数字PID技术学习教案

1、数字数字(shz)PID技术技术第一页，共29页。图图4.1 4.1 模拟控制系统过程模拟控制系统过程(guchng)(guchng)控制方框图控制方框图第1页/共28页第二页，共29页。图图4.2 4.2 数字数字(shz)(shz)控制系统过程控制方框图控制系统过程控制方框图二、计算机控制系统的优点二、计算机控制系统的优点 1. 1.一机多用：由于计算机运算速度快，而被控对象变化一般都比较缓慢，可用一台计算机控制多个回路，节省设备费用；一机多用：由于计算机运算速度快，而被控对象变化一般都比较缓慢，可用一台计算机控制多个回路，节省设备费用； 2. 2. 控制算法灵活：如控制算法灵活：如PID

2、PID、大林算法、最优控制等；、大林算法、最优控制等； 3. 3.可靠性高：由于计算机控制算法是用软件实现的，因此比用硬件组成的模拟调节器具有更高的可靠性，且系统维护简单；可靠性高：由于计算机控制算法是用软件实现的，因此比用硬件组成的模拟调节器具有更高的可靠性，且系统维护简单； 4. 4.可改变调节品质，提高产品的产量可改变调节品质，提高产品的产量(chnling)(chnling)和质量；和质量； 5. 5.安全生产，改善工人劳动条件。安全生产，改善工人劳动条件。 第2页/共28页第三页，共29页。第3页/共28页第四页，共29页。分的函数关系进行计算，其运算结果用于输出控制分的函数关系进行

3、计算，其运算结果用于输出控制(kngzh)(kngzh)。第4页/共28页第五页，共29页。第5页/共28页第六页，共29页。图图4.3 4.3 模拟模拟(mn)PID(mn)PID调节器方框图调节器方框图 PID PID控制器把给定值控制器把给定值W W与实际输出值与实际输出值Y Y相减，得到控制偏差相减，得到控制偏差e e，偏差，偏差e e经比经比例、积分、微分运算后，通过例、积分、微分运算后，通过(tnggu)(tnggu)线性组合构成控制量线性组合构成控制量u u，然后用，然后用u u对对对象进行控制。对象进行控制。 第6页/共28页第七页，共29页。如图所示，比例如图所示，比例(bl

4、)调节器对误调节器对误差差e是即时响应的，是即时响应的，误差一旦产生，误差一旦产生，调节器立即产生调节器立即产生控制，使被控制控制，使被控制的过程变量的过程变量Y向误向误差减小的方向变差减小的方向变化。化。（1 1）问题：对于有些控制对象，比例）问题：对于有些控制对象，比例(bl)(bl)调节器回存在静差（残存调节器回存在静差（残存的误差），加大比例的误差），加大比例(bl)(bl)系数系数KPKP可以减小静差，但当可以减小静差，但当KPKP过大时，会过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。使动态质量变差，导致系统不稳定。（2 2） 优点：反应快。优点：反应快。（3 3）缺点：不能完全消除静

5、差。）缺点：不能完全消除静差。 第7页/共28页第八页，共29页。 Ti Ti：积分常数，：积分常数，TiTi越大，积分作越大，积分作用越弱。用越弱。 积分器的输出值大小取决积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，虽然误差不于对误差的累积结果，虽然误差不变，但积分器的输出还在增加，直变，但积分器的输出还在增加，直至至(zhzh)(zhzh)使误差使误差e=0e=0。积分器的加。积分器的加入相当于能自动调节控制常量入相当于能自动调节控制常量u0u0，消除静差，使系统趋于稳定。消除静差，使系统趋于稳定。第8页/共28页第九页，共29页。差的变化率来预报误差，并对误差的变化作差的变化率来预报误差，

6、并对误差的变化作出响应。出响应。理想的理想的PIDPID调节器对误差的阶跃响应如调节器对误差的阶跃响应如图所示：图所示：第9页/共28页第十页，共29页。第10页/共28页第十一页，共29页。（三）（三）PIDPID控制算法的数字实现控制算法的数字实现采用采用(ciyng)(ciyng)单片微机作为控制器核心单片微机作为控制器核心的自动控制系统简化框图如图所示：的自动控制系统简化框图如图所示：图图4.4 4.4 单片机自动单片机自动(zdng)(zdng)控制系统简化框图控制系统简化框图 第11页/共28页第十二页，共29页。 1. 1. 位置式位置式PIDPID控制算法：控制算法：在采样时刻

7、在采样时刻t=it=i* *T T（T T为采样周期，为采样周期，i i为正为正整数），通过数值公式近似计算得：整数），通过数值公式近似计算得：第12页/共28页第十三页，共29页。上式可以进一步改写为：上式可以进一步改写为：式中：式中：第13页/共28页第十四页，共29页。在很多控制系统中，执行机构需要的是控在很多控制系统中，执行机构需要的是控制变量的绝对值而不是制变量的绝对值而不是(b shi)(b shi)增量，但由于增量，但由于增量式增量式PIDPID算法程序简单，因此我们可采用增量算法程序简单，因此我们可采用增量式计算，但输出则采用位置式的输出形式。式计算，但输出则采用位置式的输出形

8、式。式中：式中：ei = W-Yiei = W-Yi，W W为设定值，为设定值，YiYi为第为第i i次实次实际输出值；际输出值；第14页/共28页第十五页，共29页。程序流程图程序流程图如下：（程如下：（程序略）序略）第15页/共28页第十六页，共29页。第16页/共28页第十七页，共29页。图图4.5 PID4.5 PID位置算法的积分位置算法的积分(jfn)(jfn)饱和现象饱和现象 第17页/共28页第十八页，共29页。图图4.64.6遇限制遇限制(xinzh)(xinzh)削削弱积分法克弱积分法克服积分饱和服积分饱和第18页/共28页第十九页，共29页。第19页/共28页第二十页，共

9、29页。图图4.74.7积分分离法积分分离法克服克服(kf)(kf)积积分饱和分饱和第20页/共28页第二十一页，共29页。第21页/共28页第二十二页，共29页。第22页/共28页第二十三页，共29页。其中：其中：fmaxfmax为输入信号的上限频率。这样采样信为输入信号的上限频率。这样采样信号经过保持环节后，仍可复原或近似复原为模拟号经过保持环节后，仍可复原或近似复原为模拟信号，而不丢失任何信息。信号，而不丢失任何信息。 2. 2. 从执行机构的特性要求来看，需要输出信号从执行机构的特性要求来看，需要输出信号保持一定的宽度保持一定的宽度(kund)(kund)； 3. 3. 从控制系统的随

10、动和抗干扰的性能要求采从控制系统的随动和抗干扰的性能要求采样周期短些；样周期短些； 4. 4. 从微机的工作量和每个她回路的计算来看，从微机的工作量和每个她回路的计算来看，要求采样周期大些；要求采样周期大些； 5. 5. 从计算机的精度看，过短的采样周期是不合从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的。适的。第23页/共28页第二十四页，共29页。采样周期采样周期(zhuq)T(zhuq)T的经验数据的经验数据（二）凑试法确定（二）凑试法确定PIDPID调节参数调节参数 凑试法是通过模拟运行观察系统的响应曲线（如阶跃响应），然凑试法是通过模拟运行观察系统的响应曲线（如阶跃响应），然后根据各调节

11、参数对系统响应大致影响，反复凑试参数，以达到满意后根据各调节参数对系统响应大致影响，反复凑试参数，以达到满意(mny)(mny)的响应，从而确定的响应，从而确定PIDPID的调节参数。的调节参数。 第24页/共28页第二十五页，共29页。注：在参数选定时，以被控过程的主要性能指标注：在参数选定时，以被控过程的主要性能指标达到设计要求为准。达到设计要求为准。（三）实验经验法确定（三）实验经验法确定PIDPID调节参数调节参数为了减少凑试次数，可以利用已取得的经验，为了减少凑试次数，可以利用已取得的经验，并根据一定并根据一定(ydng)(ydng)的要求事先做一些实验，的要求事先做一些实验，以得到

12、若干基准参数，然后按照经验公式导出以得到若干基准参数，然后按照经验公式导出PIDPID调节参数，即为实验经验法。如扩充临界比例度调节参数，即为实验经验法。如扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一参数整定法等。法、扩充响应曲线法、归一参数整定法等。第25页/共28页第二十六页，共29页。常见被调量常见被调量PIDPID参数经验选择参数经验选择(xunz)(xunz)范围范围第26页/共28页第二十七页，共29页。限振荡周期和增益，并根据要求稳定系统限振荡周期和增益，并根据要求稳定系统(xtng)(xtng)的相域和增益域而自动校正的相域和增益域而自动校正PIDPID参数参数的方法。该方法不需要知道过程的任何特性，的方法。该方法不需要知道过程的任何特性，不受过程时间范围限制，对过程模型变