控制技术电子教案(第6节).ppt

6.3 数字PID控制器的改进 ? 采用改进的PID算法可发挥计算机运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活的优势。 ◆ 积分项的改进 ▼ 积分分离：偏差e(k)较大时，取消积分作用；当偏差e(k)较小时才将积分作用引入。 ? 当︱e(k)︱＞β时，采用PD控制； 当︱e(k)︱≤β时，采用PID控制。 ? 分离阀值β的选取，根据具体控制对象及要求定。 图6.16 ▼ 抗积分饱和：对计算出的控制量进行限幅，达到限幅时切掉积分作用。 ? 当u(k) 00H时，取u(k) = 0； 当u(k) FFH时，取u(k) = FFH 。 ▼ 采用梯形积分：提高积分的运算精度，以有效消除残差。 ▼ 消除积分不灵敏区：当计算机的运行字长较短，采样周期T也短，而积分时间TI又较长时，积分输出项ΔuI(k)易出现小于字长精度而丢掉。 ? 某温度控制系统，温度量程为0 ~ 1275℃，采用8位字长运算，如e(k)5℃时，ΔuI(k)1作为0计算。 图6.17 ? 消除积分不灵敏区的措施 1）增加A/D转换位数，加长运算字长，提高运算精度。 2）累加n次小于输出精度的积分项ΔuI(k) 。 ◆ 微分项的改进 ▼ 不完全微分PID算法：在PID控制输出串联一阶惯性环节，来降低由高频扰动导致的微分作用响应过于灵敏，抑制控制过程震荡。 图6.18 图6.19 ? 数字化后 ▼ 微分先行PID算法：只对被控量y(t)微分，不对偏差量e(t)微分，避免给定值升降给控制系统带来的冲击。 图6.20 图6.21 ◆ 带死区的PID控制 ? 该系统为一非线性控制系统 6.4 数字PID控制器的参数整定 ◆ 采样周期的选择 ▼ 满足香农采样定理 ? 系统确定的采样周期的界限Tmin与Tmax ▼ 采样周期的选择应考虑的其他因素 1）给定值的变化频率；频率越高，采样周期应越短； 2）被控对象的特性；被控对象是较快系统，采样周期应取得较小； 3）执行机构的类型；执行机构的动作惯性大，采样周期应较大些。 4）控制算法的类型；采样周期太小，积分、微分作用不明显；也应考虑控制算法的运算时间； 5）控制的回路数与采样周期的关系： ? Tj是第j回路控制程序执行时间和输入输出时间 ◆ 按简易工程法整定PID参数 ▼ 扩充临界比例度法 ① 选择一个足够短的采样周期，为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。 ② 去掉积分和微分作用，逐渐减小比例度δ=1/KP，直到系统发生持续的等幅振荡，得到这时的临界比例度δk及系统的临界振荡周期Tk。 ③ 选择控制度： ④ 根据选定的控制度，查下表，求得T、KP、TI 、 TD的值。 ▼ 扩充响应曲线法 图6.22 ? 突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号，在响应曲线中求得滞后时间τ和被控对象时间常数Tτ 。 ? 由滞后时间τ和被控对象时间常数Tτ查下表，可得T、KP、TI 、 TD的值。 ▼ 归一参数整定法 ? 令T=0.1Tk；TI=0.5Tk；TD=0.125Tk。Tk为纯比例作用下的临界振荡周期。 ? 化简为Δu(k)=KP[2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2)] ? 观察控制效果，选定KP。 作业： P142: 6-1, 6-3 东南大学计算机学院 计算机控制技术 主讲教师： 徐造林 第6章 数字控制器的模拟化设计技术 6.1 数字控制器的连续化设计方法 ? 计算机控制系统的设计：根据系统的性能指标，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法； ? 两种设计方法：离散化设计方法和连续化设计方法；本章主要讲述连续化设计方法。 ? 忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器； ? 在s域中按连续系统进行初步设计，通过近似离散为数字控制器，由计算机程序来实现。 ? 设计的问题是根据系统的性能指标和G(s)来设计出数字控制器D(z)。 图6.1 ◆ 设想的连续控制器 图6.2 ◆ 选择采样周期T ? 计算机控制系统中的零阶保持器H(s)完成连续信号的恢复； ? 零阶保持器的传递函数： ? 对H(s)作一定的化简处理 ? 上式表明零阶保持器H(s)可用半个采样周期的时间滞后环节来近似。 ? 采样周期选择： ◆ 将D(s)离散化为D(z) 1）双线性变换法 ? 上式可由积分梯形法求得 2）前向差分法 ? 上式可由数值微分法求得 3）后向差分法 ? 上式可由后向差分得到 例：求连续环节D(s)=K/[s(T1s+1)]的离散化传递函数D(z)和差分方程。 ? 差分方程为： 后向差分 ? 差分方程为： ? 采用前向差分法 ? 双线性变换法？ 4）设计由计算机实现的控制算法 ?