计算机控制系统第5章技术总结.ppt

第5章 计算机控制系统的间接设计方法 ------数字PID控制算法;一、PID控制器的控制作用;例：若偏差e(t)为一个阶 跃信号，则比例控制器的响 应关系如图所示;2、比例、积分（PI）控制器;Ti为积分时间： Ti ↑， u(t) →kpe(t) ，即积分项作用越小，超调↓，稳定性↑，适宜温度等滞后较大控制对象的控制。 Ti ↓，积分作用大，速度快， u(t) ↑，适宜管道压力、流量等滞后不大的对象。 所以， Ti也要根据对象选择。 注意：加入积分控制时，比例控制量要适当降低，为积分控制量腾出作用空间 。;3、比例、积分、微分（PID）控制器; 偏差变化越快，微分作用项越大，控制量就越大，故微分作用的加入有助于减小超调、克服振荡，有助于系统稳定。它加快了系统的动作速度，缩短了调整时间，从而改善了系统的动态性能。;5.1.2 PID控制器; 1．模拟PID调节器 ;对应的模拟PID调节器的传递函数为 ;2.数字PID控制器 ;(1)数字PID位置型控制算法;3、数字PID控制算法实现方式比较 ;增量式控制算法的优点： (1)增量算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。 (2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中、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。而位置算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。 (3)采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。;5.2 数字PID控制器的改进 ;5.2.1 积分项的改进 ;(1)积分分离（重点*****）;图5-2 标准PID控制的积分作用;积分分离PID算法的基本思想：在偏差较大时，暂时取消积分作用；当偏差小于某个阈值时，才将积分作用投入。 1) 根据实际需要，人为地设定一个阈值。 2) 当|e(k)|＞ε，也即偏差值较大时，采用PD控制，可避免大的超调，又使系统有较快的响应。 3) 当|e(k)|≤ε，也即偏差值较小时，采用PID控制或PI控制，可保证系统的控制精度。 ;位置型PID算式(5-5)的积分分离形式 ;; 阈值ε的取值将会影响控制效果。 ε过大，起不到积分分离的作用； ε过小，则被控量y(k)无法跳出积分分离区，也即偏差e(k)一直处于积分控制区域之外。长期只用P控制或PD控制，将使系统产生静差。 ;2. 遇限削弱积分PID控制算法 ;5.2.2 微分项的改进 ;图5-4 不完全微分PID控制器 ;对图5-4，设低通滤波器传递函数为 则可导出不完全微分PID控制算式如下： 离散化，得位置型控制算式 式中， ， 增量型控制算式为： ;对图5-4b，;图5-5 不完全微分PID控制的阶跃响应 a)标准PID控制 b)不完全微分PID控制 ;2. 微分先行PID控制算法; 微分先行PID控制的特点是只对被控量y(k)进行微分，而不对偏差e(k)进行微分，也即给定值r(k)无微分作用。这种控制策略适用于给定值频繁升降的场合，可以避免给定值升降所引起的系统振荡，明显地改善系统的动态特性。 微分先行增量型控制算法为 ;5.2.3 其他改进算法 ;死区的输入输出特性 式中，死区e0是一个可调参数，其值根据系统性能的要求由实验确定。 e0过小，使得控制动作频繁，达不到预期的目的； e0过大，则使系统产生较大的滞后，会影响系统的稳定性。;2. 提高积分项积分精度;5.3 数字PID控制的整定;5.3.1 PID控制器参数对控制性能的影响 ;H(s)为零阶保持器，设T=0.1s， ;图5-9 不同Kp时的阶跃响应波形 a)Kp=1 b)Kp=2 c)Kp=4 d)Kp=8;2. 积分时间常数对控制性能的影响 积分控制通常是与微分控制、比例控制配合使用，构成PI控制或PID控制。 (1) 对动态特性的影响 积分控制使得系统的稳定性下降。Ti变小，系统振荡次数增多，甚至不稳定； Ti变大，则对系统性能的影响减小。 (2) 对稳态特性的影响 积分控制能消除系统的静差，提高系统的控制精度。若Ti太大，积分作用太弱，则不能减少静差。;图5-10 不同Ti时的阶跃响应波形 a) Ti=10 b) Ti=1 c) Ti=0.5 d) Ti=0.25;3. 微分时间常数对控制性能的影响 微分控制通常与比例控制、积分控制配合使用，构成PD控制或PID控制。微分控制主要用于改善系统的动态性能，如减少超调量和调节时间。;图5-11 不同Td时的阶跃响应波形 a) Td=0.05 b) Td=0.1