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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 2016/04/07
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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。
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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
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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
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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?
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加热炉出口温度串级控制方案
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炉出口温度串级控制系统
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炉出口温度 串级控制系统仿真模型1
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炉出口温度串级与单回路控制 仿真结果比较
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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2 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
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仅采用单回路抗积分饱和措施 的仿真结果
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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
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炉出口温度 串级控制系统仿真模型3
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采用串级控制的抗积分饱和措施 的仿真结果
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数字PID控制 如何实现数字PID控制?
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数字PID的主要组成 下面来看看各个组成部分
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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
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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
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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
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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
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A/D转换 硬件实现 0~2N-1 测量值 软件实现
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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
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数字控制器内部结构举例
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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
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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!
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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)
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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
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数字PID 取: 比例作用 积分作用 微分作用
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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
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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?
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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
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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
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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:
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数字P I D的实现
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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
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数字控制的效果
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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
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工业数字PID控制器完整结构
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数字控制模块 — PID
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手操与选择模块 手操器 高选器 低选器
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常见数字运算模块(1) 加减器 开方器 比值器
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常见数字运算模块(2) 乘法器 除法器
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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?
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单回路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 数字PID控制算法
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下一讲 面向工艺需求的控制方案 比值控制 选择控制(超驰控制) 分程与阀位控制
比值控制的概念,几种常用的比值控制方案,比值控制系统中比值系数的确定,难点:锅炉空燃比双交叉比值控制的应用背景与工作原理 选择控制(超驰控制) 选择控制的概念,选择控制方案的设计原理与抗积分饱和,难点:选择控制如何自动实现平稳切换? 分程与阀位控制 分程控制与阀位控制的概念,分程控制方案的设计原理,分程点如何选择,应用场合
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