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7.2.1数字PID控制器的设计
为了把上式变换成差分方程,取采样很小,设 1. 位置型控制算法 由于计算机控制系统是一种采样控制系统,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量,因此,必须将PID调节器离散化,用差分方程来代替连续系统的微分方程。 模拟PID控制规律: 7.2.2 PID算法的离散形式 微分用后向差分近似得: 积分用累加求和近似得: 其中,T为采样周期;e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值e(kT);e(k-1)为系统第k-1次采样时刻的偏差值。 将式(2)和式(3)代入式(1),可得离散的PID表达式为: 由于上式表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k),如阀门的开度,所以被称为位置型数字PID控制算法,其控制原理如下图所示。 位置型数字PID控制示意图 所谓增量型PID,是对位置型PID取增量,这时数字控制器输出的是相邻两次采样时刻所计算的位置值之差,即: 2. 数字PID增量式控制算法 为了编程方便,可将上式整理成如下形式: Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2) 其中, 如果控制系统的执行机构采用步进电机,在每个采样周期,控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加,此时控制器应采用增量型数字PID控制算法,其控制原理如下图所示。 数字PID增量式控制示意图 增量式PID控制算法程序框图 控制器的输出相对于控制量的增加,此时控制器应采用数字PID增量式控制算法。 数字PID控制算法实现方式比较 执行机构采用调节阀 控制量对应阀门的开度表征了执行机构的位置,此时控制器应采用数字PID位置式控制算法。 执行机构采用步进电机 若执行机构不带积分部件,其位置和计算机输出的数字量对应(如电液伺服阀),就要采用位置式算式;若执行机构带积分部件(如步进电机或步进电机带动阀门等),就可选用增量式算式。 (2)增量式算法得出的是控制量的增量,例如在阀门控制中,只输出阀门开度的变化部分,误动作影响小,必要时还可通过逻辑判断限制或禁止本次输出,不会严重影响系统的工作。 增量型算法的特点: (1)增量式算法不需要做累加,控制量增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关,计算误差对控制量计算的影响较小。而位置式算法要用到过去偏差的累加值,容易产生较大的累加误差。 Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2) 增量型算法: 位置型算法: (3)采用增量式算法,易于实现手动到自动的无冲击切换。 * 连续信号与离散信号的转换通过采样器,A/D转换器,D/A转换器,保持器实现的。 * * 在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID 控制,又称PID调节。?PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制? 的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为?方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合PID控制技术. * 比例控制不能克服较小的偏差E:一般的机械电子设备总是具有运动阻力F,当输出量的绝对值X小于F是,调节机构不再动作,使得对应于X的偏差不能被克服。当D(F-X0)/KP时,XF 对于反应灵敏、放大能力强的被控对象,为提高系统的稳定性,应当使比例度稍小些;而对于反应迟钝,放大能力又较弱的被控对象,比例度可选大一些,以提高整个系统的灵敏度,也可以相应减小余差。 积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间越小,控制作用越强;反之,控制作用越弱。 积分控制虽然能消除余差,但它存在着控制不及时的缺点。因为积分输出的累积是渐进的,其产生的控制作用总是落后于偏差的变化,不能及时有效地克服干扰的影响,难以使控制系统稳定下来。所以,实用中一般不单独使用积分控制,而是和比例控制作用结合起来,构成比例积分控制。这样取二者之长,互相弥补,既有比例控制作用的迅速及时,又有积分控制作用消除余差的能力。因此,比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。 比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器,多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差,弥补了纯比例控制的缺陷,获得较好的控制质量。但是积分作用的引入,会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统,要尽量避免使用。 微分作用反映系统偏差信号的变化率,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,在偏差还没有形成之前,已被微分作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下。可以减少超调,减少调节时间。微分对噪声干扰信号
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