DCS的控制算法.ppt

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安徽工程大学机电学院1DCS的控制算法的控制算法安徽工程大学机电学院2控制层软件控制层软件DCS控制层软件:

运行于现场控制站的控制器中的软件。

基本功能包括：

I/O数据的采集、控制运算及I/O数据的输出。

辅助功能：

控制器及重要I/O模块的冗余功能、网络通信功能及自诊断功能等。

安徽工程大学机电学院3控制器是DCS的核心，它的软件主要有系统软件和应用软件，另外还有一些自诊断程序；系统软件是由DCS开发商提供的，应用软件是为了解决实际问题而编制的程序。

而DCS厂商也提供了大量的应用程序。

DCS就是把不同的控制算法编制成应用程序，并设计成模块的形式，以供组态时的调用。

安徽工程大学机电学院4理想的控制过程：

1、从I/O数据区获得输入数据；2、执行控制运算；3、将运算结果输出到I/O数据区；4、由I/O驱动程序执行外部输出。

过程控制算法功能和使用方法相似；控制器结构及软件性能差别较大。

如算法的容量、运算效率、运算周期、编程语言、组态方式等等。

安徽工程大学机电学院5控制器的能力及执行效率I/O容量单个控制器可接入的I/O点数控制算法容量单个控制器可接入的控制对象数，控制回路或开关量控制作参考因子。

采集数据的分辨率保障数据采集实时性、内部计算同步精度和事件分辨事件精度的重要因素控制运算周期安徽工程大学机电学院6控制器运行管理和维护能力控制系统数据下装功能（EPROM/SRAM）全部下装、增量下装。

在线控制调节和参数整定功能手动调节和控制参数整定的接口。

参数回读功能工程师站请求控制器将运行参数读回到离线组态数据库中心，再次下装不改变现场参数。

站间数据引用功能-网络变量安徽工程大学机电学院7一、数字PID控制算法

（一）、理想PID控制算法安徽工程大学机电学院8安徽工程大学机电学院9

（二）、数字PID控制算法位置算法输出u（k）与控制阀（或执行器）的开度对应安徽工程大学机电学院10增量算法输出u（k）表示阀位的增量，控制阀每次只按增量大小调节安徽工程大学机电学院11速度算法增量算法除去采样周期TS安徽工程大学机电学院12对三种算法进行选择的因素1）1）从执行器的形式考虑从执行器的形式考虑.位置算法的输出除非是数字式控制阀数字式控制阀,否则须经过D/A转换转换为模拟量,并通过保持电路将输出信号保持到下一个采样周期到来时为止;增量算法的输出可通过步进电机等累积机构步进电机等累积机构化为模拟量;而速度算法的输出须采用积分式执行机构积分式执行机构.安徽工程大学机电学院132）从应用方面来看从应用方面来看采用增量算法和速度算法,手自动切换都比较方便,且不会产生积分饱和现象.位置算法会产生积分饱和现象，但可以采取一些措施以解决积分饱和问题。

如：

当控制输出接近设定值时，引入积分，否则把积分去掉，只作微分和比例运算。

安徽工程大学机电学院14数字数字PID控制算法的特点控制算法的特点P、I、D三种控制作用是独立的，没有控制器参数之间的关联。

离散PID控制器的参数不受硬件的制约，可以在更大范围内设置采用采样控制，引入了采样周期，因此而引入了一个纯时滞环节，使控制品质变差。

采样周期的大小影响控制系统的控制品质。

安徽工程大学机电学院15连续与离散控制的比较连续与离散控制的比较安徽工程大学机电学院16控制度和采样周期控制度和采样周期采样周期的选择:

根据香农定理采样频率不小于信号中所含最高频率的两倍才不会引起因频谱重叠而产生的畸变.一般应使控制度不大于1.2（至少不超过1.5）,通常选择采样周期为见P83的表格安徽工程大学机电学院改进PID控制算法1.积分算法的改进积分算法的改进积分分离法它的基本思想是：

当偏差大于某个规定的门限值时，取消积分作用，从而使不至于过大；只有当偏差较小时，才引入积分作用，以消除余差。

积分分离PID算法可以表示为：

采用积分分离算法，在达到同样的衰减比下，显著降低超调量，缩短过渡时间，提高了系统的品质安徽工程大学机电学院2）遇限削弱积分法它的基本思想是：

当控制量进入饱和区后，只执行消弱积分项的累加，而不进行增大积分项的累加。

为此，在计算u（k）时，先判断u（k-1）是否达到饱和，若已超过umax，则只累加负偏差；若小于umin，则只累加正偏差，从而避免控制量长时间停留在饱和区。

安徽工程大学机电学院变速积分法它的基本思想是：

改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，即偏差越大，积分越小，以致减到全无；偏差越小，积分越大，以利于消除余差。

变速积分PID算法可以表示为：

其中，是偏差e（k）的函数，当增大时，f减小；减小时，f增大。

安徽工程大学机电学院圆整误差问题由于工业计算机往往采用定点计算，存在字长精度限制的问题，当计算结果超过机器字长精度所能表示的范围时，计算机就将其作为机器零而把此数丢掉。

常用的解决方法是在程序编制时设计一个累加单元，来解决由于定点运算的字长限制而丢掉积分作用的问题。

另外圆整误差问题主要是针对增量式算法存在的。

安徽工程大学机电学院21例：

当控制某炉出口温度时，设定值为600，信号的变化范围是01023，测量值为602，机器字长为12位，则偏差用定点可表示为：

e（k）=R-y（k）=600-602=-2若取KI=0.1uI（k）=-0.2安徽工程大学机电学院梯形积分法若用梯形求积公式代替矩形积分来进行数字积分.可提高积分计算的精度且少受噪音的影响，但代价是增加计算时间和内存容量安徽工程大学机电学院2.微分算法的改进微分算法的改进1）微分先行微分先行是只对被控变量进行微分作用，而不对设定值进行微分作用。

微分先行的PID位置算式为：

安徽工程大学机电学院不完全微分PID位置算式为：

2）不完全微分微分环节具有超前调节作用，常用来改善被控系统的动态性能，但微分作用对信号的高频噪声很敏感，实际使用时通常需要加上惯性环节。

用实际的PD环节代替理想的PD环节。

当偏差变化较大时，微分作用不会太激烈。

通过在输入端串接一个低通滤波器安徽工程大学机电学院安徽工程大学机电学院3）四点中心差分法该方法在组成差分时，不是直接使用前后两次偏差，而是用平均差做基准，再用加权平均的方式构成近似微分项。

采用四点中心差分法的PID位置算式为：

安徽工程大学机电学院3.其他形式的其他形式的PID控制算法控制算法1）带有不灵敏区的PID控制算法对于某些对控制要求不高，且希望控制作用尽量少变的系统，可以采用带有不灵敏区的PID控制算法，即其中，B为不灵敏区安徽工程大学机电学院28例：

例：

两个精馏塔之间的平稳操作，前塔的出料作为后塔的进料时，为了使操作平稳，要求前塔塔底液位和后塔进料流量波动尽量小，可采用均匀控制，但也可采用具有不灵敏区的PI控制算法作为液位控制，只要液位差不超过规定的B，出料流量就保持不变，大于B时，才控制出料量。

从而克服不必要的流量波动安徽工程大学机电学院2）二维PID控制算法当=0时，形成常规的PID控制，即PID输出是偏差的函数；当=1时，形成I-PD控制。

调整和，可使控制系统在定值和随动控制时都有较好的控制品质。

3）给定值的前置滤波法采用前置滤波器对给定值r进行滤波，使进入控制回路的给定值不突变。

安徽工程大学机电学院30自整定控制自整定控制辨识和控制相结合的方法采用极限环的方法波形识别的方法反应曲线的方法过程变量超过设定的目标限值时，自动发出辨识信号，据此调整控制器参数。

采用如继电反馈方式实现非线性识别方法进行控制器参数整定的方法。

在负荷变化时，根据输出的波形，检测其第一、第二峰值及振荡周期，计算衰减度，确定控制参数系统开环时加入阶跃输入信号，检测系统的输出响应曲线，自动计算被控对象的K、T等参数，用反应曲线的方法整定参数安徽工程大学机电学院31（11）串级控制串级控制计算机控制系统中，串级控制系统主控制器输出不需要再进行信号转换，它的输出范围直接与副被控变量的量程范围保持一致。

集散控制系统中，可根据组成主、副环各环节的特性，对主环和副环被控变量采用不同的采样频率。

二、集散控制系统在实现复杂控制系二、集散控制系统在实现复杂控制系统的注意事项统的注意事项安徽工程大学机电学院32（22）比值控制比值控制控制两个物料流量比值的控制系统。

采用集散控制系统或计算机控制系统实施比值控制系统时，宜将比值函数环节设置在设定在设定值通道中。

集散系统实施比值控制系统采用相乘方案，流量比值可用除法器功能模块获得。

由于采用数字运算获得的数据是实际工程量数据，因此不需要计算仪表比值系数K，可直接根据恭喜所需比值设置。

安徽工程大学机电学院33（33）前馈控制前馈控制根据扰动来调节的开环控制系统。

集散控制系统中通常采用前馈和反馈信号相加的前馈-反馈控制方案。

通常提供静态前馈加反馈的控制算法。

采用常规仪表实施前馈加反馈控制系统时，需在前馈控制器输出添加偏置信号偏置信号。

采用集散控制系统或计算机控制系统时，如果存在积分作用，PID控制算法的初始输出可抵消静态时前馈控制信号，因此增量算法可不设置偏置值。

动态前馈一般采用超前滞后环节或功能块超前滞后环节或功能块实现。

安徽工程大学机电学院34针对自控系统在遇到不正常工况或特大扰动时，通过采用选择器使生产更加安全。

常见的选择性控制系统有：

1、超弛控制系统特点是几个控制器共用一个执行器。

其中一个正常工作，另外的控制器则处于待命备用状态，如遇不正常时，取代正常控制器工作，直到恢复正常。

集散控制系统实施选择性控制系统时，需要积分外反馈来防止积分饱和。

通常控制器模块提供外反馈的输入端口。

（四）选择控制（四）选择控制安徽工程大学机电学院35选择性控制系统结构图选择性控制系统结构图安徽工程大学机电学院36安徽工程大学机电学院372、测量信号的选择性系统（仪表竞争控制系统）可以选择测量信号中的最高值和最低值。

还可选出可靠测量值。

3、实现带有逻辑运算规律的选择性系统可以满足一定的逻辑关系安徽工程大学机电学院38具有逻辑规律的比值控制具有逻辑规律的比值控制安徽工程大学机电学院39在集散控制系统中，选择性控制系统需要使用选择器功能块。

通常有高选和低选两种，另外有些还提供中值选择器。

在超驰控制系统中，取代条件下取代控制器的输出是信号增加，则为了选中该信号选择器应选用高选器。

反之应选用低选器。

另外也可采用选择器组成三选二联锁系统。

安徽工程大学机电学院40（44）分程控制分程控制一个控制器的输出同时送往两个或两个以上的执行器，各执行器的工作范围不同。

集散控制系统实施分程控制有两种方法。

1.采用常规仪表实施方案，用不同工作范围的控制阀，控制组态与常规仪表实施相同。

2.采用相同工作范围的标准控制阀，在集散控制系统中分别计算各阀输入，并分送两个输出模块。

安徽工程大学机电学院41（55）基于模型计算的控制基于模型计算的控制根据模型计算测量值的控制系统和根据模型计算设定值的控制系统两大类。

采用常规仪表实施时，需要考虑仪表系数，采用集散控制系统时，不需要考虑仪表系数，可直接计算。

安徽工程大学机电学院42（66）预测控制）预测控制预测控制是基于模型的计算机控制算法。

利用预测模型来预估过程未来的输出与设定值之间的偏差，采用“滚动式”的最优化策略计算当前的控制输入。

对数学模型要求不高，具有良好的跟踪性能，对模型误差有较强的鲁棒性。

安徽工程大学机电学院43七、自适应控制自适应控制是建立在系统数学模型参数未知的基础上，随着系统行为的变化，自适应控制也会相应地改变控制器的参数，以适应系统特性的变化，保证整个系统的性能指标令人满意。

是过程参数辨识与控制相结合。

安徽工程大学机电学院44八、顺序控制基本概念顺序控制是按照预先规定的顺序，逐步对各阶段进行信息处理的控制方法。

一般可分为时间顺序、逻辑顺序和条件顺序控制三类。

按所用的器件可分问：

继电式、非触点式和可编程式。

安徽工程大学机电学院45安徽工程大学机电学院46组成1、控制器；指令形成装置，接收控制输入信号，经处理，产生完成控制作用的输出信号2、输入接口；实现输入信号的电平转换。

3、输出接口；实现输出信号的功率转换。

4、检出