第5章_数字PID控制器设计(20060422).ppt

什么是PID控制算法？ 　　 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。它是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。 　　 本章将着重介绍数字PID控制算法以及与此有关的问题。 5.2　准连续PID控制算法 5.2.2　数字PID控制算法 5.2　准连续PID控制算法 位置式与增量式PID算法结构比较 5.3　对标准PID算法的改进 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 5.4.2　前馈控制 前馈－反馈控制的优点 □可简化前馈控制系统，只须对影响被控参数最显著的干扰进行补偿，而对其他许多次要的干扰仍由反馈予以克服，这样即保证了精度又简化了系统。 □由于反馈回路的存在，降低了对前馈控制算式精度的要求。 □前馈－反馈控制可实现控制精度高、稳定性好和控制及时。 □提高了前馈控制模型的适应性。 Smith预估的模型补偿控制原理 加Smith预估器等效系统方框图 数字Smith预估控制系统 5.4.1　串级控制 串级控制系统方框图 主回路的偏差 主回路的控制算式的增量输出 主回路的控制算式的位置输出 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 计算副回路控制算式的增量输出 计算副回路的偏差 计算主回路的位置输出（即副回路的设定）也可采用下列的改进算法： 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 前馈控制方框图 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 　　假设扰动变量V及控制变量M对被控变量Y的作用可以线性叠加，获得系统对扰动V完全补偿的前馈算式可由下式求得： 完全补偿的条件是： 前馈控制补偿器的传递函数 5.4 由数字PID控制器演变的变型控制器 　　在应用前馈控制时，关键是要了解对象各个通道的动态特性，但它们常常需要高阶微分方程或差分方程来描述，处理起来较复杂。目前工程上结合其它措施大都采用一个具有纯滞后的一阶或二阶惯性环节来近似描述被控对象各个通道的动态特性。实践证明，这种近似处理的方法是可行的。 设对象的干扰通道和控制通道的传递函数分别为： 代入平衡方程有： 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 对应的微分方程 其中 代入上式有 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 整理可得相应的差分方程 　　在实际使用中，单纯的前馈控制是不能满足生产要求的，因此，工程上广泛将前馈控制与反馈控制结合运用，构成前馈－反馈控制系统。 前馈－反馈控制系统框图 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 可以写出被控参数Y(s)对干扰V(s)的闭环传递函数（R(s)=0） 化简可得干扰作用下的闭环传递函数 在完全补偿情况下有 即 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 　　1957年Smith在研究具有时滞的系统控制时提出了这一方法。工业过程中的许多对象具有纯滞后特性。例如，物料经皮带传送到秤体，蒸汽在长管道内流动至加热罐，都要经过一定的时间后才能将控制作用送达被控量，即有纯时间的滞后。这个时间滞后使控制作用不能及时得到反应，扰动作用不能及时被察觉，延误了控制，会引起系统的超调和振荡。 5.4.3　 Smith预估器（纯滞后补偿算法） 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 有纯延迟的单回路反馈控制系统 带有Smith预估器的系统 补偿器的传递函数 5.4　由数字PID控制器演变的变型控制器 * * 第5章 数字PID控制器设计 5.1 基本PID控制算法 5.2 准连续PID控制算法 5.3 对标准PID控制算法的改进 5.4 PID调节参数选择 　　“PID控制器作为工业控制中的主导控制器结构，其获得成功应用的关键在于，大多数过程可由低阶动态环节（一阶或二阶惯性加纯滞后）近似逼近，而针对此类过程，PID控制器代表了一个实用而廉价的解。” 控制系统性能分析 受控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大 参数； 被控过程（或对象）举例 水位控制： 换热器： 管式加热炉： 5.1 基本PID控制算法 5.1.1 比例作用 假设在初始稳态（平衡工况）条件下，有直流分量： 当 时，在外界扰动影响下，实际各变量为： 考虑设定值阶跃扰动，在稳态条件下，有比例运算式： 当 时，设定值阶跃输入导致的稳态偏差为： 以上结果也可直接从静态比例控制系统结构方框图获得。由上式可以看到，控制器的直流增益越大，控制稳态误差越小。 5.1 基本PID控制算法 比例带的定义 定义：当比例增益 是无量纲数时，有 物理意义：使控制器输出与偏差输入成比例（即线性）的测量值变化区间大小的度量。 5.1 基本PID控制算法 5.1.2 积分作用 时域上看：只