在连续时间控制系统中
一类连续时间网络控制系统分析及控制器设计
一
类 连 续时 问 网络 控 制 系 统分 析 及 控 制 器设 计
张 光 斌 ， 淑 娴 伦
（ 海 大 学 工 学 院 ， 宁 锦 州 ｌ １０ ） 渤 辽 ２０ ０
摘
要： 针对 网络 控制 系统 中存 在数 据传 输 时延和数 据 包丢 失 ， 以及 由被 控 对 象和控 制 器之
间的不 同步 给 系统所 带 来的稳 定性 问题 ， 出了一 种 状 态反 馈 控 制 器设 计 方 法 。采 用 带有 延 时 提
收稿 日期 ：０ １— ３— ２ ２１ ０ ０ ． 基 金 项 目： 国家 自然 科 学 基 金 资 助 （ ｏ６ ９ ４７ ） 辽 宁省 教 育 厅 优 秀 人 才 支 持 计 划 资 助 （ ｏ Ｌ ２ １０ ） Ｎ ：０ ７０ １ ； Ｎ ： Ｒ ０ ０ ２ 作 者 简介 ： 斌 （９ ６一） 男 ， 士 研 究 生 ， 事 网络 控 制 及 智 能 控 制 方 向 研 究 ． 张光 １８ ， 硕 从 伦 淑娴 （９ ２一） 女 ， 授 ， ｌ ， １７ ， 教 博 ｌ 主要 从 事 网 络 控 制 系 统 及 智 能 的 控 制 方 向研 究 ． １
０ 引 言
网络 控制 系统 （ Ｃ ） Ｎ Ｓ 是指 通 过计算 机 网络将 传感 器 、 动 器 、 控对 象和 控制 器作 为 网络结 点连 接起 驱 被 来共 同完 成控 制 任务 的系统 ， 主要 特点 在 于反 馈控 制 系统 中的 控制 回路 是 通 过 网络 信 道 连 接而 形 成 闭 其 环 ¨ 。 由于控制 环是 通过 一个 实 时 网络 来 闭合 的 ， 因此在 环路 中就 不可 避 免地 存 在着 由于通 信 延 迟 而带 来 的时 问延迟 ， 当时 间延 迟 相对 于采样 周期 而 言不能 忽 略 时 ， 时延 将使 系 统 的性 能 大 打 折扣 ， 时 引起 系 有
PID控制教程
PID控制原理教程第一讲 数字PID概述1.1概述在连续-时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。
其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。
数字PID控制比连续PID控制更为优越，因为计算机程序的灵活性，很容易克服连续PID控制中存在的问题，经修正而得到更完善的数字PID算法。
本章将详细地讨论数字PID控制器的设计和调试问题。
1.2PID控制简介目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
请问如何用pid控制阀门的开合度？
请问如何用pid控制阀门的开合度？过程控制的四大参数，温度、压力、流量、液位。
因此，对每种参数进行测量和调节不仅确保安全生产，还提高产品质量及经济效益。
在生产过程控制中，控制阀是很常见的控制元件。
作用是什么？由定位器发出控制信号，来改变被调参数，使被调参数控制在工艺要求范围内，从而实现生产过程自动化。
PID液位调节阀控制这个控制系统有四个环节，PID控制器、调节阀、被控对象（容器）、检测变送器（液位计），从而构成一个单回路控制系统。
其中核心环节是PID控制器，在连续时间控制系统中，PID控制器是应用最广泛的，技术也成熟。
因此，长期以来也就形成了经典的结构，参数整定方便、结构更换灵活，满足一般的控制要求是没任何问题的。
例如DCS控制系统就能够实现PID控制阀门的开合度。
上图就是用DCS组态做的一个液位单回路组态，它就是PID液位控制器。
然后再把液位变送器的模拟量输入组态做好即可。
上图中的回路1位号可以自行定义，是控制液位就是LIC后面连接数字，是温度控制就是TIC后面连接数字。
代表的是某某指示控制器，例如LIC就是液位指示控制器。
回路1输入是检测变送器的模拟量输入位号，输出位号是模拟量输出位号。
因此，只要把液位单回路组态好了，然后编译下载即可，在监控画面就能够看到组态好的操作界面。
在操作界面里面有手自动、PID、报警设置、手工置值等功能。
如果是手动控制，其实与PID没有任何关系，只有自动控制才与阀门有关。
这里关键的是PID参数整定的好坏，直接关系到被调参数是否控制在工艺要求范围内。
所以，PID参数没有整定好，投自动是无法进行的，于是不得不用手动控制阀门开合度。
PID控制过程，就是现场的液位变送器不断的给PID控制器反馈信号，然后根据工艺要求的值与反馈过来的值做差，差值大于零它就发出控制指令使调节阀开合度大点，差值小于零它就发出控制指令使调节阀开合度小点。
因此，能否使液位控制精准，不光是PID控制器的功劳，还离不开检测变送器的功劳，现场液位变送器测量不准那么自动控制肯定也不精准。
连续时间系统的时分析
连续时间系统的时分析连续时间系统的时分析是研究连续时间系统中信号在时间上的属性和特征的重要方法。
时分析的主要目的是深入理解信号在时间上的演化规律，以揭示系统的动态行为和性能。
时分析在多个领域都有广泛的应用，如信号处理、通信、控制系统等。
通过时分析，我们可以了解信号的频率成分、时域分布、瞬态特性、周期性等属性，从而为系统设计、故障诊断和优化提供重要的依据。
本文将介绍连续时间系统的时分析的重要性和背景，并讨论一些常用的时分析方法和工具。
通过深入研究和应用时分析，我们可以更好地理解和利用连续时间系统的动态行为，从而提高系统的性能和可靠性。
连续时间系统的定义连续时间系统是一种在时间上连续变化的系统。
它以无限多个时刻为基础，对连续时间内的输入信号进行分析和处理。
与离散时间系统相比，连续时间系统具有自变量和因变量均为连续的特点。
连续时间系统的概念和特点连续时间系统可以通过微分方程或差分方程来描述其动态行为。
连续时间系统可以是线性系统或非线性系统，可以是时变系统或时不变系统。
连续时间系统的特点之一是其输入和输出信号均是连续的，因此它能够处理包含连续时间范围内的信号。
这使得连续时间系统在模拟电路、控制系统和信号处理领域中得到广泛应用。
另一个特点是连续时间系统具有无限多个输入和输出值。
通过对连续时间内的输入信号进行积分运算，连续时间系统能够生成连续时间内的输出信号。
这使得连续时间系统能够对信号进行连续的分析和处理。
时分析是对连续时间系统进行的一种分析方法。
它通过研究连续时间系统在时域上的行为来理解系统的动态特性和性能。
在时分析中，我们研究系统对不同输入信号的响应情况，包括系统的稳态响应和暂态响应。
通过时分析，我们可以了解系统对不同输入信号的滤波特性、传递函数和频率响应等重要性能指标。
时分析可以通过使用微分方程、拉普拉斯变换或傅里叶变换等数学工具来进行。
这些工具可以帮助我们理解系统对不同输入信号的响应，并从中得出有关系统稳定性、阶数、传输速度等信息。
已知传递函数求原函数
已知传递函数求原函数一、传递函数和原函数的概念在探讨已知传递函数求原函数的问题之前，我们首先需要明确传递函数和原函数的概念。
1. 传递函数传递函数是指输入与输出之间的关系，它描述了信号在系统中的传递方式。
在控制系统中，传递函数通常用数学表达式表示，可以是一个多项式函数、有理函数或者其他形式的函数。
传递函数通常用记号G(s)表示，其中s是一个复数变量。
传递函数可以是连续时间传递函数，也可以是离散时间传递函数。
2. 原函数原函数是指给定一个函数的导数，求出该函数本身的过程。
原函数也被称为不定积分。
在微积分中，我们知道，对于一个函数f(x)，如果它的导数是F’(x)，那么F(x)就是f(x)的原函数。
二、已知传递函数求原函数的方法已知传递函数求原函数是控制系统中常见的问题之一。
下面我们将介绍几种常用的方法。
1. 反演Laplace变换在连续时间控制系统中，传递函数通常用Laplace变换表示。
如果我们已知传递函数的Laplace变换形式，那么可以通过反演Laplace变换求得原函数。
具体来说，我们可以使用Laplace变换的反演公式，将传递函数的Laplace变换形式转换回时间域的函数形式。
在离散时间控制系统中，传递函数通常用Z变换表示。
如果我们已知传递函数的Z 变换形式，那么可以通过反演Z变换求得原函数。
类似于Laplace变换，我们可以使用Z变换的反演公式，将传递函数的Z变换形式转换回时间域的函数形式。
3. 傅里叶变换在信号处理中，傅里叶变换是一种常用的工具。
如果我们已知传递函数的傅里叶变换形式，那么可以通过反演傅里叶变换求得原函数。
傅里叶变换的反演公式将传递函数的傅里叶变换形式转换回时间域的函数形式。
4. 差分方程对于离散时间控制系统，我们可以使用差分方程来描述传递函数和原函数之间的关系。
如果我们已知传递函数的差分方程形式，那么可以通过求解差分方程得到原函数。
三、示例为了更好地理解已知传递函数求原函数的方法，我们来看一个具体的示例。
容错控制——精选推荐
容错控制知识一知识点1冗余：多余的重复或啰嗦内容，通常指通过多重备份来增加系统的可靠性。
2冗余设计：通过重复配置某些关键设备或部件，当系统出现故障时，冗余的设备或部件介入工作，承担已损设备或部件的功能，为系统提供服务，减少宕机事件的发生。
3冗余设计常用方法有硬件冗余、软件冗余(主要指解析冗余)、功率冗余。
3.1硬件冗余方法是通过对重要部件和易发生故障的部件提供备份，以提高系统的容错性能。
软件冗余方法主要是通过设计控制器来提高整个控制系统的冗余度，从而改善系统的容错性能。
硬件冗余方法按冗余级别不同又可分为元件冗余、系统冗余和混合冗余。
元件冗余通常是指控制系统中关键部件(如陀螺仪和加速度计等)的冗余。
(l)静态“硬件冗余”例如设置三个单元执行同一项任务，把它的处理结果，如调节变量相互比较，按多数原则(三中取二)判断和确定结构值。
采用这种办法潜伏着这样的可能性: 有两个单元同时出错则确定的结果也出错，不过发生这种现象的概率极小。
(2)动态“硬件冗余”即在系统运行之初，并不接入所有元件，而是留有备份，当在系统运行过程中某元件出错时，再将候补装置切换上去，由其接替前者的工作。
这种方法需要注意的问题是切换的时延过程，最好能保持备份元件与运行元件状态的同步。
3.2软件冗余又可分为解析冗余、功能冗余和参数冗余等，软件冗余是通过估计技术或软件算法来实现控制系统的容错性，解析冗余技术是利用控制系统不同部件之间的内在联系和功能上的冗余性，当系统的某些部件失效时，用其余完好部件部分甚至全部地承担起故障部件所丧失的作用，以将系统的性能维持在允许的范围之内。
冗余技术在某种程度上能提高DCS 本身的可靠性和数据通信的可靠性, 但对于整个闭环系统来讲,系统中还包含传感器，变送器，和执行器等现场设备，他们往往工作在恶劣的环境下，出现故障的概率也比较高，软硬件冗余一般无能为力，我们要采用容错控制来提升系统稳定性。
4 容错控制指控制系统在传感器，执行器或元部件发生故障时，闭环系统仍然能够保持稳定，并且能够满足一定的性能指标，则称之为容错控制系统。
连续时间系统极点配置设计
连续时间系统极点配置设计连续时间系统极点配置设计是一种重要的控制系统设计方法，通过调整系统的极点位置来实现对系统动态响应的控制。
在控制系统设计中，合理配置系统的极点可以有效地改善系统的稳定性、快速性和精确性等性能指标。
一、连续时间系统极点配置设计概述连续时间系统极点配置设计是指根据控制要求和系统特性，通过选择合适的控制器参数或调整反馈环节来改变系统的极点位置。
根据所需的动态响应特性，可以将极点配置为稳定、快速或者抑制干扰等不同目标。
二、连续时间系统极点配置设计方法1. 极点分布法：该方法根据所需的动态响应特性，将所有极点分布在复平面上合适的位置。
常见的分布方式有根轨迹法、频率域法等。
通过选择不同的分布方式和调整参数，可以实现不同目标下的极点配置。
2. 极点追踪法：该方法通过观察被控对象输出信号与期望信号之间的差异，并根据差异调整控制器参数，使得被控对象输出信号能够尽可能地接近期望信号。
通过迭代调整控制器参数，最终实现期望的极点配置。
3. 极点映射法：该方法通过将所需的极点位置映射到单位圆上，并根据映射关系选择合适的控制器参数。
通过调整参数，可以实现所需的极点配置。
三、连续时间系统极点配置设计步骤1. 确定系统要求：根据控制对象和控制要求，明确系统的性能指标和动态响应特性要求。
2. 分析系统特性：对被控对象进行建模和分析，得到系统的传递函数或状态空间模型。
3. 选择设计方法：根据系统特性和要求，选择合适的极点配置设计方法。
4. 进行极点配置设计：根据选定的设计方法，进行具体的极点配置设计。
可以借助计算机辅助工具进行仿真与优化。
5. 调试与验证：将设计好的控制器应用于实际系统中，并进行调试与验证。
根据实际效果对设计进行修正和优化。
四、连续时间系统极点配置设计案例假设有一个二阶惯性环节控制系统，传递函数为G(s) = K / (s^2 + 2ξω_ns + ω_n^2)，其中K为增益，ξ为阻尼比，ω_n为自然频率。
自动控制原理第5章频率特性
自动控制原理第5章频率特性频率特性是指系统对输入信号频率的响应特点。
在自动控制系统设计中，了解和分析系统的频率特性是非常重要的，因为它可以帮助工程师评估系统的稳定性，性能和稳定裕度。
本章主要介绍频率特性的相关概念和分析方法，包括频率响应函数、频率幅频特性、相频特性、对数坐标图等。
1.频率响应函数频率响应函数是描述系统在不同频率下的输出和输入之间的关系的函数。
在连续时间系统中，频率响应函数可以表示为H(jω)，其中j是虚数单位，ω是频率。
频率响应函数通常是复数形式，它包含了系统的振幅和相位信息。
2.频率幅频特性频率幅频特性是频率响应函数的模的图形表示，通常用于表示系统的增益特性。
频率幅频特性通常用对数坐标图绘制，以便更好地显示系统在不同频率下的增益特性。
对数坐标图上，增益通常以分贝（dB）为单位表示。
3.相频特性相频特性是频率响应函数的相角的图形表示，通常用于表示系统的相位特性。
相频特性可以让我们了解系统对输入信号的相位延迟或提前情况。
在相频特性图上，频率通常是以对数坐标表示的。
4. Bode图Bode图是频率幅频特性和相频特性的综合图形表示。
它将频率幅频特性和相频特性分别绘制在纵轴和横轴上，因此可以直观地了解系统在不同频率下的增益和相位特性。
5.系统的稳定性分析频率特性可以帮助工程师判断系统的稳定性。
在Bode图上，当系统的相位角趋近于-180度，且增益在此处为0dB时，系统即将变得不稳定。
对于闭环控制系统，我们希望系统在特定频率范围内保持稳定，以便实现良好的控制性能。
6.频率特性的设计频率特性的设计是自动控制系统设计中的一个重要任务。
工程师需要根据系统对不同频率下的增益和相位的要求，设计出合适的控制器。
常见的设计方法包括校正器设计、分频补偿、频率域设计等。
总结：本章重点介绍了自动控制系统的频率特性，包括频率响应函数、频率幅频特性、相频特性和Bode图。
频率特性的分析和设计对于掌握自动控制系统的稳定性、性能和稳定裕度非常重要。
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在连续时间控制系统中 WTD standardization office【WTD 5AB- WTDK 08- WTD 2C】
在连续-时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。
其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。
数字PID控制比连续PID控制更为优越，因为计算机程序的灵活性，很容易克服连续PID控制中存在的问题，经修正而得到更完善的数字PID算法。
本章将详细地讨论数字PID控制器的设计和调试问题。
数字PID控制
数字PID控制器参数选择
连续一时间PID控制系统如图3-1所示。
图中，D（s）为控制器。
在PID控制系统中，D（s）完成PID控制规律，称为PID控制器。
PID控制器是一种线性控制器，用输出量y（t）和给定量r（t）之间的误差的时间函数。
e(t)=r(t)-y(t)
(3-1)的比例，积分，微分的线性组合，构成控制量u（t）称为比例（Proportional）
积分（Integrating）
微分（Differentiation）控制，简称PID控制。
实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，构成
比例（P）控制器
(3-2)
比例十积分（PI）控制器
(3-3)
比例十积分十微分（PID）控制器
(3-4)
式中 KP——比例放大系数；TI——积分时间； TD——微分时间。
比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。
但是，比例控制不能消除稳态误差。
比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。
积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。
因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。
积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，
使整个控制系统得到良好的性能。
在电子数字计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。
计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。
进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。
在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。
当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续-时间
PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程。
考虑式（3-4），用矩形积分时，有
(3-5)
用差分代替微分
(3-6)
将式（3一5）、（3一6）代入式（3一4），PID算法变为
(3-7)
或
式中 u 0——控制量的基值，即k=0时的控制；
u（k）——第k个采样时刻的控制； KP——比例放大系数； KI——积分放大系数；
KD——微分放大系数；
TS——采样周期。
式（3-7）是数字PID算法的非递推形式，称全量算法。
算法中，为了求和，必须将系统偏差的全部过去值e（j）（j=1，2，3，... ，k）都存储起来。
这种算法得出控制量的全量输出u（k），是控制量的绝对数值。
在控制系统中，这种控制量确定了执行
机构的位置，例如在阀门控制中，这种算法的输出对应了阀门的位置（开度）。
所以，将这种算法称为“位置算法”。
当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电动
机）时，需要用PID的“增量算法”。
由位置算法求出
再求出
两式相减，得出控制量的增量算法
（3-8）
式(3-8)称为增量式PID算法。
对增量式PID算法（3-8）归并后，得
(3-9)
其中
（3-9）已看不出是PID的表达式了，也看不出P、I、D作用的直接关系，只表示了各
次误差量对控制作用的影响。
从式（3-9）看出，数字增量式PID算法，只要贮存最近的三个误差采样值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足够了。
这就是我们前面涉及的系统，系统中只有一个PID控制器，如图3-13所表示。
计算机串级控制系统的典型结构如下图3-14所示。
系统中有两个PID控制器，其中一个控制器的输出，作为另一个控制器的给定。
图中，控制器PID2称副控制器，内环称副回路；PID1称主控制器，包围PID2的外环称主回路。
主控器的输出控制作为副回路的给定量。
串级控制系统的计算顺序是先主回路（PID1）后副回路（PID2）。
控制方式有两种：异步采样控制和同步采样控制。