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第9章数字pid控制算法
第九章 数字PID控制 本章重点 什么是PID调节器 连续系统PID控制规律 数字PID控制规律 数字PID算法的改进 数字PID调节器参数整定 引言 PID控制实现的控制方式 ◆ 模拟方式:用电子电路调节器,在调节器中,将被测信号与给定值比较,然后把比较出的差值经PID电路运算后送到执行机构,改变给进量,达到调节之目的。 ◆ 数字方式:用计算机进行PID运算,将计算结果转换成模拟量,输出去控制执行机构。 引言 PID的优点: 技术成熟 、结构简单、易于调整 不需要建立数学模型 控制效果好 连续控制系统的PID控制规律(续) 1. 比例调节器(P) 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入偏差信号成比例关系。微分方程为: u(t)=KPe(t) (9-3) 式中: u(t)为调节器输出;Kp为比例系数;e(t)为调节器输入偏差。由上式可以看出,调节器的输出与输入偏差成正比。因此,只要偏差出现,就能及时地产生与之成比例的调节作用,具有调节及时的特点。比例调节器的特性曲线,如图所示。 PID算法的数字实现 位置式PID算法 增量式PID算法 PID算法的程序实现 位置式与增量式PID控制算法的比较 增量式PID算法只需保持当前时刻以前三个时刻的误差即可。它与位置式PID相比,有下列优点: (1)位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关,计算式中要用到过去误差的累加值,因此,容易产生较大 的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量,计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。 (2)控制从手动切换到自动时,位置式PID算法必须先将计算机的输出值置为原始阀门开时,才能保证无冲击切换。若采用增量算法,与原始值无关,易于实现手动到自动的无冲击切换。 PID控制算法的程序设计 位置式PID控制算法的程序设计 PID控制算法的程序设计 增量式PID控制算法的程序设计 初始化时,需首先置入调节参数 d0,d1,d2和设定值w,并设置误差 初值ei = ei–1 = ei–2 = 0 数字PID算法的改进 积分饱和作用及其抑制 ◆ 积分饱和:如果执行机构已到极限位置,仍然不能消除偏差,由于积分的作用,尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小,但执行结构已无相应的动作,控制信号则进入深度饱和区。 ◆ 影响:饱和引起输出超调,甚至产生震荡,使系统不稳定。控制品质变坏 ◆ 改进方法:遇限削弱积分法、积分分离法、有效偏差法 数字PID算法的改进 遇限削弱积分法 基本思想:一旦控制量进入饱和区,则 停止进行增大积分的运算。 数字PID算法的改进 积分分离法 基本思想:当被控量和给定值偏差大时,取消积分控制,以免超调量过大;当被控量和给定值接近时,积分控制投入,消除静差。 数字PID算法的改进 有效偏差法 基本思想:当算出的控制量超出限制范围时,将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值进行积分,而不是将实际偏差值进行积分。 数字PID调节器的整定 PID整定的理论方法 — 通过调整PID的三个参数KP、TI、TD ,将系统的闭环特征根分布在 s 域的左半平面的某一特定域内,以保证系统具有足够的稳定裕度并满足给定的性能指标 — 只有被控对象的数学模型足够精确时,才能把特征根精确地配置在期望的位置上,而大多数实际系统一般无法得到系统的精确模型,因此理论设计的极点配置往往与实际系统不能精确匹配 数字PID调节器的整定 理论整定方法:依赖于被控对象的数学模型; 仿真寻优方法 工程整定方法:近似的经验方法,不依赖模型。 扩充临界比例带法 扩充响应曲线法 数字PID调节器的整定 扩充临界比例带法-是模拟调节器中使用的临界比例带法(也称稳定边界法)的扩充,是一种闭环整定的实验经验方法。 步骤: ①选择短的采样频率:一般选择被控对象纯滞后时间的十分之一 ②去掉积分与微分作用,让系统在纯比例的作用下,逐渐较小比例度δ (δ =1/kr),直到系统发生持续等幅振荡。纪录发生振荡的临界比例度和周期δr及Tr,根据Ziegler-Nichols 提出的如表所列的经验规则,直接查表得到PID参数。 数字PID调节器的整定 数字PID调节器的整定 扩充响应曲线法-与上述闭环整定方法不同,扩充响应曲线法是一种开环整定方法。如果可以得
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