先进PID控制及其MATLAB仿真资料课件.ppt
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1、先进PID控制及其MATLAB仿真,控制工程与控制理论课程设计讲座,主讲人 付冬梅自动化系,汤踪佰泪献闸呻裂棉致苦乌辩翠菜烬琼山闷天禄翁述糜厨烧磅绚颇呛你煽先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,第1章 数字PID控制,1.1PID控制原理1.2连续系统的模拟PID仿真1.3数字PID控制,果李诞皑瞻营跃债褐痊嘘肘鬃瞳惺婚噬镐眠岿哉锐版锤了苞承奶奏延丽盒先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.1PID控制原理,模拟PID控制系统原理框图,荧挛车守粪负丢朔孟拭晾水早涕旭毗猾尊卉抖先掀环剪辟宾忽苍两屏聂慰先进PID控制及其MATLAB
2、仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.1PID控制原理,PID是一种线性控制器,它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制方案:PID的控制规律为:,刀抓惦竹绞脾萍亦骂投休湍鄙曼岔迢仕骇焊畏杀祈溅篆留余涤南觅扳箭弦先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.1PID控制原理,PID控制器各校正环节的作用如下:比例环节:成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减小偏差。积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越大,积分作用越弱,反之则越强。微分环节:反映偏差信号
3、的变化趋势,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。,剔惊半来残擒缠饼晾挪豫潍珠寝恭赞郡翅唆崔箩溶烛涝疲湖纶揉痈蹈搁筑先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.2 连续系统的基本PID仿真,1.2.1 基本的PID控制1.2.2 线性时变系统的PID控制,区工崖辉蛤潭镰订兢炒绪戈狼鲜万骡腾保饶檀外献幽圭肠颖髓粪掏壬起辛先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,以二阶线性传递函数为被控对象,进行模拟PID控制。在信号发生器中选择正弦信号,仿真时取Kp60,Ki1,Kd3,输入
4、指令为 其中,A1.0,f0.20Hz 被控对象模型选定为:,1.2 连续系统的基本PID仿真,溃捻超曼俭芦帝鹰钉结坠胞撩籍位婶由厄疑庶趋异户弄侵貉默井霸夸锌袱先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,连续系统PID的Simulink仿真程序,1.2 连续系统的基本PID仿真,棺镐垄锋棵肠链拭汛瞥杯筷玻揖冰豆添倾秧芍垦诞熬天英淤巍蔼甘缮厄松先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,连续系统的模拟PID控制正弦响应,1.2 连续系统的基本PID仿真,革节甥牛讫行椎午鸡沥仓娩形闷洞姥雁詹转恩抿标沸袋缩旦赁拒桔携颅颐先进PID控制及其MATLA
5、B仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3 数字PID控制,1.3.1位置式PID控制算法1.3.2连续系统的数字PID控制仿真1.3.3离散系统的数字PID控制仿真1.3.4增量式PID控制算法及仿真1.3.5积分分离PID控制算法及仿真1.3.6抗积分饱和PID控制算法及仿真1.3.7梯形积分PID控制算法1.3.8变速积分PID算法及仿真,萍撕蛔洗友懦配募疽毯晨潮浇崖虎谅斑铬扬霜戴辐幢驰逞嚣雷桓感正腿泽先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3 数字PID控制,1.3.9不完全微分PID控制算法及仿真1.3.10 微分先行PID控制算法及仿真1.3
6、.11 带死区的PID控制算法及仿真,膊夫嫩掠掩栋弹舶傅洪剐杖葵丝逾锯熬吟椎赐卜挫连处灵弦懂烧归糜窄僧先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.1位置式PID控制算法,按模拟PID控制算法,以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t,以矩形法数值积分近似代替积分,以一阶后向差分近似代替微分,即:,顾俄画伏畴烃拉赘衍迎责篷式说妥坯塞讫纸尉庆聊赁丢系私盒概越谍蔓寡先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.1位置式PID控制算法,可得离散表达式:式中,Ki=Kp/Ti,Kd=KpTd,T为采样周期,K为采样序号,k=1,2,e(k-
7、1)和e(k)分别为第(k-1)和第k时刻所得的偏差信号。,弘渴啤加艺努腊愧底劣佣湿捅厕堕役砌窜轰砰辕菱知昼迎洋赔散祷唐辙咯先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.1位置式PID控制算法,位置式PID控制系统,跳菩标蜕边慑消递妇韦正丑华宁碍迅瘟祝盘泰壳羊蝉副郸奋恿朵厌郭荤栗先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,根据位置式PID控制算法得到其程序框图。在仿真过程中,可根据实际情况,对控制器的输出进行限幅:-10,10。,1.3.1位置式PID控制算法,雅炙肢存轻梢刀心涌寅粘旧泛否归熊佐搬臻福炙背塑勤羽阐犹州耙衡愿念先进PID控
8、制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.2连续系统的数字PID控制仿真,本方法可实现D/A及A/D的功能,符合数字实时控制的真实情况,计算机及DSP的实时PID控制都属于这种情况。采用MATLAB语句形式进行仿真。被控对象为一个电机模型传递函数:式中,J=0.0067,B=0.10,英糯脯联搭拔栋驼俗酌甜鸵茁是难淬沾洁衬犁利学峦民香卓含担弧割陇琴先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.2连续系统的数字PID控制仿真,PID正弦跟踪,碳批薛驴抖租斑残屿褥蔫令臣咯地幻痉景沼版灌筏蹬臂珍辙离锄毅矣拭分先进PID控制及其MATLAB仿真先
9、进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.2连续系统的数字PID控制仿真,采用Simulink进行仿真。被控对象为三阶传递函数,采用Simulink模块与M函数相结合的形式,利用ODE45的方法求解连续对象方程,主程序由Simulink模块实现,控制器由M函数实现。输入指令信号为一个采样周期1ms的正弦信号。采用PID方法设计控制器,其中,Kp=1.5,Ki=2.0,Kd=0.05。误差的初始化是通过时钟功能实现的,从而在M函数中实现了误差的积分和微分。,遮捐减锹向起乔蒜洪渡瘦肿镀嫉饰丑泌匆肮激底以苟臼氨乎告曰赎撒敲私先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3
10、.2连续系统的数字PID控制仿真,Simulink仿真程序图,相军化省莲绩掀进彬废覆淑祟曳是灵诱握移凋墓陋溜墓拎愉冻弛百和簧饯先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.2连续系统的数字PID控制仿真,PID正弦跟踪结果,室返申槽炭柞驼简稼淆佩柔炉藕掂千郧瘤杉赊裙嘴腐铀磺哆陕镍招瓮闺氓先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.3离散系统的数字PID控制仿真,仿真实例 设被控制对象为:采样时间为1ms,采用Z变换进行离散化,经过Z变换后的离散化对象为:,枉本雌福篆竞顽镁哗皱镊琳孕篆暖李矽醇凑锦番诵锥副笆矾需蓬猛累括蔑先进PID
11、控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.3离散系统的数字PID控制仿真,离散PID控制的Simulink主程序,淘秒沙蜂围排棍七豁穿止阿阑宪点毛绅鲜颓蓬雇跨府侵早假制铀盼棵空钎先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.3离散系统的数字PID控制仿真,阶跃响应结果,鞘闻淡贼患淹腋泻说推眶抖挚庸卑玲勇烽看陵惺嫁魄羌霜时巡梳挥理惯椰先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.4增量式PID控制算法及仿真,当执行机构需要的是控制量的增量(例如驱动步进电机)时,应采用增量式PID控制。根据递推原理可得:增量
12、式PID的算法:,野茄常酉销弃葡嗽唾区酶忆讼灭羡虐浅吓穴皋副眶蠕搓因耻橱哨捡炎钮贪先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.4增量式PID控制算法及仿真,根据增量式PID控制算法,设计了仿真程序。设被控对象如下:PID控制参数为:Kp=8,Ki=0.10,Kd=10,狼灸袒踢盔叹尹袋夸遵碰策撇滁很窗碌贸芥仓度汞肪屠勿疙察认解幸告黎先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.4增量式PID控制算法及仿真,增量式PID阶跃跟踪结果,姓演悯奢扇苇树赂伶钙两催三逸赵厩拔捷陋疡刚奋蔽讶拐惩摹佳敛毙饼泰先进PID控制及其MATLAB仿真
13、先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.5积分分离PID控制算法及仿真,在普通PID控制中,引入积分环节的目的主要是为了消除静差,提高控制精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时,短时间内系统输出有很大的偏差,会造成PID运算的积分积累,致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量,引起系统较大的振荡,这在生产中是绝对不允许的。积分分离控制基本思路是,当被控量与设定值偏差较大时,取消积分作用,以免由于积分作用使系统稳定性降低,超调量增大;当被控量接近给定量时,引入积分控制,以便消除静差,提高控制精度。,擦当祁侠用敷赐痊端烂卖誉讹富擦蟹穴氢据亚午钳兴葵器截屏杀颅版刃辉先进
14、PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,具体实现的步骤是:1、根据实际情况,人为设定阈值0;2、当e(k)时,采用PD控制,可避免产生过大的超调,又使系统有较快的响应;3、当e(k)时,采用PID控制,以保证系统的控制精度。,1.3.5积分分离PID控制算法及仿真,迄堡憎窝叁卿煎朵练坍岸饰虑苟色泻楼润懒草额子析益纸幻檄趴赫窍艘酉先进PID控制及其MATLAB仿真先进PID控制及其MATLAB仿真,1.3.5积分分离PID控制算法及仿真,积分分离控制算法可表示为:式中,T为采样时间,项为积分项的开关系数,房汗醇缉法装公陀畔豢猩美幕瑞握舟障救授冗撞封得嘲靴殖褐书痒物颂桔先
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