第四章计算机控制系统的常规控制技术讲述.ppt

第4章 计算机控制系统的常规控制技术 1. 数字PID控制 2. 最少拍控制 3. 纯滞后控制 本章主要内容 本节主要内容 1．模拟PID调节器 2．数字PID控制器的实现 3．数字PID算法的改进 4．数字PID参数的整定 5．PID控制的新发展 4．1 数字PID控制 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID调节器，是在连续系统中技术最为成熟，应用最为广泛的一种调节器。 PID调节器结构简单、参数易于调整，当被控对象精确数学模型难以建立、系统的参数又经常发生变化时，应用PID控制技术，在线整定最为方便。 在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PID算法代替了模拟PID调节器。 1．用经典控制理论设计连续系统模拟调节器，然后用计算机进行数字模拟，这种方法称为模拟化设计方法。 2．应用采样控制理论直接设计数字控制器，这是一种直接设计方法（或称离散化设计） 数字PID控制器的设计是按照 1 进行的。 连续生产过程中,设计数字控制器的两种方法: 1.模拟PID调节器 图l 模拟PID控制 PID控制器是一种线性控制器； 根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。 PID调节器的基本结构 1. 比例调节器 2. 比例积分调节器 3. 比例微分调节器 4. 比例积分微分调节器 控制规律： 其中： 为比例系数； 为控制量的基准。 比例调节的特点：比例调节器对于偏差是即时反应，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。只有当偏差发生变化时，控制量才变化。 （1）比例调节器 缺点：不能消除静差； 过大，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。 图2 P调节器的阶跃响应 （2）比例积分调节器 控制规律： 积分调节的特点：调节器的输出与偏差存在的时间有关。只要偏差不为零，输出就会随时间不断增加，并减小偏差，直至消除偏差，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。 其中： 为积分时间常数。 缺点：降低响应速度。 图 3 PI 调节器的阶跃响应 0 0 u p K p K 0 t i T u t 1 1 0 t 0 e t （3）比例微分调节器 控制规律： 其中： 为微分时间常数。 微分调节的特点：在偏差出现或变化的瞬间，产生一个正比于偏差变化率的控制作用，它总是反对偏差向任何方向的变化，偏差变化越快，反对作用越强。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。 缺点： 太大，易引起系统不稳定。 （4）比例积分微分调节器 控制规律： 比例积分微分三作用的线性组合。 在阶跃信号的作用下，首先是比例和微分作用，使其调节作用加强，然后是积分作用，直到消除偏差。 2．数字PID控制器 当采样周期足够小时，在模拟调节器的基础上，通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。 可作如下近似: 式中，T为采样周期，k为采样序号。 两种标准的数字PID控制算法 （l）数字PID位置型控制算法 控制算法提供了执行机构的位置。 式中： 或： （2）数字PID增量型控制算法 由位置型算法 又∵ ，得： 得： 增量型算法只需保持前3个时刻的偏差值。 （3）两种标准PID控制算法比较 图6 两种PID控制算法实现的闭环系统 （a）位置型 （b） 增量型 算法比较 ： （1）增量型算法不需要做累加，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差。 （2）增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。 （3）采用增量型算法，由于算式中不出现 项，则易于实现手动到自动的无冲击切换。 3. 数字PID控制算法的改进 1. 什么是饱和效应？ 在实际过程中，控制变量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围内，即 其变化率也有一定的限制范围，即 如果计算机给出的控制量在所限制范围内，能得到预期结果；若超出此范围，实际执行的控制量就不再是计算值，将得不到期望的效果。这种效应称为饱和效应。 2. 抑制饱和的方法 过程的起动、结束、大幅度增减设定值短时间内系统的输出会出现很大的偏差，致使积分部分幅值快速上升。由于系统存在惯性和滞后，这就势必引起系统输出出现较大的超调和长时间的波动，特别对于温度、成分等变化缓慢的过程，这一现象更为严重，有可能引起系统振荡（即积分饱和现象）。采用积分分