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1、DCS及現(xiàn)場總線技術(shù)第4章DCS控制算法及組態(tài)4.1PID控制算法4.1.1理想PID控制算法離散PID控制算法可分為三類：位置算法、增量算法、速度算法。1.位置算法—積分系數(shù)；—微分系數(shù)；2.增量算法PID控制增量算法為相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值之差，即3.速度算法PID控制速度算法是增量算式除以采樣周期T，即4.1.2控制度和采樣周期控制度表明了直接數(shù)字控制與模擬連續(xù)控制在控制品質(zhì)上的差異程度。模擬調(diào)節(jié)器的控制品質(zhì)好于數(shù)字調(diào)節(jié)器，所以控制度大于1，控制度越大，表示離散系統(tǒng)的控制品質(zhì)越差。4.1.3改
2、進PID控制算法1.積分算法的改進1）積分分離法它的基本思想是：當偏差大于某個規(guī)定的門限值時，取消積分作用，從而使不至于過大；只有當偏差較小時，才引入積分作用，以消除余差。積分分離PID算法可以表示為：2）遇限削弱積分法它的基本思想是：當控制量進入飽和區(qū)后，只執(zhí)行消弱積分項的累加，而不進行增大積分項的累加。為此，在計算u(k)時，先判斷u(k-1)是否達到飽和，若已超過umax，則只累加負偏差；若小于umin，則只累加正偏差，從而避免控制量長時間停留在飽和區(qū)。3）變速積分法它的基本思想是：改變積分項的累加速
3、度，使其與偏差大小相對應(yīng)，即偏差越大，積分越小，以致減到全無；偏差越小，積分越大，以利于消除余差。變速積分PID算法可以表示為：其中，是偏差e(k)的函數(shù)，，當增大時，f減?。粶p小時，f增大。4）圓整誤差問題由于工業(yè)計算機往往采用定點計算，存在字長精度限制的問題，當計算結(jié)果超過機器字長精度所能表示的范圍時，計算機就將其作為機器零而把此數(shù)丟掉。常用的解決方法是在程序編制時設(shè)計一個累加單元，來解決由于定點運算的字長限制而丟掉積分作用的問題。另外圓整誤差問題主要是針對增量式算法存在的。5）梯形積分法若用梯形求積公
4、式代替矩形積分來進行數(shù)字積分，可提高積分計算的精度且少受噪聲的影響。但需要增加計算時間和內(nèi)存容量。2.微分算法的改進1）微分先行微分先行是只對被控變量進行微分作用，而不對設(shè)定值進行微分作用。微分先行的PID位置算式為：微分先行的PID增量算式為：不完全微分PID位置算式為：2）不完全微分微分環(huán)節(jié)具有超前調(diào)節(jié)作用，常用來改善被控系統(tǒng)的動態(tài)性能，但微分作用對信號的高頻噪聲很敏感，實際使用時通常需要加上慣性環(huán)節(jié)。3）四點中心差分法該方法在組成差分時，不是直接使用前后兩次偏差，而是用平均差做基準，再用加權(quán)平均的方式
5、構(gòu)成近似微分項。采用四點中心差分法的PID位置算式為：3.其他形式的PID控制算法1）帶有不靈敏區(qū)的PID控制算法對于某些對控制要求不高，且希望控制作用盡量少變的系統(tǒng)，可以采用帶有不靈敏區(qū)的PID控制算法，即其中，B為不靈敏區(qū)2）二維PID控制算法當α=β=0時，形成常規(guī)的PID控制，即PID輸出是偏差的函數(shù)；當α=β=1時，形成I-PD控制。調(diào)整α和β，可使控制系統(tǒng)在定值和隨動控制時都有較好的控制品質(zhì)。3）給定值的前置濾波法采用前置濾波器對給定值r進行濾波，使進入控制回路的給定值不突變。4.2復(fù)雜控制算法
6、具體流程控制圖補講4.2.1前饋控制所謂前饋控制，實質(zhì)上是一種對擾動按補償原理進行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)。其特點是當擾動產(chǎn)生后，在被控變量還未顯示出變化之前，根據(jù)擾動作用的大小進行調(diào)節(jié)，以補償擾動作用對被控變量的影響。如果這種前饋作用運用恰當，可以使被控變量不會因擾動作用而產(chǎn)生偏差，比反饋控制要及時，并且不受系統(tǒng)滯后的影響。右圖為前饋控制系統(tǒng)方框圖，為了使系統(tǒng)在擾動作用下不受影響，則對于某一特定擾動，如果補償?shù)卯?，前饋控制系統(tǒng)的品質(zhì)十分理想，但是要實現(xiàn)完全補償并非易事，因為工業(yè)過程的數(shù)學(xué)模型是時變的、非線性的；
7、同時擾動也是不可完全預(yù)見的（擾動往往不只一種），前饋控制只能在一定程度上補償擾動對被控變量的影響。因此，在實際應(yīng)用中通常將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。前饋控制克服主要擾動的影響。反饋控制克服其余擾動及前饋補償不完全部分。這樣，系統(tǒng)即使在大而頻繁的擾動下，依舊可以獲得良好的控制品質(zhì)。4.2.2串級控制串級控制系統(tǒng)的方框圖如下圖所示：4.2.3Smith預(yù)估補償控制Smith預(yù)估補償器的表達式為：Smith預(yù)估補償控制方案如下圖所示：4.2.4選擇性控制常用的選擇器是高選器和低選器，它們通
8、常有兩個或多個輸入。低選器把低信號作為輸出，用LS表示；而高選器將高信號作為輸出，用HS表示，即4.2.5比值控制1.開環(huán)比值控制系統(tǒng)2.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)3.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)4.2.6先進控制先進控制算法是基于先進控制策略產(chǎn)生出的各種控制算法。在工業(yè)生產(chǎn)過程中已成功應(yīng)用的算法包括模型預(yù)測控制、內(nèi)模控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等，其中模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制是智能控制的組成部分。先進控制策略如
