楼宇设备控制系统.ppt

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1、2.1空气的物理特性空气的物理特性2.1.1空气的成分和状态参数空气的成分和状态参数w 空空气气的的成成分分：干干空空气气、水水蒸蒸汽汽；灰灰尘尘、微生物、其他气体。微生物、其他气体。w空气的状态参数：压力、温度、湿度空气的状态参数：压力、温度、湿度w空气状态参数相互间的关系空气状态参数相互间的关系 BP70-72BP70-722.1.2空气调节空气调节w温度调节温度调节w湿度调节湿度调节w空调房间的冷、热负荷空调房间的冷、热负荷冷负荷冷负荷 得热得热 房间得湿与湿负荷房间得湿与湿负荷2.2空气系统的基本概念空气系统的基本概念影响室内空气影响室内空气参数变化的原因：参数变化的原因：外部、内部外

2、部、内部按空气处理设备设置：集中式、半集中式、全分散按空气处理设备设置：集中式、半集中式、全分散按负担室内空调负荷所用的介质：按负担室内空调负荷所用的介质：全空气空调系统全空气空调系统 全水空调系统全水空调系统 空气空气水空调系统水空调系统 直接蒸发空调系统直接蒸发空调系统2.2.1空调的风系统空调的风系统 分类：分类：按所处理空气性质：直流式系统（全新风）、循环按所处理空气性质：直流式系统（全新风）、循环式系统、混合式系统式系统、混合式系统按空气流量状态：定风量系统、变风量系统按空气流量状态：定风量系统、变风量系统按风道的风速：低速系统（按风道的风速：低速系统（8-108-10m/sm/s）

3、、）、高速系统高速系统（12-1512-15m/sm/s）组成：组成：进风（新风）部分进风（新风）部分 空气过滤部分空气过滤部分 空气的热湿处理部分空气的热湿处理部分 空气的输送和分配部分空气的输送和分配部分w按水压特性：开式、闭式系统按水压特性：开式、闭式系统w按按冷冷热热水水管管道道的的设设置置：双双、三三、四四管制系统管制系统w按水量特性：定水量、变水量系统按水量特性：定水量、变水量系统w按按水水的的性性质质：冷冷却却水水、冷冷冻冻水水、热热水系统水系统2.2.2空调的水系统空调的水系统2.3冷、热源系统冷、热源系统 包包括括冷冷水水机机组组、冷冷冻冻水水系系统统、冷冷却却水水系统，锅炉

4、机组、热交换器等。系统，锅炉机组、热交换器等。2.3.1冷源装置冷源装置制冷方式：制冷方式：压缩式制冷压缩式制冷吸收式制冷吸收式制冷风冷热泵式风冷热泵式冷水机组的监测与控制冷水机组的监测与控制BP78-812.3.2热源装置热源装置供热方式：供热方式：蒸汽、蒸汽、热水热水热源装置：锅炉、热交换器热源装置：锅炉、热交换器锅炉机组的监测与控制锅炉机组的监测与控制BP82-84热交换器的监测与控制热交换器的监测与控制BP84-872.4空调机组空调机组空调系统的控制包括：空调系统的控制包括：温温度度控控制制、湿湿度度调调节节、气气流流速速度度调调节节、空气质量调节。空气质量调节。(3)(3)人人机机

5、联联系系装装置置：主主要要是是为为了了扩扩大大主主机机的的功功能能而而设设置置的的，它它们们用用来来显显示示、打打印印、存存储储及及传传送送数数据据。常常用用的的输输入入设设备备有有键键盘盘、磁磁带带输输入入机机及及外外存存储储器器；常常用用的的输输出出设设备备有有打打印印机机、记记录录仪仪、显显示示器器（数数码码显显示示器器或或CRTCRT显示器）、外存储器等。显示器）、外存储器等。(4)(4)传传感感器器：在在计计算算机机控控制制系系统统中中，为为了了收收集集和和测测量量各各种种参参数数，广广泛泛采采用用了了各各种种传传感感器器。它它们们的的主主要要功功能能是是把把被被测测参参数数的的非非

6、电电量量转转变变成成电电量量。这这些些信信号号被被转转换换成成统统一一的的标标准准电电平平后后再再送送入入计计算算机机。因因此此传传感感器器精精度度的的高高低直接影响计算机控制系统的精度。低直接影响计算机控制系统的精度。2.1.2计算机控制系统的构成计算机控制系统的构成 (5)(5)操操作作台台：它它是是人人机机对对话话的的界界面面。通通过过操操作作台台,人人们们可可以以向向计计算算机机输输入入程程序序、修修改改内内存存的的数数据据、显显示示被被测测参参数数以以及及发发出出各各种种操操作作命命令令等等。操操作作台台主主要要包包括括以下几个部分：以下几个部分：一一个个显显示示屏屏幕幕或或数数码码

7、显显示示器器，用用以以显显示示操操作作人人员要求显示的内容或报警信号。员要求显示的内容或报警信号。一一组组作作用用开开关关，如如电电源源开开关关、操操作作方方式式选选择择开开关（如自动手动）等。关（如自动手动）等。一一组组功功能能键键及及数数字字键键。功功能能键键是是为为完完成成某某种种功功能能而而设设置置的的，如如启启动动键键、打打印印键键、显显示示键键等等；数数字字键键则用来输入某些数据或修改控制系统的某些参数。则用来输入某些数据或修改控制系统的某些参数。2.1.2计算机控制系统的构成计算机控制系统的构成 软软件件 软软件件指指完完成成各各种种功功能能的的计计算算机机程程序序及及其其文文档

8、档，分分为为系系统统软软件件和和应应用用软软件件两两大大类类。软软件件与与硬硬件件一一样样关关系系到到系系统统的的正正常常运运行行、功功能能的的充充分分发发挥挥和推广应用。和推广应用。2.1.2计算机控制系统的构成计算机控制系统的构成2.1.3计算机控制系统的主要特性计算机控制系统的主要特性 控制灵活控制灵活 计算机控制系统容易实现任意的控制算法。它可以计算机控制系统容易实现任意的控制算法。它可以通过编制程序和人机对话等方式，很方便地改变系统中通过编制程序和人机对话等方式，很方便地改变系统中控制器的算法和计算参数。除了能实现模拟控制系统的控制器的算法和计算参数。除了能实现模拟控制系统的PIDP

9、ID控制之外，它还能很容易引入各种先进的控制规律，控制之外，它还能很容易引入各种先进的控制规律，如非线性控制、前馈控制、最优控制、自适应控制、模如非线性控制、前馈控制、最优控制、自适应控制、模糊控制等。糊控制等。能实现分时控制能实现分时控制 一个模拟控制器只能控制一个被控制量，而采用计一个模拟控制器只能控制一个被控制量，而采用计算机控制时，由于计算机具有分时控制的功能，可以控算机控制时，由于计算机具有分时控制的功能，可以控制几个被控制量，把生产过程的各个控制对象都管理起制几个被控制量，把生产过程的各个控制对象都管理起来，组成一个统一的控制系统。来，组成一个统一的控制系统。速度和精度均较高速度和

10、精度均较高 计计算算机机的的运运算算速速度度很很高高，实实时时性性能能好好，而而且且计计算算机机控控制制属属于于数数字字控控制制，增增加加位位数数便便能能提提高高静静态态精精度度，不不容易受温度和电源电压变化等因素的影响。容易受温度和电源电压变化等因素的影响。能实现最优控制能实现最优控制 计计算算机机的的记记忆忆和和判判断断功功能能使使计计算算机机能能够够综综合合被被控控对对象象各各方方面面的的情情况况，在在环环境境和和参参数数变变化化时时，及及时时作作出出判判断断，选选择择最最合合理理、最最有有利利的的方方案案和和对对策策，这这是是一一般般控控制手段所不能胜任的。制手段所不能胜任的。可提高系

11、统的可靠性可提高系统的可靠性 在在计计算算机机控控制制系系统统中中，可可利利用用程程序序实实现现故故障障的的自自诊诊断断自自修修复复，并并可可利利用用冗冗余余技技术术、容容错错技技术术、软软件件的的可可靠性设计等提高系统的可靠性。靠性设计等提高系统的可靠性。2.1.3计算机控制系统的主要特性计算机控制系统的主要特性 数据采集和处理系统数据采集和处理系统 模模拟拟量量软软件件计计算算机机在在数数据据采采集集和和处处理理时时，主主要要是是对对大大量量的的过过程程参参数数进进行行巡巡回回检检测测、数数据据记记录录、数数据据计计算算、数数据据统统计计和和整整理理、数数据据越越限限报报警警以以及及对对大

12、大量量数数据据进进行行积积累累和和实实时时分分析析。这这种种方方式式，计计算算机机不不直直接接参参与与过程控制，对生产过程不会直接产生影响。过程控制，对生产过程不会直接产生影响。2.1.4计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类软件软件采样采样A/D开关量开关量脉冲量脉冲量计计算算机机被被控控对对象象显示显示报警报警打印打印模拟量模拟量 这这种种方方式式中中，计计算算机机虽虽然然不不直直接接参参与与生生产产过过程程的的控控制制，但但由由于于计计算算机机运运算算速速度度高高，在在过过程程参参数数的的测测量量和和记记录录中中，可可以以代代替替大大量量的的常常规规显显示示和和记记录录，对对整整个个生

13、生产产过过程程进进行行集集中中监监视视。计计算算机机还还可可以以对对大大量量的的输输入入数数据据进进行行必必要要的的集集中中、加加工工和和处处理理，并并且且能能以以有有利利于于指指导导生生产产过过程程控控制制的的方方式式表表示示出出来来，给给操操作作人人员员以以提示。提示。此此外外，这这种种方方式式可可以以得得到到大大量量的的统统计计数数据据，有有利利于于建立生产过程较理想的数学模型。建立生产过程较理想的数学模型。2.1.4计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）在在这这类类系系统统中中，计计算算机机的的运运算算和和判判断断结结果果直直接接输

14、输出出作作用用于于被被控控对对象象，故故称称为为直直接接数数字字控控制制，简简称称DDC DDC(Direct Digital Control)(Direct Digital Control)系统。系统。2.1.4计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类软件软件传感器传感器输入通道输入通道计计算算机机被被控控对对象象显示打印显示打印接口接口执行器执行器输出通道输出通道接口接口给定值给定值 直直接接数数字字控控制制要要求求计计算算机机在在生生产产过过程程中中采采集集数数据据，根根据据工工艺艺过过程程中中各各个个回回路路的的控控制制算算法法计计算算出出控控制制量量，其其输输出出直直接接作作用用于于

15、调调节节器器或或执执行行器器，使使被被控控制制量量达达到到和和维维持持在在给给定定值值。DDCDDC系系统统中中计计算算机机不不仅仅能能完完全全取取代代模模拟拟调调节节器器，实实现现多多回回路路的的PIDPID调调节节，而而且且不不需需改改变变硬硬件件，只只通通过过改改变变程程序序就就能能有有效效地地实实现现较较复复杂杂的的控控制制，如如非非线性、自适应、纯滞后控制等。线性、自适应、纯滞后控制等。2.1.4计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类监督控制系统（监督控制系统（SCCSCC）所所谓谓监监督督控控制制系系统统SCC(Supervisorv SCC(Supervisorv Comput

16、er Computer Control)Control)就就是是计计算算机机根根据据原原始始的的生生产产工工艺艺信信息息和和其其他他信信息息，按按照照生生产产过过程程的的数数学学模模型型、计计算算出出生生产产过过程程的的最最优优给给定定值值，输输入入给给模模拟拟控控制制系系统统（图图4.6(a)4.6(a)）或或DDCDDC系系统统（图图4.6(b)4.6(b)）。SCCSCC的的输输出出不不直直接接控控制制执执行行器器，而而仅仅是是给给出出下下一一级级系系统统的的给给定定值值，因因此此，SCCSCC系系统统的的任任务务着着重重于于控控制制规规律律的的实实现现，如如最最优优控控制制、自自适适应

17、应控控制制等等，主主要要问问题题是是软软件件；SCCSCC效效果果的的好好坏坏，主主要要在在于于模型、算法和程序。模型、算法和程序。2.1.4计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类模拟模拟调节器调节器被被控控对对象象显示打印显示打印传感器传感器工艺数据工艺数据SCC计计算算机机给定值给定值控制控制测量测量软件软件软件软件DDC计算机计算机被被控控对对象象显示打印显示打印传感器传感器工艺数据工艺数据SCC计计算算机机给定值给定值控制控制测量测量分散型控制系统（即集散式控制系统）分散型控制系统（即集散式控制系统）为为了了实实现现工工程程大大系系统统的的最最优优化化控控制制，设设计计时时可可采采用

18、用分分解解和和协协调调的的原原则则。所所谓谓分分解解，就就是是在在设设计计过过程程中中，将将系系统统划划分分为为若若干干个个小小系系统统，并并解解除除小小系系统统之之间间的的耦耦合合，使使它它们们之之间间相相互互独独立立，以以便便使使用用一一般般最最优优控控制制理理论论，设设计计局局部部控控制制器器。所所谓谓协协调调，就就是是在在局局部部最最优优化化的的基基础础上上考考虑虑各各子子系系统统之之间间的的相相互互影影响响和和相相互互耦耦合合作作用用，设设计计协协调调控控制制器器，使使各各局局部部控控制制器器协协调调运运行行，达达到整个系统的最优化。到整个系统的最优化。2.1.4计算机控制系统的分类

19、计算机控制系统的分类SCCSCCDDC生产过程生产过程1DDC生产过程生产过程n 协调协调2.2计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程 由由于于计计算算机机的的产产生生和和计计算算机机技技术术的的发发展展，人人们们对对自自动动控控制制系系统统的的控控制制设设备备进进行行了了革革新新，用用数数字字计计算算机机取取代代了了常常规规的的控控制制设备，从而形成了计算机控制系统。设备，从而形成了计算机控制系统。计计算算机机控控制制系系统统是是在在自自动动控控制制技技术术和和计计算算机机技技术术飞飞速速发发展展的的基基础础上上产产生生并并完完善善的。的。2.2.1自动控制理论的发展过程自动控制理

20、论的发展过程 1919世世纪纪初初期期，人人们们开开发发了了一一些些自自动动控控制制系系统统，但但这这些些成成就就的的获获得得主主要要依依靠靠直直观观的创造和发明，缺少理论的分析和描述。的创造和发明，缺少理论的分析和描述。1919世世纪纪中中后后期期，人人们们才才开开始始用用微微分分方方程程描描述述控控制制系系统统的的运运动动情情况况，而而后后将将拉拉氏氏变变换换用用来来求求解解高高阶阶常常系系数数线线性性微微分分方方程程，进进而而产产生生了了传传递递函函数数。这这种种以以传传递递函函数数为为基基础础的的分分析析和和设设计计控控制制系系统统的的理理论论，称称为为古古典典控控制制理理论论，所所采

21、采用用的的方方法法主主要要是是频频率率特特性法与根轨迹法。性法与根轨迹法。随随着着空空间间技技术术的的发发展展，控控制制系系统统日日趋趋复复杂杂，精精度度要要求求越越来来越越高高，古古典典控控制制理理论论越越来来越越暴暴露出它的局限性。露出它的局限性。从从时时间间领领域域找找到到了了状状态态空空间间方方法法。这这种种以以状状态态空空间间法法为为基基础础分分析析和和设设计计控控制制系系统统的的理理论论，称，称为为现现代控制理代控制理论论。现现代代控控制制理理论论主主要要是是研研究究多多输输入入、多多输输出出、变变参参数数、非非线线性性、高高精精度度、高高效效能能等等控控制制系系统统的的分分析析和

22、和设设计计问问题题。最最优优控控制制、最最佳佳滤滤波波、系系统统识识别别、自自适适应应控控制制等等理理论论都都是是这这一一领领域域研究的主要课题研究的主要课题.2.2.1自动控制理论的发展过程自动控制理论的发展过程2.2.2计算机控制发展简史计算机控制发展简史 第第二二次次世世界界大大战战期期间间和和战战后后，由由于于工工业业和和军军事事的的需需要要，自自动动控控制制的的理理论论和和实实践践得得到到了了飞飞速速发发展展，飞飞机机自自动动驾驾驶驶仪仪、火火炮炮位位置置控控制制系系统统、雷雷达达天天线线控控制制系系统统和和其其他他一一些些以以反反馈馈控控制制方方法法为为基基础础的的军军用用装装备备

23、系系统统得得到到了了发发展展。另另一一方方面面，工工业业上上也也发发展展了了各各种种基基地地式式调调节节仪仪表表，并并逐逐步步发发展展成成单单元元组组合合式式仪仪表表，由由气气动动、液液压压仪仪表表过过渡渡到到大大量量使使用用电电动动调调节节仪仪表表，这这一一切切都都是是计计算算机控制的良好基础。机控制的良好基础。2.2.2计算机控制发展简史计算机控制发展简史 2020世世纪纪4040年年代代，电电子子计计算算机机刚刚一一出出现现，把把国国防防和和电电子子工工业业方方面面的的这这些些成成就就转转用用于于化化学学工业；工业；5050年年代代中中期期和和后后期期，在在炼炼油油、氨氨、乙乙烯烯、氯氯

24、乙乙烯烯、苯苯乙乙烯烯、聚聚丁丁橡橡胶胶和和工工业业酒酒精精等等生生产过程中取得了一定程度的成功。产过程中取得了一定程度的成功。6060年年代代初初期期，一一些些大大的的计计算算机机制制造造商商，利用纸浆和造纸工业的计算机控制作为样板；利用纸浆和造纸工业的计算机控制作为样板；生生产产过过程程的的计计算算机机控控制制，在在它它第第一一次次取取得得成功后差不多过了成功后差不多过了2020年才得到广泛的应用。年才得到广泛的应用。2.2.2计算机控制发展简史计算机控制发展简史 除除了了在在过过程程控控制制方方面面计计算算机机控控制制技技术术日日趋趋成成熟熟外外，在在机机电电控控制制、航航天天技技术术和

25、和各各种种军军事装备中，计算机控制也得到了广泛的应用。事装备中，计算机控制也得到了广泛的应用。例例如如，通通讯讯卫卫星星的的姿姿态态控控制制、卫卫星星跟跟踪踪天天线线的的控控制制、电电气气传传动动装装置置的的计计算算机机控控制制、飞行器自动驾驶仪等。飞行器自动驾驶仪等。目目前前，自自动动控控制制技技术术正正向向着着深深、广广两两个个方方向向发发展展。在在广广度度方方面面，正正向向着着大大系系统统或或系系统统工工程程的的方方向向发发展展，从从单单一一对对象象、单单一一过过程程的的局局部部控控制制发发展展到到整整个个工工厂厂、整整个个企企业业，甚甚至至对对社社会会经经济济，国国土土利利用用、生生态

26、态平平衡衡等等大大规规模模复复杂杂对对象象进进行行控控制制。在在深深度度方方面面，向向智智能能化方向发展。化方向发展。2.2.2计算机控制发展简史计算机控制发展简史 人人们们逐逐步步采采用用了了自自适适应应、自自学学习习等等智智能能控控制制方方法法，并并且且模模拟拟生生物物的的视视觉觉、听听觉觉、触触觉觉，识识别别文文字字、图图像像、语语言言、物物体体，进进一一步步根根据据感感知知的的信信息息进进行行分分析析、直直观观判判断断、自自行行学学习习和和自自行行解解决决问问题题。这这些些工工作作的的完完成成，都都必必须须使使用用计计算算机机来来进进行行信信息息收收集集、处处理理、分分析析、判断、决策

27、和执行。判断、决策和执行。2.3计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势w机床的数字控制机床的数字控制 w智能机器人智能机器人 w汽车电子化汽车电子化 w实时专家系统实时专家系统 w2 2.计算机控制系统中的数字控制器计算机控制系统中的数字控制器数字数字PIDPID控制控制 2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法 计计算算机机控控制制器器是是DDCDDC系系统统的的核核心心。PIDPID控控制制是是应应用用最最为为普普遍遍的的控控制制方方法法。由由于于数数字字PIDPID具具有有原原理理简简单单,易易于于实实现现,鲁鲁棒棒性性（RobustnessRobustne

28、ss）强强和和适适用用面面广广等等优优点点,多年来多年来,在工业过程控制中得到了广泛的应用。在工业过程控制中得到了广泛的应用。显示打印报警工艺操作台磁盘、磁带参数给定DDC计算机A/D采样器检测仪表工业对象输出多路器执行器D/A输出扫描地址采样地址2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法PIDPID控控制制规规律律：在在连连续续系系统统中中，模模拟拟调调节节器器最最常常用用的的控控制制规规律律是是PIDPID控控制制、其其控控制制规规律律为为式中式中u(t)调节器的输出信号调节器的输出信号e(t)系系统统设设定定值值r(t)与与被被控控量量c(t)之之差差，调调节节器器的的

29、输入信号输入信号Kp调节器的放大系数调节器的放大系数Ti调节器的积分时间常数调节器的积分时间常数Td调节器的微分时间常数调节器的微分时间常数 2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法PID控控制制规规律律离离散散化化为为了了在在计计算算机机控控制制系系统统中中，用用计计算算机机实实现现PID控控制制，我我们们必必须须对对式式(4-18)进进行行离离散散化化处处理理。取取T为为采采样样周周期期，k为为采采样样序序号号(k=0，1，i)。假假设设采采样样周周期期T相相对对于于信信号号变变化化周周期期很很小小，此此时时可可以以忽略采样开关和保持器的影响，则忽略采样开关和保持器的影

30、响，则 u(t)u(k)e(t)c(k)u(t)u(k)e(t)c(k)2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法这样这样式中：式中：u(k)为采样时刻为采样时刻k的输出值；的输出值；e(k)为采样时刻为采样时刻k的的偏差值；偏差值；e(k-1)为采样时刻为采样时刻(k-1)时的偏差值。时的偏差值。上式是实际中最常用的数字上式是实际中最常用的数字PID控制器，由于上式控制器，由于上式中的输出量中的输出量u(k)为全量输出，它对应于被控对象的执为全量输出，它对应于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置，因此式上也称为行机构每次采样时刻应达到的位置，因此式上也称为位置式位置式

31、PID控制算法。控制算法。可得采样时刻可得采样时刻(k-1)k-1)的输出值为的输出值为2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法用用两两式式相相减，减，经经整理可得整理可得 上式称为增量式上式称为增量式PID控制算法，与位置式控制算法控制算法，与位置式控制算法在本质上是一样的。但增量式算法具有下面的优点：在本质上是一样的。但增量式算法具有下面的优点：计算机只输出增量计算机只输出增量u(k)，所以当系统误动作所以当系统误动作或发生故障时，不会对系统造成很大影响。或发生故障时，不会对系统造成很大影响。在上式中，计算机不需作累加运算，这样既减在上式中，计算机不需作累加运算，这样既

32、减少了运算量，又消除了积分饱和的危险。少了运算量，又消除了积分饱和的危险。2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法PIDPID控制算法的改控制算法的改进进 积分分离积分分离PID算法算法在在PID控制规律中，引入控制规律中，引入积分的目的，主要是为了消除系统的静态误差，积分的目的，主要是为了消除系统的静态误差，但积分作用过强会产生较大的超调量，这是控但积分作用过强会产生较大的超调量，这是控制系统绝对不允许的，所以为了保证系统的精制系统绝对不允许的，所以为了保证系统的精度和相对稳定性，采用积分分离法来改善系统度和相对稳定性，采用积分分离法来改善系统的性能。的性能。积分分离法要

33、设置一个分离值积分分离法要设置一个分离值e0。当当e(k)e0时，即偏差较小时，采用时，即偏差较小时，采用PID控制，以保证系统的稳态误差为零。控制，以保证系统的稳态误差为零。2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法当当e(k)eo时，即偏差较大时，撤去积分作时，即偏差较大时，撤去积分作用，只采用用，只采用PD控制，以使系统超调量大幅度降低。积控制，以使系统超调量大幅度降低。积分分离分分离PID算法为算法为式中式中 1 1 e(k)e0 a=0 0 e(k)e0 称称a为逻辑系数为逻辑系数。位置式位置式PIDPID控制算法控制算法设置设置Kp、Ti、Td、T输入输入r（k）

34、、c（k）计算计算e（k）=r（k）-c（k）计算计算Kpe（k）A计算计算A+Kp/TieiTA计算计算A+Td/Te（k）-e（k-1）u（k）输出输出u（k）e（k）e（k-1）增量式增量式PIDPID控制算法控制算法 设置设置Kp、Ti、Td、T输入输入r（k）、c（k）计算计算e（k）=r（k）-c（k）取上两次偏差取上两次偏差e（k-1）、）、e（k-2）计算（计算（Kp+T/Ti+Td/T）e（k）A计算计算A-Kp+2Td/Te（k-1）A计算计算A+KpTd/Tie（k-2）u（k）e（k）e（k-1）,e（k-1）e（k-2）输出输出u（k）积分分离积分分离PIDPID算法

35、流程框图算法流程框图 设置设置Kp、Ti、Td、T、e0输入输入r（k）、c（k）计算计算e（k）=r（k）-c（k）计算计算u（k）=Kpe（k）+Td/Te（k）-e（k-1）计算计算u（k）=u（k）+KpTd/Tiei输出输出u（k）e（k）e（k-1）|e（k）|e0YN2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法不不完完全全微微分分PIDPID算算法法 控控制制系系统统中中引引入入微微分分有有助助于于减减小小超超调调，克克服服振振荡荡，但但同同时时微微分分作作用用容容易易引引进进高高频频干干扰扰。为为了了解解决决上上述述矛矛盾盾，在在数数字字调调节节器器中中串串接接

36、一一个个惯惯性环节来抑制高频干扰。性环节来抑制高频干扰。一阶惯性环节的传递函数为一阶惯性环节的传递函数为 Gf(s)=1/1+Tfs 不完全微分不完全微分PIDPID控制器如图控制器如图4-184-18所示。所示。PID调节器1/1+TfsE（S）U（S）U（S）不完全微分不完全微分PIDPID调节器调节器2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法所以所以对上式离散化后，可得控制算式为对上式离散化后，可得控制算式为所以所以u(k)=au(k-1)+(1-a)u(k)式中式中a=Tf/T+Tf2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法设置设置Kp、Ti、Td、

37、T、Tf输入输入r（k）、c（k）计算计算e（k）=r（k）-c（k）计算计算u（k）=Kpe（k）+T/Tiei+Td/Te（k）-e（k-1）计算计算u（k）=au（k-1）+（1-a）u（k）输出输出u（k）e（k）e（k-1）、）、u（k）u（k-1）计算计算a=Tf/T+Tf不完全微分不完全微分PIDPID微分微分PIDPID算法流程框图算法流程框图 2.4.1 2.4.1 数字数字PIDPID控制算法控制算法微微分分先先行行PIDPID算算法法 微微分分先先行行是是把把微微分分运运算算放放在在最最前前面面，如如图图4.20(a)4.20(a)，(b)(b)所所示示。(a)(a)是是

38、对对偏偏差差进进行行微微分分，而而(b)(b)只只对对输输出出量量微微分分，所所以结构以结构(b)(b)适用于给定值频繁升降的场合。适用于给定值频繁升降的场合。T2s+1rT2s+1K1（1+1/T1s）R（s）C（s）E（s）U（s）-D（s）+K1（1+1/T1s）T2s+1rT2s+1R（s）C（s）U（s）-+（a）（b）2.5 2.5 数字数字PIDPID调节器的参数整定调节器的参数整定 模模拟拟PID调调节节器器参参数数的的整整定定是是按按照照工工艺艺对对控控制制性性能能的的要要求求来来整整定定调调节节器器的的参参数数Kp、Ti、Td，而而数数字字调调节节器器的的参参数数整整定定除

39、除了了需需要要确确定定上上述述三三个个参参数数外外，还还需需确确定定系系统统的的采采用用周周期期T。通通常常被被控控对对象象有有较较大大的的惯惯性性时时间间常常数数，因因此此采采样样周周期期与与其其相相比比，其其时时间间常常数数要要小小的的多多，所所以以数数字字调调节节器器的的参参数数整整定可模仿模拟调节器的参数整定。定可模仿模拟调节器的参数整定。2.5 2.5 数字数字PIDPID调节器的参数整定调节器的参数整定 1 1PIDPID调节器参数对系统性能的影响调节器参数对系统性能的影响 （1 1）比比例例控控制制参参数数KpKp对对系系统统性性能能的的影影响响 对对动动态态性性能能：比比例例控

40、控制制参参数数KpKp加加大大，使使系系统统的的动动作作灵灵敏敏，响响应应速速度度加加快快，KpKp偏偏大大，衰衰减减震震荡荡次次数数增增多多，调调节节时时间间加加长长。当当KpKp太太大大时时，系系统统会会趋趋于于不不稳稳。但但KpKp太太小小又又会会使使系系统统响响应应动动作作缓缓慢慢。KpKp的的选选择以输出响应产生一次衰减震荡为佳。择以输出响应产生一次衰减震荡为佳。对对稳稳态态特特性性：加加大大KpKp，在在系系统统稳稳定定的的情情况况下下，可可以以减减少少稳稳态态误误差差，但靠它不能消除稳态误差。因此但靠它不能消除稳态误差。因此KpKp的整定主要依据动态性能。的整定主要依据动态性能。

41、（2 2）积积分分控控制制参参数数TiTi对对系系统统性性能能的的影影响响 对对动动态态性性能能：积积分分控控制制参参数数TiTi通通常常使使系系统统的的稳稳定定性性下下降降。TiTi太太小小系系统统将将不不稳稳定定，TiTi偏偏小小震震荡荡次次数数较较多多。TiTi太太大大系系统统的的动动态态性性能能变变差差。当当TiTi合适时过渡过程特性比较理想。合适时过渡过程特性比较理想。对对稳稳态态误误差差的的影影响响：积积分分控控制制参参数数TiTi的的作作用用有有助助于于消消除除系系统统的的稳稳态态误误差差，提提高高系系统统的的控控制制精精度度。但但TiTi太太大大，积积分分作作用用太太弱弱，不能

42、减小稳态误差。不能减小稳态误差。（3 3）微微分分控控制制参参数数TdTd对对系系统统性性能能的的影影响响 微微分分控控制制经经常常与与比例控制或积分控制联合作用，构成比例控制或积分控制联合作用，构成PDPD控制或控制或PIDPID控制。控制。2.5 2.5 数字数字PIDPID调节器的参数整定调节器的参数整定 微微分分控控制制可可以以改改善善动动态态特特性性，如如超超调调量量减减少少，调调节节时时间间缩缩短短，允允许许加加大大比比例例控控制制，使使稳稳态态误误差差减减小小，提提高高控控制制精精度度。当当TdTd偏偏大大时时，超超调调量量较较大大，调调节节时时间间较较长长。当当TdTd偏偏小小

43、时时，超超调调量量也也比比较较大大，调调节节时时间间也也比比较较长长。只只有有当当TdTd合合适适时时可可以以得得到到满满意意的过渡过程。的过渡过程。y（t）tPI控制控制P控制PD控制PID控制各种控制规律对控制性能的影响各种控制规律对控制性能的影响2.5 2.5 数字数字PIDPID调节器的参数整定调节器的参数整定1 1采样周期采样周期T T的选择的选择 在在计计算算机机控控制制系系统统中中，采采样样频频率率是是非非常常重重要要的的参参数数。虽虽然然香香农农定定理理指指出出，要要使使输输入入信信号号通通过过采采样样后后能能不不失失真真地地复复现现，必必须须满满足足采采样样频频率率s2max

44、s2max的的条条件件。但但由由于于计计算算机机控控制制系系统统的的复复杂杂性性和和实实时时控控制制的的特特点点，仅仅根根据据这这个个准准则则是是不不够够的的。下下面面从从控控制工程的角度来讨论采样频率选取的问题。制工程的角度来讨论采样频率选取的问题。2.5 2.5 数字数字PIDPID调节器的参数整定调节器的参数整定 （）采（）采样频样频率率对对系系统统性能的影响性能的影响 从从稳稳定定性性考考虑虑 由由于于计计算算机机控控制制系系统统中中有有保保持持器器和和计计算算延延迟迟等等，这这将将引引起起系系统统相相位位滞滞后后，并并且且滞滞后后相相角角随随采采样样频频率率的的减减小小而而增增大大。

45、因因此此，采采样样频频率率过过低低，对系统稳定性不利。对系统稳定性不利。从从动动态态特特性性考考虑虑 为为了了使使控控制制系系统统具具有有良良好好的的实实时时性性，即即输输出出能能迅迅速速根根据据输输入入的的变变化化而而变变化化，采采样样频频率应选大。率应选大。从从系系统统的的稳稳态态误误差差考考虑虑 由由表表4-14-1可可知知，计计算算机机控控制制系系统统的的稳稳态态误误差差与与采采样样周周期期成成正正比比，所所以以采采样样频率应取高。频率应取高。从从抗抗干干扰扰性性考考虑虑 对对于于中中低低频频干干扰扰信信号号，采采用用较较高高的的采采样样频频率率能能使使之之迅迅速速得得到到校校正正而而

46、不不致致对对系系统统产产生生过过大大的的偏偏差差。但但对对于于高高频频干干扰扰，则则必必须须采采用用更更高高的的采采样频率才能对其抑制，然而这在工程上是难于实现的。样频率才能对其抑制，然而这在工程上是难于实现的。2.5 2.5 数字数字PIDPID调节器的参数整定调节器的参数整定 （）采样频率对控制输出的影响（）采样频率对控制输出的影响 在在对对连连续续控控制制对对象象进进行行控控制制时时，大大多多数数计计算算机机控控制制系系统统控控制制指指令令信信号号，是是通通过过零零阶阶保保特特器器加加到到被被控控对对象象上上，实实际际上上控控制制信信号号是是跳跳变变的的阶阶梯梯信信号号。当当采采样样频频

47、率率取取得得较较高高时时，这这时时跳跳变变幅幅度度较较小小，再再经经过过各各种种机机电电式式机机构构的的滤滤波波特特性性的的影影响响，使使输输出出得得到到平平滑滑。但但是是，采采样样频频率率也也不不能能取取太太大大，因因为为执执行行元元件件有有惯惯性性，需需要要输输出出信信号号保保持持一一定定的的宽宽度度，才才能能保保证证有有正正确确的的输输出出动动作作。另另外外，采采样样频频率率过过高高，导导致致输输出出的的控控制制动动作作过过于于频频繁繁，会会增增加加执执行行机构的磨损。机构的磨损。2.5 2.5 数字数字PIDPID调节器的参数整定调节器的参数整定（）计算机的字长与采样频率（）计算机的字

48、长与采样频率 由于计算机字长有限，当采样频率较高时，前后由于计算机字长有限，当采样频率较高时，前后两次采样的结果差值很小，就有可能受到计算机字长两次采样的结果差值很小，就有可能受到计算机字长的限制而反映不出来，从而削弱了系统的控制作用。的限制而反映不出来，从而削弱了系统的控制作用。所以，在选择采样频率时要考虑计算机的计算精度。所以，在选择采样频率时要考虑计算机的计算精度。（）控制算法的精度与采样频率（）控制算法的精度与采样频率 由于许多计算机控制算法是通过不同的离散方法由于许多计算机控制算法是通过不同的离散方法而得到的，而且方法不同，离散化误差也不同，另外，而得到的，而且方法不同，离散化误差也

49、不同，另外，离散化后的控制算法与实际系统所要求的控制规律之离散化后的控制算法与实际系统所要求的控制规律之间存在一定的误差，这误差的大小随采样频率的增大间存在一定的误差，这误差的大小随采样频率的增大而减小。所以要求采样频率取大。而减小。所以要求采样频率取大。2.5 2.5 数字数字PIDPID调节器的参数整定调节器的参数整定 根据以上分析可知，各种因素对采样频率的要求不同，根据以上分析可知，各种因素对采样频率的要求不同，有的相互矛盾。所以，在确定采样频率时，应根据具有的相互矛盾。所以，在确定采样频率时，应根据具体情况和要求，权衡利弊，进行选择。目前工程上都体情况和要求，权衡利弊，进行选择。目前工

50、程上都根据以下经验选择：根据以下经验选择：对于闭环控制系统，如果被控对象的主导极点的时对于闭环控制系统，如果被控对象的主导极点的时间常数为间常数为Tc，则选取采样频率为，则选取采样频率为s10/Tc如果被控对象有纯滞后环节如果被控对象有纯滞后环节e-s，则采样频率应满，则采样频率应满足足s(4/10/)如果闭环控制系统有调整时间如果闭环控制系统有调整时间ts或闭环带宽或闭环带宽b的要的要求，则采样频率如下选取求，则采样频率如下选取s10/ts或或s10b 2.5 2.5 数字数字PIDPID调节器的参数整定调节器的参数整定 采采样样周周期期的的选选择择一一般般有有两两种种方方法法，计计算算法法