有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。加之，人们对控制品质的要求日益提高，基本控制器的缺陷逐渐暴露出来。对于时变对象和非线性系统，基本的控制更是显得无能为力。因此，基本控制的应用受到很大限制和挑战。人们在对应用的同时，也对其控制算法进行了各种改进，例如不完全微分算式积分分离算式变速积分算式和带死区算式等。二〇〇七年六月十五日星期五控制器设计方法回顾在过去的几十年中，人们提出了许多控制器的设计方法。然而，在这些方法中没有种是能得到普遍接受的，也就是最好的控制方法依然没有找到。另方面，也需要各种各样整定控制器的方法从些简单的整定方法到基于对象模型的更精确的设计方法。各种不同的控制问题要有不同的设计方法来解决。大多数设计方法往往仅考虑了控制问题的个方面，例如有些设计方法只考虑了抑制负载扰动而没有考虑设定值跟踪。个好的设计方法应该满足系列工程指标，如负载扰动抑制设定值跟踪以及控制器的非脆弱性等。许多传统的控制器设计方法没有对这些方面进行全面考虑，而是采用种不能令人满意的折衷手段。设计控制器应考虑的问题当我们去解决个实际控制问题的时候，首先必须弄清楚控制的主要目的，也就是找出重点要解决的问题。般来说好的设定值跟踪和快速抑制负载扰动是两个主要控制目标。由于些性能指标的实现往往受到控制器结构形式的限制。例如利用传统的单自由度控制器就无法同时满足设定值跟踪和负载扰动抑制的要求线性积分器在提高系统稳态精度的同时，也带来了相位的滞后，恶化了控制系统的品质，时常引起系统快速性与稳定性之间不可调和的矛盾。因此，对控制器的结构形式要做些深入研究，可根据控制系统的实际要求，采用非常规控制器。二〇〇七年六月十五日星期五第二章常规控制器控制器的基础知识控制器是种基于过去现在和未来信息估计的简单算法。基本控制系统原理图如图所示比例积分微分被控对象图控制系统原理图系统主要由控制器和被控对象组成。作为种线性控制器，它根据设定值和被控对象的反馈值构成控制偏差，将偏差按比例积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。比例作用比例作用的引入是为了及时成比例的反映控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。由于比例调节器的输出和输入成比例关系，只要有偏差存在，调节器的输出立刻与偏差成比例的变化，因此比例调节作用及时迅速，这是它的个显著特点。但是这种调节器用在控制系统中，将会使系统出现稳态误差，也就是说，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原先数值上，因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零，调节器的输出就不会发生变化，系统也就无法保持平衡。为了减小稳态误差，可增大。越大，稳态误差越小。但增大将使系统的稳定性变差，容易产生振荡。比例调节器般用在干扰较小，允许有稳态误差的系统中。二〇〇七年六月十五日星期五积分作用在积分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比关系。对于个自动控制系统来说，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便偏差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进步减小，直到等于零。因此，比例积分控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分作用在微分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的微分即偏差的变化率成正比关系。自动控制系统在克服偏差的调节过程中可能会出现振荡。其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后组件，具有抑制偏差的作用，其变化总是落后于偏差的变化。解决的办法是使抑制偏差的作用的变化超前，即在偏差接近零时，抑制偏差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入比例项往往是不够的，比例项的作用仅是放大偏差的幅值，而目前需要增加的是微分项，它能预测偏差变化的趋势，这样，具有比例微分的控制器，就能够提前使抑制偏差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。模拟调节器模拟控制器，实际上是由电阻电容运算放大器构成的模拟电子电路来实现运算的功能。模拟控制电路如图所示图模拟控制电路图二〇〇七年六月十五日星期五在图中，前半部分是比例微分电路，及组成无源比例微分电路，运算放调节器的参数整定是调节器设计的重要内容之。它是根据被控过程的特性确定控制器的比例系数积分时间和微分时间的大小。控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程二〇〇七年六月十五日星期五实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单易于掌握，在工程实际中被广泛采用。控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在般采用的是临界比例法。利用该方法进行控制器参数的整定步骤如下首先预选择个足够短的采样周期让系统工作仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期在定的控制度下通过公式计算得到调节器的参数。参数的设定是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整参数的大小。控制器参数的工程整定，各种调节系统中参数经验数据以下可参照温度，压力液位流量，。调节器测试实验实验目的测试调节器的各项性能测试调节器的阶跃响应特性和相关参数对其性能的影响。二实验仪器万用表数字调节器三实验电路电路图见附录四实验原理实际控制算式二〇〇七年六月十五日星期五式中其中采样时间输出控制增量比例系数积分系数微分系数积分时间微分时间五实验内容及步骤运算点偏差设置为积分分离点设置为偏差限位设置为输出限幅在之间。六实验纪录比例当，时，数据记录为二〇〇七年六月十五日星期五图比例调节器阶跃响应曲线图当，时，数据记录为图比例调节器阶跃响应曲线图二〇〇七年六月十五日星期五比例积分当，时，数据记录为图比例积分调节器阶跃响应曲线图当，时，数据记录为二〇〇七年六月十五日星期五图比例积分调节器阶跃响应曲线图比例微分当，时，数据记录为图比例微分调节器阶跃响应曲线图二〇〇七年六月十五日星期五当，时，数据记录为图比例微分调节器阶跃响应曲线图比例积分微分当，时，数据记录为二〇〇七年六月十五日星期五图比例积分微分调节器阶跃响应曲线图七结论比例作用对偏差反映及时，有稳态误差存在。积分作用因为有偏差，积分调节就进行，直至无差即消除稳态误差，因此积分具有提高控制精度的作用。微分作用反映系统偏差信号变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用。可以减少超调，减少调节时间。该调节器基本满足设计要求。积分分离数字调节器的优点既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。缺点当偏差较大时，有可能会出现比例和微分饱和，使控制量超出实际范围，超出部分将不被执行。二〇〇七年六月十五日星期五结束语本次设计完成了数字调节器硬件设计与调试软件设计与调节器性能标定实验。在课题完成过程中，主要得出如下结论利用以公司的单片机为核心进行硬件设计，大大地简化了系统硬件电路。软件部分采用编程，同汇编编程相比，整个程序可读性和结构化较好，算法的实现也较汇编语言简单。在调节器中采用积分分离式控制算法，它能获得比基本控制算法更好的动态特性，同时又能保持系统较好的稳态性能。在基本的控制器中引入积分环节的目的，是为了消除稳态误差提高精度。但在过程的启动结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成运算的积分累积，致使算得的控制量超过执行机构的可能最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡。引进积分分离控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善，但同时也可能出现当被控变量偏离给定值较大即偏差过大时，有可能出现比例和微分饱和，这样会使控制量超出实际范围，超出部分将不被执行，影响系统的动态性能。二〇〇七年六月十五日星期五参考文献赵英凯非线性系统的种智能控制算法及应用，南京化工大学学报第卷，第期田保峡工业控制器及其参数整定方法研究，浙江工业大学博士论文，吴勤勤控制仪表及装置，北京化学工业出版社陶永华新型控制及其应用，北京机械工业出版社，潘永雄新编单片机原理与应用，西安西安电子科技大学出版社徐爱钧单片机高级语言环境编程与应用，北京电子工业出版社罗印升数字调节器的切换方法分析，陕西工学院学报第卷，第期潘新民微型计算机控制技术，北京电子工业出版社二〇〇七年六月十五日星期五附录硬件图过程控制系统装置开发数字调节器闫俊红金鑫二〇〇七年六月十五日星期五毕业设计说明书毕业论文过程控制系统实验装置开发数字调节器二〇〇七年六月十五日星期五摘要在过程控制中，调节器是由大量运算单元组成。它们的性能直接关系到生产过程的平稳运行和产品的最终质量，与企业的经济效益息息相关，因而其优化设计具有重要的现实意义。系统稳定是调节器设计首先需要考虑的问题，如果系统不稳定，提高其它性能也就没有意义了。常规的模拟调节装置之所以采用基本控制方案，主要是因为它在现场能够获得直观的有效的控制效果。因