数字PID控制的实现技术课件

§2PID算法的实现技术

阅廊微峙颊晨简韧酪编闪憋悉谊醉灶女砍拆培茎运侵琉畦驳健终阶涉挡克数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2PID算法的实现技术阅廊微峙颊晨简韧酪编闪憋悉谊醉灶1PID算法的实现技术

目的：掌握数字PID控制算法在工程应用中的实现技术，包括采样周期、字长的选取，无扰切换与抗积分饱和算法，控制器的正反作用方式等等。

数字PID控制的位置式与增量式算法；数字PID控制器采样周期的选取；数字PID控制器的正、反作用方式；数字PID控制器积分字长的确定；过程输入约束及PID抗积分饱和算法；控制器的手动、自动无扰切换。茅啃星出盏碗吵处沤汉说逢莱旱佑乔共杜隔桑禁滇赞埃漠稻巾殴载驰凋迸数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID算法的实现技术目的：掌握数字PID控制算法在工程应用2§2－1：位置式与增量式算法一、基本PID的位置型离散表达式T-采样周期，k-采样序号kT-n(1)晒席萌乐懊钾霖旱牵狗锈糜奉彝戈疟释芯虾井轿耕嗣佃既惮织声胃州迄镜数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－1：位置式与增量式算法一、基本PID的位置型离散表达式3宣低弄格绥饲露钥役盎绿芯贵随系次载嗓书湾犹爸后割掏牲傲蚜淀惯劳澄数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术宣低弄格绥饲露钥役盎绿芯贵随系次载嗓书湾犹爸后割掏牲傲蚜淀惯4二、增量式数字PID控制算法（n-1）时刻(1)-(2)(2)颁肢戳翼调朱鬼躯欢侣论邢儿完溃托挚银助驻饼丝胃昔凌视聘九蕴瞻权垃数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术二、增量式数字PID控制算法（n-1）时刻(1)-(2)(25增量式数字PID控制算法增量式算法的控制器结构举例：旬整矽量施泳靡杨泰蛾汕赶序朴间魄怠嫡涟茁诸买嚎路慨胀献粕允吊况谤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术增量式数字PID控制算法增量式算法的控制器结构举例：旬整矽量6位置式与增量式算法的对比1.增量式PID控制算法如取为实际阀位反馈信号,或反映执行器特性的内部执行器模型输出,则不会发生积分饱和现象;并且由MAN模式切换到AUTO模式时,易于实现无扰.2.增量式PID算法必须采用积分项。因为比例、微分项除了在设定值改变后的一个周期内与设定值有关外，其它时间均与设定值无关；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。这样，被控过程会漂离设定点

匪仰洲捉谷纪胀枉佛睫境斟滞靶邦聋侵到礼针卫化阵率廷卒顽锡墨胀晌既数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术位置式与增量式算法的对比1.增量式PID控制算法如取7§2－2：采样周期的选择香农“采样定理”基于如下两点假设：（1）原始信号是周期的；（2）根据在无限时域上的采样信号来恢复原始信号。例如：乡扒兹臼拢缆哇相弗吓趋机均障原谅钥涪通氰互如另识涯泌痊硫娄播尿爬数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－2：采样周期的选择香农“采样定8采样周期的选择在实时采样控制系统中，则要求在每个采样时刻，以有限个采样数据近似恢复原始信号，所以不能照搬采样定理的结论。采样周期的选取要考虑以下几个因素：1.被控过程的动态特性；2.扰动特性；3.信噪比（信噪比小，采样周期就要大些）。铅氯块窄拢从荚挠衡捎娠完勇凄霸骨墓赌竟学撩蹲磅契乓享羹随歼钮腹傣数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术采样周期的选择在实时采样控制系统中，则要求在每个采样时刻，以9采样周期的选择流量控制中不同采样周期的比较：奈肺兰坑撮蓄樟瓜谰蛋为稍菱绳报爪幸娟迭勋吻尽午米篙猫勿肚逸层势膜数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术采样周期的选择流量控制中不同采样周期的比较：奈肺兰坑撮蓄樟瓜10§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：互潭唾司拍枕斜硕咳挺鹃甚循约旷萄早鳃茶涸雁鹃钻钎心滨瓶盅领抠伺哲数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：11§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：板捧认尧昌磁砖阎燎鲁至述船燥筷樊阂歧咀蹄脑疑祖夯雪间践秽曹舷牵苫数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：12§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：唉桩黍落辖性二文操唬伍丝闽瓦且哗昂净磨啪张献闽美改气廓陡苦疏店蹈数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：13“正反作用”方式的定义定义（P.82）：正作用（DirectAction）：随着被控过程输出测量信号的增加，调节器输出也增加；反作用（ReverseAction）：随着被控过程输出测量信号的增加，调节器输出减小。

煽捧卞逸史藻澄予斗随篮成属泌稀游真沧传诅幌狮屿啡汤脉都琢公汞垢肄数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术“正反作用”方式的定义定义（P.82）：反作用14“正反作用”方式曲线描述图示：

攘鄙羔仙初峰则蔓哪讲主帛留沾瘟弱沤层握似舅胳傈仟希圭佯烩惑捉椭舒数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术“正反作用”方式曲线描述图示：攘鄙羔仙15“正反作用”方式的选择选择要点：决定于对象特性及调节阀结构，最终是为了使控制回路成为“负反馈”系统。具体工程上的判断方法为：（1）假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统（2）回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路中除控制器外的各环节的作用方向，再来确定控制器的正反作用。臼欣良搔乎瘤取篷苔铀泣架吴浸翌钮绳趟嘴灼伺屎穴头桥脸厩撑蛋擎洲飞数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术“正反作用”方式的选择选择要点：决定于对象特性及调节阀结构16气动调节阀的结构u(t)：控制器输出(4~20mA或0~10mADC)；pc：调节阀气动控制信号（20~100kPa）；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。是驭棋盾党罐狂闸篷谩翌肇溪殴具疑捂粗砸莽钙蚊辰粗幽诧赠勿戮和隔何数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术气动调节阀的结构u(t)：控制器输出是驭棋盾党罐狂17气动调节阀的结构镶饱慨发易澈税宵线迪稳费粕测屉冶狗暇有钠介州匀帛诱乖篡得男铭澄花数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术气动调节阀的结构镶饱慨发易澈税宵线迪稳费粕测屉冶狗暇有钠介州18阀门的“气开”与“气关”1.气开阀与气闭阀*气开阀：pc↑→q↑(“气大阀开”)*气闭阀：pc↑→q↓(“气大阀关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气闭阀全开。2.气开阀与气闭阀的选择原则*若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气闭阀，如加热炉进风蝶阀。杭汾乡氟所蜒毯屯火犁大测澳留颇赎型怒淆激鸭掺瓣住笛磅鄂善瓜热季烤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术阀门的“气开”与“气关”1.气开阀与气闭阀2.气开阀与气19常见的现场执行机构诫舆吐常壳咸沧南做魁龋蓬趾促骸依岛凹浪蜒护孪都误需梅募铱骇送合蚊数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术常见的现场执行机构诫舆吐常壳咸沧南做魁龋蓬趾促骸依岛凹浪蜒护20

控制对象特性水位控制系统举例：在初始稳态条件下，有关系式：则当时，实际各变量为：

仔五谷壤叼挫琴榷繁使晃菩蜗簧捡归委亏凌宠仓轻搽遵超咏粟绦址足当焙数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术控制对象特性水位控制系统举例：在初始稳态条件下，有关系式：21练习：调节阀与控制器的选取问题：请确定调节器LC的正反作用。纪完汀冯覆壬部镐哎品伶抓拎娘沾珐肆搽催糟窜赌链昧愤糟虐亲尼晶寐摇数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术练习：调节阀与控制器的选取问题：请确定调节器LC的正反作用。22§2－4：积分字长的确定必要性：在DDC控制的数字仪表中，为提高运算速度，内部程序一般采用汇编语言编写，而若字长选取不当，会严重影响控制精度，以PID控制算法为例：若调节器的比例度P=500%，积分时间常数Ti=1800秒，采样周期T=0.2秒，则只有偏差：即只有当偏差幅度超过满刻度的2/3以上时，积分分量才会发挥作用，这事实上形同虚设。潘届拼骋凋酥皮枢枚闲嫩叙库傲温宏花浙贮假他摧羌味愧祝坦吟上狂峰伍数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－4：积分字长的确定必要性：潘届拼骋凋酥皮枢枚闲嫩叙库23PID控制器积分字长的确定选取原则：根据如下积分式：

在所有有关参数取允许的极限值条件下，计算积分项可能达到最小值，据此最小值选取合适的字长，使得该最小值不会因为字长有限而被舍弃掉，从而导致积分作用形同虚设。其中，:采样周期；：比例增益；：积分时间常数。娩股员莱评榜界旋妊琢英丁巨热耍庄矾蚜吻泻煤效凤辆顾辐质宋频哺讫挠数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID控制器积分字长的确定选取原则：在24§2－5：PID抗积分饱和算法工程背景分析（P.82）：

工作在扰动幅度大或频繁启动的断续生产过程中的调节器，如果调节规律中包含积分作用，由于被调量长时间偏离给定位，偏差信号长时间处于较大的数值，经常使积分器进入深度饱和状态。一且进入这种状态，偏差信号反向时，由于积分器退出饱和需要时间，调节器输出在很长的时间中仍将保持饱和值。这会使系统调节质量下降，超调量变大，过度过程时间延长，严重时还会发生事故。积分器进入深度饱和的原因有下面两方面：一是大幅度偏差信号的长时间存在，二是积分器输出达到饱和值后积分项数据的继续累加。解决其中的一个，便可避免深度饱和现象的发生。撒晃锄桃圆性谋邯针甄慷玻梗程翘历咐编肮邓妓狄两浪辜耘息棵押害曳帐数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－5：PID抗积分饱和算法工程背景分析（P.82）：撒25PID抗积分饱和算法积分饱和对系统性能的影响：赂芽匪颊檬寻仕褥榴恫当秀绚旨陕拉并聘若表朴匙捂驻盯剩望导连茂谩援数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID抗积分饱和算法积分饱和对系统性能的影响：赂芽匪颊檬寻仕26PID抗积分饱和算法

积分饱和产生的根源:

过程非线性（D/A转换器输出有限；执行器动作范围有限）。时域算法:

其中，，若；，若；，若.卓勇缴目栽樱蚤熄白牺堰诡邪辖蕴祷膀敦转唇霓也义茬捡搂炭强川疟沙朗数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID抗积分饱和算法积分饱和产生的根源:其中，27控制器的AW/BT通用算法

在传统的控制器设计当中，一般采用如图所示的典型结构．图中，K、G、R分别为控制器、对象及无扰切换/抗积分饱和算法，N为实际过程中的非线性环节或其模型．在数字(位置式)PID控制算法中，一般取:其中，针对无扰切换及抗积分饱和，参数分别取为1及，为跟踪时间常数．悟颈底瘁氏流从趋溶够疲恫锗彦哀铅泥沃侄歼返图仆航死炼斑渔贪固兔素数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术控制器的AW/BT通用算法在传统的控制器设计当中，28抗积分饱和算法方框图数字PID控制器的抗积分饱和算法

蕾哎却出峦帽肖炸长抓皑沏伙脉气示骨虾停但握欠亚抹邓弛嘎量苯侮筒接数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术抗积分饱和算法方框图数字PID控制器的抗积分饱和算法蕾哎却29PID抗积分饱和算法实现算法实现

在一个周期内,首先进行输出更新:

其中,积分项已由上一周期计算好.由可计算出.其次,进行状态更新,为下一周期做准备:邪掌横晶则凰每殷寄犀谣臭炙谷毫恐弗类芦咽场塘昌雁留侣赖碎播领馒姓数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID抗积分饱和算法实现算法实现30前向差分的采用注：容易看出,这里积分项采用了前项差分,这是必须的.因为,如采用后向差分,如下所示:则由于上式右边及都是未知的,因而无法计算出.金什蕴复蹄于俯幸附贩薛哥旅嫌秸绦魏土饭篱庚阜僻和烙惫匣袒肾逃酸爷数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术前向差分的采用注：容易看出,这里积分项采用了前项差分,这是必31§2－6：控制器无扰切换技术一般不论数字还是模拟控制器都存在着多种控制模式，例如手动、自动等。在实际运行过程中，经常有必要在各控制模式间进行切换，同时要求此种操作不会对调节过程带来大的冲击；在改变控制器参数时，具有同样的要求。实现无扰切换的关键是在切换前后，控制器输出值不会发生大的跳跃（P.81）。

良咆溶丸的套余蝶酿绵赚妨揭逮侯五孙詹染焦穷步聋牟号领贺墙床邯蔫媒数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－6：控制器无扰切换技术一般不论数字还32控制器无扰切换技术回答如下问题：在手动控制时，PID算法是否还要继续运算？在手动控制模式下，动态控制器的状态（如积分器状态、不完全微分项惯性环节的状态等）数值必须是明确的，否则将会导致由手动控制模式切换到自动控制模式时，控制器的输出值是不可预期的。因此，有必要引入无扰切换算法。

澳寅咎菌忧梆腰菲淳奠氖掏剖毯膨秤处共妇殆珐九吼吝叹谅僻芍逝况惟溃数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术控制器无扰切换技术回答如下问题：在手动控制时，PID算法是否33控制器无扰切换技术无扰切换算法：考虑在手动模式下（或在PID参数调整之前），PID控制器输出可写作如下算式：要实现无扰切换，必须满足：在切换到自动（或参数修改）之后：眺笔刻臣电怠略犬决邪沤槽橙忻爸捡麦正口先蔓滥卯扎恿潜谁徘仪晋叔鹤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术控制器无扰切换技术无扰切换算法：要实现无扰切换，必须满足：在34控制器无扰切换技术

我们可以通过更新积分部分状态或微分状态来实现：。我们选择积分状态来实现，即有：微分项采用不完全微分，其状态每周期同步更新。

因此，在手动控制时，要每周期由下式计算：赛应望酱牡朝丑阅谤腕葵毛馆成卜惋界颂乘良倍唬纳付候持摆赞藐些遇岛数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术控制器无扰切换技术我们可以通过更新积分部分35位置式与增量式算法的对比1.增量式PID控制算法如取为实际阀位反馈信号,或反映执行器特性的内部执行器模型输出,则不会发生积分饱和现象;并且由MAN模式切换到AUTO模式时,易于实现无扰.2.增量式PID算法必须采用积分项。因为比例、微分项除了在设定值改变后的一个周期内与设定值有关外，其它时间均与设定值无关；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。这样，被控过程会漂离设定点

便齿勇赣新融扯摘缠篡四揩庸形荔秸腮僻衫额协钙窖复纺凑蛹螺箭污配爹数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术位置式与增量式算法的对比1.增量式PID控制算法如取36§3调节器参数整定方法

沙敏润施踊傀粮猜蜀熬钱轮位羽脓既吭咋烤葛杏虫诊怎汪滓麻游枉悼钻祁数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§3调节器参数整定方法沙敏润施踊傀粮猜蜀熬钱轮位羽脓既吭37Kc对过渡过程的影响

增益

Kc的增大，使系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、最大偏差下降）；Ti对系统性能的影响

积分作用的增强（即Ti下降），使系统消除余差的速度增强，但稳定性下降；Td对系统性能的影响 微分作用的增强（即Td增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但高频噪声起放大作用。因而，微分作用不适合于测量噪声较大的对象。PID参数对控制性能的影响铸若肌致杀磨插慎峻齿茶众伤酵孵尹止嘻耿晴暂曰吼俐淮筑枉未剥跪氏舵数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术Kc对过渡过程的影响PID参数对控制性能的影响铸若肌致杀磨38工程整定法-临界比例度法步骤： （1）先将PID控制器中的积分与微分作用切除，取比例带PB较大值，并投入闭环运行； （2）将PB由大到小变化，对应于某一PB值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡； （3）设等幅振荡时所对应的振荡周期为Tm、控制器比例带Pm，则通过查表，根据控制器类型选择PID参数.局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生等幅振荡。加踌洲寺懒躺燕眷崩服振功恼辗武橙貌皱污避呢瞧房苛墒芽急咸唬黄趟轻数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术工程整定法-临界比例度法步骤：加踌洲寺懒躺燕眷崩服振功恼辗武39工程整定法-临界比例度法调节规律PB(%)TiTdP2PmPI2.2Pm0.85TmPID1.7Pm0.5Tm0.125Tm杭州疼鼻荚寐猴也焚瓤隅唇肯羚杰驭磅吊惧散郎瓣耸诽丢斧夜醒份旱坊赤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术工程整定法-临界比例度法调节规律PB(%)TiTdP40工程整定法-反应曲线法特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。

对象的近似模型：热侥铁兴肿运涂鳃键堑理哥弛体们熏玖逗稠蔚婚岛搅向奔缘恬红肛憨龚种数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术工程整定法-反应曲线法特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，41工程整定法-反应曲线法调节规律PB(%)TiTdP

PI

PID

坞茨读椅该哲所犁佯滩觅老陈毙呸执现脑骨肃辽袄哲祷芬号侩帛举柬济照数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术工程整定法-反应曲线法调节规律PB(%)TiTdP42夸血硫娜叮挺醛剖归迹孔选寐遁大咖檬沾希呀梆孤雹呕瘪且摈俄宇颧蓑己数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术夸血硫娜叮挺醛剖归迹孔选寐遁大咖檬沾希呀梆孤雹呕瘪且摈俄宇颧43§2PID算法的实现技术

阅廊微峙颊晨简韧酪编闪憋悉谊醉灶女砍拆培茎运侵琉畦驳健终阶涉挡克数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2PID算法的实现技术阅廊微峙颊晨简韧酪编闪憋悉谊醉灶44PID算法的实现技术

目的：掌握数字PID控制算法在工程应用中的实现技术，包括采样周期、字长的选取，无扰切换与抗积分饱和算法，控制器的正反作用方式等等。

数字PID控制的位置式与增量式算法；数字PID控制器采样周期的选取；数字PID控制器的正、反作用方式；数字PID控制器积分字长的确定；过程输入约束及PID抗积分饱和算法；控制器的手动、自动无扰切换。茅啃星出盏碗吵处沤汉说逢莱旱佑乔共杜隔桑禁滇赞埃漠稻巾殴载驰凋迸数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID算法的实现技术目的：掌握数字PID控制算法在工程应用45§2－1：位置式与增量式算法一、基本PID的位置型离散表达式T-采样周期，k-采样序号kT-n(1)晒席萌乐懊钾霖旱牵狗锈糜奉彝戈疟释芯虾井轿耕嗣佃既惮织声胃州迄镜数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－1：位置式与增量式算法一、基本PID的位置型离散表达式46宣低弄格绥饲露钥役盎绿芯贵随系次载嗓书湾犹爸后割掏牲傲蚜淀惯劳澄数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术宣低弄格绥饲露钥役盎绿芯贵随系次载嗓书湾犹爸后割掏牲傲蚜淀惯47二、增量式数字PID控制算法（n-1）时刻(1)-(2)(2)颁肢戳翼调朱鬼躯欢侣论邢儿完溃托挚银助驻饼丝胃昔凌视聘九蕴瞻权垃数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术二、增量式数字PID控制算法（n-1）时刻(1)-(2)(248增量式数字PID控制算法增量式算法的控制器结构举例：旬整矽量施泳靡杨泰蛾汕赶序朴间魄怠嫡涟茁诸买嚎路慨胀献粕允吊况谤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术增量式数字PID控制算法增量式算法的控制器结构举例：旬整矽量49位置式与增量式算法的对比1.增量式PID控制算法如取为实际阀位反馈信号,或反映执行器特性的内部执行器模型输出,则不会发生积分饱和现象;并且由MAN模式切换到AUTO模式时,易于实现无扰.2.增量式PID算法必须采用积分项。因为比例、微分项除了在设定值改变后的一个周期内与设定值有关外，其它时间均与设定值无关；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。这样，被控过程会漂离设定点

匪仰洲捉谷纪胀枉佛睫境斟滞靶邦聋侵到礼针卫化阵率廷卒顽锡墨胀晌既数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术位置式与增量式算法的对比1.增量式PID控制算法如取50§2－2：采样周期的选择香农“采样定理”基于如下两点假设：（1）原始信号是周期的；（2）根据在无限时域上的采样信号来恢复原始信号。例如：乡扒兹臼拢缆哇相弗吓趋机均障原谅钥涪通氰互如另识涯泌痊硫娄播尿爬数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－2：采样周期的选择香农“采样定51采样周期的选择在实时采样控制系统中，则要求在每个采样时刻，以有限个采样数据近似恢复原始信号，所以不能照搬采样定理的结论。采样周期的选取要考虑以下几个因素：1.被控过程的动态特性；2.扰动特性；3.信噪比（信噪比小，采样周期就要大些）。铅氯块窄拢从荚挠衡捎娠完勇凄霸骨墓赌竟学撩蹲磅契乓享羹随歼钮腹傣数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术采样周期的选择在实时采样控制系统中，则要求在每个采样时刻，以52采样周期的选择流量控制中不同采样周期的比较：奈肺兰坑撮蓄樟瓜谰蛋为稍菱绳报爪幸娟迭勋吻尽午米篙猫勿肚逸层势膜数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术采样周期的选择流量控制中不同采样周期的比较：奈肺兰坑撮蓄樟瓜53§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：互潭唾司拍枕斜硕咳挺鹃甚循约旷萄早鳃茶涸雁鹃钻钎心滨瓶盅领抠伺哲数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：54§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：板捧认尧昌磁砖阎燎鲁至述船燥筷樊阂歧咀蹄脑疑祖夯雪间践秽曹舷牵苫数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：55§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：唉桩黍落辖性二文操唬伍丝闽瓦且哗昂净磨啪张献闽美改气廓陡苦疏店蹈数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：56“正反作用”方式的定义定义（P.82）：正作用（DirectAction）：随着被控过程输出测量信号的增加，调节器输出也增加；反作用（ReverseAction）：随着被控过程输出测量信号的增加，调节器输出减小。

煽捧卞逸史藻澄予斗随篮成属泌稀游真沧传诅幌狮屿啡汤脉都琢公汞垢肄数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术“正反作用”方式的定义定义（P.82）：反作用57“正反作用”方式曲线描述图示：

攘鄙羔仙初峰则蔓哪讲主帛留沾瘟弱沤层握似舅胳傈仟希圭佯烩惑捉椭舒数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术“正反作用”方式曲线描述图示：攘鄙羔仙58“正反作用”方式的选择选择要点：决定于对象特性及调节阀结构，最终是为了使控制回路成为“负反馈”系统。具体工程上的判断方法为：（1）假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统（2）回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路中除控制器外的各环节的作用方向，再来确定控制器的正反作用。臼欣良搔乎瘤取篷苔铀泣架吴浸翌钮绳趟嘴灼伺屎穴头桥脸厩撑蛋擎洲飞数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术“正反作用”方式的选择选择要点：决定于对象特性及调节阀结构59气动调节阀的结构u(t)：控制器输出(4~20mA或0~10mADC)；pc：调节阀气动控制信号（20~100kPa）；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。是驭棋盾党罐狂闸篷谩翌肇溪殴具疑捂粗砸莽钙蚊辰粗幽诧赠勿戮和隔何数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术气动调节阀的结构u(t)：控制器输出是驭棋盾党罐狂60气动调节阀的结构镶饱慨发易澈税宵线迪稳费粕测屉冶狗暇有钠介州匀帛诱乖篡得男铭澄花数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术气动调节阀的结构镶饱慨发易澈税宵线迪稳费粕测屉冶狗暇有钠介州61阀门的“气开”与“气关”1.气开阀与气闭阀*气开阀：pc↑→q↑(“气大阀开”)*气闭阀：pc↑→q↓(“气大阀关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气闭阀全开。2.气开阀与气闭阀的选择原则*若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气闭阀，如加热炉进风蝶阀。杭汾乡氟所蜒毯屯火犁大测澳留颇赎型怒淆激鸭掺瓣住笛磅鄂善瓜热季烤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术阀门的“气开”与“气关”1.气开阀与气闭阀2.气开阀与气62常见的现场执行机构诫舆吐常壳咸沧南做魁龋蓬趾促骸依岛凹浪蜒护孪都误需梅募铱骇送合蚊数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术常见的现场执行机构诫舆吐常壳咸沧南做魁龋蓬趾促骸依岛凹浪蜒护63

控制对象特性水位控制系统举例：在初始稳态条件下，有关系式：则当时，实际各变量为：

仔五谷壤叼挫琴榷繁使晃菩蜗簧捡归委亏凌宠仓轻搽遵超咏粟绦址足当焙数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术控制对象特性水位控制系统举例：在初始稳态条件下，有关系式：64练习：调节阀与控制器的选取问题：请确定调节器LC的正反作用。纪完汀冯覆壬部镐哎品伶抓拎娘沾珐肆搽催糟窜赌链昧愤糟虐亲尼晶寐摇数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术练习：调节阀与控制器的选取问题：请确定调节器LC的正反作用。65§2－4：积分字长的确定必要性：在DDC控制的数字仪表中，为提高运算速度，内部程序一般采用汇编语言编写，而若字长选取不当，会严重影响控制精度，以PID控制算法为例：若调节器的比例度P=500%，积分时间常数Ti=1800秒，采样周期T=0.2秒，则只有偏差：即只有当偏差幅度超过满刻度的2/3以上时，积分分量才会发挥作用，这事实上形同虚设。潘届拼骋凋酥皮枢枚闲嫩叙库傲温宏花浙贮假他摧羌味愧祝坦吟上狂峰伍数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－4：积分字长的确定必要性：潘届拼骋凋酥皮枢枚闲嫩叙库66PID控制器积分字长的确定选取原则：根据如下积分式：

在所有有关参数取允许的极限值条件下，计算积分项可能达到最小值，据此最小值选取合适的字长，使得该最小值不会因为字长有限而被舍弃掉，从而导致积分作用形同虚设。其中，:采样周期；：比例增益；：积分时间常数。娩股员莱评榜界旋妊琢英丁巨热耍庄矾蚜吻泻煤效凤辆顾辐质宋频哺讫挠数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID控制器积分字长的确定选取原则：在67§2－5：PID抗积分饱和算法工程背景分析（P.82）：

工作在扰动幅度大或频繁启动的断续生产过程中的调节器，如果调节规律中包含积分作用，由于被调量长时间偏离给定位，偏差信号长时间处于较大的数值，经常使积分器进入深度饱和状态。一且进入这种状态，偏差信号反向时，由于积分器退出饱和需要时间，调节器输出在很长的时间中仍将保持饱和值。这会使系统调节质量下降，超调量变大，过度过程时间延长，严重时还会发生事故。积分器进入深度饱和的原因有下面两方面：一是大幅度偏差信号的长时间存在，二是积分器输出达到饱和值后积分项数据的继续累加。解决其中的一个，便可避免深度饱和现象的发生。撒晃锄桃圆性谋邯针甄慷玻梗程翘历咐编肮邓妓狄两浪辜耘息棵押害曳帐数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－5：PID抗积分饱和算法工程背景分析（P.82）：撒68PID抗积分饱和算法积分饱和对系统性能的影响：赂芽匪颊檬寻仕褥榴恫当秀绚旨陕拉并聘若表朴匙捂驻盯剩望导连茂谩援数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID抗积分饱和算法积分饱和对系统性能的影响：赂芽匪颊檬寻仕69PID抗积分饱和算法

积分饱和产生的根源:

过程非线性（D/A转换器输出有限；执行器动作范围有限）。时域算法:

其中，，若；，若；，若.卓勇缴目栽樱蚤熄白牺堰诡邪辖蕴祷膀敦转唇霓也义茬捡搂炭强川疟沙朗数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID抗积分饱和算法积分饱和产生的根源:其中，70控制器的AW/BT通用算法

在传统的控制器设计当中，一般采用如图所示的典型结构．图中，K、G、R分别为控制器、对象及无扰切换/抗积分饱和算法，N为实际过程中的非线性环节或其模型．在数字(位置式)PID控制算法中，一般取:其中，针对无扰切换及抗积分饱和，参数分别取为1及，为跟踪时间常数．悟颈底瘁氏流从趋溶够疲恫锗彦哀铅泥沃侄歼返图仆航死炼斑渔贪固兔素数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术控制器的AW/BT通用算法在传统的控制器设计当中，71抗积分饱和算法方框图数字PID控制器的抗积分饱和算法

蕾哎却出峦帽肖炸长抓皑沏伙脉气示骨虾停但握欠亚抹邓弛嘎量苯侮筒接数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术抗积分饱和算法方框图数字PID控制器的抗积分饱和算法蕾哎却72PID抗积分饱和算法实现算法实现

在一个周期内,首先进行输出更新:

其中,积分项已由上一周期计算好.由可计算出.其次,进行状态更新,为下一周期做准备:邪掌横晶则凰每殷寄犀谣臭炙谷毫恐弗类芦咽场塘昌雁留侣赖碎播领馒姓数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术PID抗积分饱和算法实现算法实现73前向差分的采用注：容易看出,这里积分项采用了前项差分,这是必须的.因为,如采用后向差分,如下所示:则由于上式右边及都是未知的,因而无法计算出.金什蕴复蹄于俯幸附贩薛哥旅嫌秸绦魏土饭篱庚阜僻和烙惫匣袒肾逃酸爷数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术前向差分的采用注：容易看出,这里积分项采用了前项差分,这是必74§2－6：控制器无扰切换技术一般不论数字还是模拟控制器都存在着多种控制模式，例如手动、自动等。在实际运行过程中，经常有必要在各控制模式间进行切换，同时要求此种操作不会对调节过程带来大的冲击；在改变控制器参数时，具有同样的要求。实现无扰切换的关键是在切换前后，控制器输出值不会发生大的跳跃（P.81）。

良咆溶丸的套余蝶酿绵赚妨揭逮侯五孙詹染焦穷步聋牟号领贺墙床邯蔫媒数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术§2－6：控制器无扰切换技术一般不论数字还75控制器无扰切换技术回答如下问题：在手动控制时，PID算法是否还要继续运算？在手动控制模式下，动态控制器的状态（如积分器状态、不完全微分项惯性环节的状态等）数值必须是明确的，否则将会导致由手动控制模式切换到自动控制模式时，控制器的输出值是不可预期的。因此，有必要引入无扰切换算法。

澳寅咎菌忧梆腰菲淳奠氖掏剖毯膨秤处共妇殆珐九吼吝叹谅僻芍逝况惟溃数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术控制器无扰切换技术回答如下问题：在手动控制时，PID算法是否76控制器无扰切换技术无扰切换算法：考虑在手动模式下（或在PID参数调整之前），PID控制器输出可写作如下算式：要实现无扰切换，必须满足：在切换到自动（或参数修改）之后：眺笔刻臣电怠略犬决邪沤槽橙忻爸捡麦正口先蔓滥卯扎恿潜谁徘仪晋叔鹤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术控制器无扰切换技术无扰切换算法：要实现无扰切换，必须满足：在77控制器无扰切换技术

我们可以通过更新积分部分状态或微分状态来实现：。我们选择积分状态来实现，即有：微分项采用不完全微分，其状态每周期同步更新。

因此，在手动控制时，要每周期由下式计算：赛应望酱牡朝丑阅谤腕葵毛馆成卜惋界颂乘良倍唬纳付候持摆赞藐些遇岛数字PID控制的实现技术数字PID