱和的实质 当调节能力不足时，控制器内部状态超出正常工作范围。而当主要干扰消除后，控制器内部状态首先需要返回至正常工作范围，然后控制器才真正开始起调节作用。

单回路PID控制器的 积分饱和现象 讨论以下现象： （1）控制器的积分饱和现象 （2）控制阀全开或全关

原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。 单回路控制的抗积分饱和原理 原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。

抗积分饱和仿真举例

单回路系统的防积分饱和 可以吗？

工业单回路PID控制器 PID1 PID2

问题：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，在限位参数不一致的情形下，同样存在发生“积分饱和”的可能性。 串级PID系统的积分饱和问题 问题：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，在限位参数不一致的情形下，同样存在发生“积分饱和”的可能性。 Why? How?

加热炉出口温度串级控制方案

炉出口温度串级控制系统

为揭示串级控制的积分饱和现象，待加热的工艺介质进料温度发生了较大的变化 炉出口温度 串级控制系统仿真模型 为揭示串级控制的积分饱和现象，待加热的工艺介质进料温度发生了较大的变化

仅采用单回路抗积分饱和措施 的仿真结果

串级控制系统的防积分饱和 说明正常运行的情况以及发生积分饱和的情况

炉出口温度 串级控制系统仿真模型3

采用串级控制的抗积分饱和措施 的仿真结果

数字PID控制 如何实现数字PID控制？

数字PID的主要组成 下面来看看各个组成部分

信号采集 —— 采样速率 发生了什么？ 快速采样 连续信号 采样速度应多快？ 慢速采样

信号采集 —— 采样速率 失真：当采样速率与信号的 变化相比太慢会造成失真。 Shannon定理：采样频率必须 大于等于信号最高频率的两倍。 连续信号 发生了什么？失真 慢速采样

信号采集 —— 信号保持 在执行控制期间信号保持为上次采样的值 零阶保持后的信号 保持会改变动态吗？ 连续信号

信号采集 —— 信号保持 与原始信号有约半个采样周期的纯滞后 保持后的近似连续信号 连续信号

A/D转换 硬件实现 0～2N－1 测量值 软件实现

数字控制系统 与模拟控制系统的组成 模拟控制系统 数字控制系统

数字控制器内部结构举例

数据处理 数据有效性检查 信号补偿 线性化处理 归一化处理 测量变送器失灵或故障会产生无效数据 有些信号需要进行补偿，如热电偶需要进行冷端温度补偿 线性化处理 有些信号与真实的物理量不是成线性关系，如差压变送器输出信号与真实的流量信号是开方关系，热电偶的热电势与所测温度之间也是非线性关系 归一化处理

滤波 信号？ 噪声？ 噪声：测量中不可再现的部分称为噪声。 很难得到如此明确地区分！

滤波 如何实现？ 程序判断滤波 中值滤波 递推平均滤波 加权递推平均滤波 一阶滞后滤波 模拟滤波电路(RC)

数字滤波 程序判断滤波 中值滤波 递推平均滤波 连续三次采样的中间值作为有效信号 加权递推平均滤波 一阶滞后滤波 1、不同场合使用不同的滤波方法 2、几种滤波方法可以同时使用

数字PID 取： 比例作用 积分作用 微分作用

数字PID，位置式计算到终端执行器的输出 将三种作用汇集起来

数字PID —— 增量式 增量式计算到达终端执行器的变化量 有什么好处？

位置式和增量式的比较 位置式需由外部引入初始阀位值，增量式不需要 位置式需防积分饱和，增量式不会产生积分饱和 只有存在偏差时，增量式才会有输出 增量式容易实现从手动到自动的切换

PID改进方法 微分先行 微分先行：改变设定值跳变引起的微分作用 积分分离 不灵敏区

抗积分饱和的数字PID增量式 常规的数字PID增量式： 抗积分饱和的PID增量式：

数字P I D的实现

数字控制的效果 改变控制周期会如何？ 连续控制时 控制参数为： Kc=30 Ti=11 min Td=0.80 min

数字控制的效果

为何采用数字控制 可实现高级控制算法 可对过程进行监视 可实现过程优化 可实现诊断

工业数字PID控制器完整结构

数字控制模块 — PID

手操与选择模块 手操器 高选器 低选器

常见数字运算模块（1） 加减器 开方器 比值器

常见数字运算模块（2） 乘法器 除法器

集散控制系统结构 (DCS，Distributed Control Systems) 分散控制意义分析 ? 为什么DCS广受欢迎?

PID控制小结 过程动态特性的描述与获取 气开/气关控制阀与PID控制器正反作用的选择 PID控制器类型的选择 流量控制回路的特殊性与控制参数整定 液位均匀控制回路的控制目标与参数整定 单回路控制中的积分饱和现象及其防止 串级控制系统的设计及抗积分饱和 数字PID控制算法