[工学]第五章 PID控制算法.ppt

第五章 PID控制算法 PID控制的本质 5.1 PID控制原理与程序流程 5.1.1 过程控制的基本概念 PID 控制原理与程序流程 过程控制系统分类 PID控制算法 模拟过程控制系统 控制规律通常采用比例,积分,微分关系或由此作出的简化形式,这些关系的实现,必须通过相应的硬件来完成. PID控制算法 微机过程控制系统 在计算机控制系统中,控制规律的实现,是通过软件来完成的. PID控制算法 微机过程控制系统的种类 1. 生产过程的巡回检测和数据处理 微机过程控制系统 2. 直接数字控制DDC(Direct digital control): 计算机过程控制系统 3. 计算机监督控制SCC (Supervisory computer control) 4. 分级分布控制系统 5. 集成自动化系统： 5.1.2 模拟PID调节器 在模拟控制系统中,调节器最常用的控制规律是PID控制.常规模拟PID系统原理框图 模拟PID调节器 PID控制器的微分方程和传递函数形式为: 式中各物理量的含义 模拟PID调节器 PID调节器各校正环节的作用P162 各种控制规律单独或组合构成的常用控制规律: (1)比例控制:比例控制实际上是一个放大器控制规律如下: 其作用主要用于加强系统的调节作用,增益Kp越大,调节作用越强,系统的响应性能越好,但是Kp值过大,会导致系统不稳定.比例控制存在稳态误差,增大Kp值可以减小稳态误差,但不能消除稳态误差.对于干扰较大,惯性也较大的系统,不宜单独使用比例控制. 模拟PID调节器 (2)比例积分控制. 在比例控制的基础上加上积分控制 ,既可以保证系统的快速响应性,又可消除的稳态误差,使系统的稳态和瞬态特性都能得到改善,因而应用比较广泛.其控制规律如下: 模拟PID调节器 (3)比例微分控制.在比例微分控制器中,由于微分控制作用的加入,可缩短瞬态响应的过度过程,使系统稳定性和动态精度都得到提高.但是比例微分控制不能消除稳态误差.比例微分控制对具有较大容量滞后(如温度控制中由物体热容量引起的滞后)的系统具有显著的控制效果.控制规律如下: 模拟PID调节器 (4) PID控制 . PID控制兼有比例.积分和微分三种控制规律的优点,可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性都得到改善,因而应用最为广泛. 5.1.3 数字PID控制算法 计算机控制系统的典型结构： 模拟PID调节规律的离散化 模拟PID控制系统框图： 将微分方程进行离散化 若设采样周期为T，初始时刻为0，则控制律的离散形式为 这种直接形式的控制律的缺点是占用大量内存。 数字PID控制器 为了方便编程,将上式整理成如下格式: PID算法的程序流程 一.增量型PID算法的程序流程 5.2 数字PID控制器算法的改进 1. 带有死区的PID控制 在控制精度要求不高的场合，能减少由于频繁动作引起的振荡和能量消耗。 控制算式和传递特性图分别为： 数字PID控制器算法的改进 2. PID位置算法中积分饱和的抑制 在系统偏差较大时，控制PID 算法中积分项的作用，减少由于积分饱和引起的振荡和超调。 （1）积分分离的PID控制 数字PID控制器算法的改进（续） （2）遇限削弱积分法 在实际控制中，控制量的大小总是受到执行机构的限制，而被限定在一定的范围内。因此该方法以此来决定是否引入积分控制和控制的方向。 数字PID控制器算法的改进 3. PID增量算法中比例和微分饱和的抑制 控制偏差过大时，比例和微分饱和会使控制量超出实际范围，超出部分将不被执行，影响系统的动态性能。 因此，实际操作中将超出部分存储累积，而当控制量在有效范围内时再将存储部分加入，达到补偿的效果。 带一阶延迟滤波器的数字PID控制器算法 为了抗高频干扰，数字控制系统中一般需要加入一阶延迟滤波器，也叫微分限制环节。 其传递函数和对应的差分方程为： 带一阶延迟滤波器的数字PID控制器算法（续） 加入了一阶延迟滤波器后的PID控制器传递函数为： 其中去掉滤波环节后的部分为典型的PID形式： 带一阶延迟滤波器的数字PID控制器算法（续） 将整个系统分解成几个部分 各部分的差分形式为： 微分部分： 积分部分： 比例部分： 数字PID控制器的程序实现 经过整理，化简后的控制律为： un=un-1+K(a0en+a1en-1+a2en-2) 程序编制 数据运算 数的处理 小数的处理 正负数运算（利用补码进行计算） 乘法运算 数字滤波器 干扰的种类： 慢随机干扰：电源频率、工业干