数字PID控制算法专题课件.ppt

第五章 数字PID控制算法 5.1 准连续PID控制算法 5.2 对标准PID算法的改进 5.3 PID调节器参数的选择 5.4 应用实例 5.5 小结 5.1 准连续PID控制算法 按偏差的比例、积分、微分进行控制的调节器称为PID调节器，是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节器。其结构简单、参数易于调整，目前在长期应用中已经积累了丰富的经验，特别对于控制对象精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化的场合非常适用。 本章将重点介绍数字PID控制算法及与此有关的问题。 一、模拟PID调节器 PID调节器是一种线性调节器，它将设定值w与实际输出y进行比较构成控制偏差 e=w-y，并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量(如图5-1)，这也是P(比例)I(积分)D(微分)调节器名称的由来。 1）比例调节器 是最简单的一种调节器，其控制规律为 u=Ke+u0 其中K为比例系数；u0为控制量基准，即e=0时的控制作用。 图5-2显示了比例调节器对于偏差阶跃变化的时间响应。 3) 比 例 积 分 微 分 调 节 器 积 分 调 节 作 用 的 加 入 ， 虽 然 可 以 消 除 静 差 ， 但 花 出 的 代 价 是 降 低 了 响 应 速 度 。 为 了加 快 控 制 过 程 ， 有 必 要 在 偏 差 出 现 或 变 化 的 瞬 间 ， 不 但 对 偏 差 量 作 出 即 时 反 应 ， 而 且 对 偏 差 量 的 变 化趋 向作 出 反 应 ，使 偏 差消 灭 于 萌 芽 状 态 之 中 。 为 了 达 到 这 一 目 的 ， 可 以 在 上 述 PI 调 节 器 的 基 础 上 再 加 入 微 分 调节 以 得 到 PID 调 节 器 的 如 下 控 制 规 律 理 想 的 PID 调 节 器 对 偏 差 阶 跃 变 化 的 响 应 如 图 5-4 所 示 ， 它 在 偏 差 e 阶 跃 变 化 的 瞬间 t ＝ t0 处 有 一 冲 击 式 瞬 时 响 应 ， 这 是 由 附 加 的 微 分 环 节 引 起 的 。 二、数字PID控制算法 由 于 计 算 机 控 制 是 一 种 采 样 控 制 ， 它 只 能 根 据 采 样 时 刻 的 偏 差 值 计 算 控 制 量 ， 因 此式 （ 5-3 ） 中 的 积 分 和 微 分 项 不 能 直 接 准 确计 算 ， 只 能 用 数 值 计 算 的 方 法 逼 近 。 在 采 样 时刻 t ＝ iT （ T 为 采 样 周 期 ） ， 模拟 PID 调 节 规 律 可 通 过 下数 值 公 式近 似 计 算 增 量 式 PID 算 法 增 量 式 PID 算 法 与 位 置 式 相 比 ， 有 下 列 优 点: ① 位 置 式 算 法 每 次 输 出 与 整 个 过 去 状 态 有 关 ， 计 算 式 中 要 用 到 过 去 偏 差 的 累 加 值 ， 容 易 产 生 较 大 的 累 计 误 差 。 而 增 量 式 只 需 计 算 增 量 ， 当 存 在 计 算 误 差 或 精 度 不 足时 ， 对 控 制 量 计 算 的 影 响 较 小 。 ② 控 制 从 手 动 切 换 到 自 动 时 ， 必 须 首 先 将 计 算 机 的 输 出 值 设 置 为 原 始 阀 门 开 度 u0，才 能 保 证 无 冲 击 切 换 。 如 果 采 用 增 量 算 法 ， 则 由 于 算 式 中 不 出 现 u0 项 ， 易 于 实 现 手 动 到自 动 的 无 冲 击 切 换 。 此 外 ， 在 计 算 机 发 生 故 障 时 ， 由 于 执 行 装 置 本 身 有 寄 存 作 用 ， 故 可仍 然 保 持 在 原 位 。 因 此 ， 在 实 际 控 制 中 ， 增 量 式 算 法 要 比 位 置 式 算 法 应 用 更 为 广 泛 。 图 5-6 给 出 了 增量 式 PID 控 制 算 法 子 程 序 的 流 程 。 在 初 始 化 时 ， 应 在 内 存 固 定 单 元 置 入 调 节 参 数 d0, d1,d2和 设 定 值 w， 并 设 置 误 差 初 值 ei=ei-1=ei-2=0. 5.2 对标准PID 算法的改进 “饱和”作用的抑制 在实际过程中，控制变量因受执行元件机械和物理性能的 约束而限制在有限范围内，即 1 ） PID 位 置 算 法 的 积 分 饱 和 作 用 及 其 抑 制 产生积分饱和的原因 若给定值w从0突变到w*且有 PID位置算式算出的控制量U超出限制围，如U ＞ Umax ，则实际执行的控制量为上界值Umax. 而不是