计算机控制数字PID控制算法.ppt

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1、*,1,第4章 Chapter 4数字PID控制算法 Data PID Control Arithmetic,各位同仁，有需要帮助的，可以跟我联系。加我QQ就行，具体的联系方式在店铺里，大家要多多关注一下我的店铺哦！PID算法很简单的，我是学自动控制的，PID 算法我用的很多，有什么不明白的地方，与我联系。【电子设计大赛专营店】网址：旺旺ID：猴脑堵塞 另外，你们如果有什么需要的部件，可以联系我，我帮你们统一订购。,*,2,*,3,引言,在过程控制中，PID控制算法是应用最为广泛的一种控制规律。它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点，在计算机用于生产过程控制以前，模拟PlD调节器几

2、乎一直占垄断地位。计算机的出现和它在过程控制中的应用使这种情况开始有所改变。,*,4,近20年来相继出现一批复杂的，只有计算机才能实现的控制算法。然而，目前即使在过程计算机控制中，PID控制仍然是应用最广泛的控制算法。不过，用计算机实现PID控制，就不仅仅是简单地把PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合起来，使PID控制更加灵活多样，更能满足生产过程提出的各种要求。,*,5,本章主要内容,4.1 概述4.2 准连续PID控制算法4.3 对标准PID算法的改进4.4 干扰的抑制4.5 PID调节器参数的选择4.6 本章总结,*,6,第一节 Unit 1,概述,*,7,概述,按

3、偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID（Proportional-Integral-Differential）调节器PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改变PID的结构，取其一部分进行控制,*,8,PID：Proportional Integral DerivativePID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换 后形成的一种控制规律。“利用偏差、消除偏差”,PID控制器的输入输出关系为：,在很多情形下，PID 控

4、制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。,*,9,概述（2）,PID调节器的优点 技术成熟 易被人们熟悉和掌握 不需要建立数学模型 控制效果好,*,10,概述（3）,PID控制实现的控制方式 模拟方式：用电子电路调节器，在调节器中，将被测信号与给定值比较，然后把比较出的差值经PID电路运算后送到执行机构，改变给进量，达到调节之目的。数字方式：用计算机进行PID运算，将计算结果转换成模拟量，输出去控制执行机构。,*,11,第二节 Unit 2,准连续PID控制算法,*,12,准连续PID控制算法,模拟PID调节器,*,13,P（比例）

5、控制,准连续PID控制算法（2）,其中：比例系数,R2,R1,e(t),u(t),-,+,*,14,P控制对系统性能的影响：迅速反应误差Kp1时：a.开环增益加大，稳态误差减小；b.幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短；c.系统稳定程度变差。,Kp1时，对系统性能的影响正好相反。,*,15,准连续PID控制算法（3）,比例积分调节器其中：积分时间常数,特点：无静差控制，但容易引起超调，甚至出现振荡，Ti增大，则积分作用弱，将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性；对于滞后较小的对象，Ti可选的小一些，如流量、压力等对滞后较大的对象，Ti可选得大些，如温度等,*,16,（积分）控制,C,R,

6、e(t),u(t),-,+,*,17,准连续PID控制算法（4）,比例微分调节器其中：微分时间常数,微分作用：减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统动态特性,注意 u0为偏差 e=0 时的调节器输出,又称之为稳态工作点。,*,18,D（微分）控制,R,C,ui(t),uo(t),-,+,*,19,准连续PID控制算法（5）,比例积分微分调节器,特点：微分作用的引入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。这将加快系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。实际上，微分作用的引入降低了系统抗干扰能力，尤其是高频尖峰干扰情况更严重，所以一般 不选太大。,*,20,参数选值范围受限制

7、。如由RC决定，C的取值有限制，所以不可能太大参数在线修改困难很难和智能控制、系统辨识及自适应控制结合形成更好的控制算法,模拟PID调节器三大缺陷：,*,21,准连续PID控制算法（6）,数字PID控制算法 用数值逼近的方法实现PID控制规律 数值逼近的方法：用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化为差分方程 两种形式：位置式、增量式,*,22,离散化方法：在计算机控制系统中使用的是数字PID 调节器，就是对 u(t)式子离散化，离散化时，令：,上式中:T 采样周期 K 为采样序号。显然，上述离散化过程中，采样周期 T 必须足够短，才能保证有足够的精度。,准连续PID控制算法（6

8、）,*,23,准连续PID控制算法（7）,位置式PID控制算法,位置式控制算法提供执行机构的位置uk，需要累计ek,*,24,准连续PID控制算法（8）,增量式PID控制算法,增量式控制算法提供执行机构的增量uk，只需要保持现时以前3个时刻的偏差值即可,*,25,准连续PID控制算法（9）,位置式与增量式PID控制算法的比较,*,26,准连续PID控制算法（10）,增量式算法不需做累加，计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小；位置式算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差。控制从手动切换到自动时，位置式算法必须先将计算机的输出值置为原始值 u0 时，才能保证无冲击切换；增量式算

9、法与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。在实际应用中，应根据被控对象的实际情况加以选择。一般认为，在以闸门或伺服电机作为执行器件，或对控制精度要求较高的系统中，应当采用位置式算法；而在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则应采用增量式算法。,*,27,位置式PID数字调节器 的输出 u(k)是全量输出，是执行机构所应达到的位置(如阀门的开度)，计算机的故障有可能使u(k)作大幅度的变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，而且有些场合可能会造成严重的事故。位置式PID数字调节器 除本身安全性、相对控制精度外，在PID 位置控制算式中存在累加，不仅要占用许多存储单元，也不利于编写程序

10、及执行速度。,*,28,准连续PID控制算法（11）,位置式PID控制算法的程序设计 思路：将三项拆开，并应用递推进行编程 比例输出 积分输出 微分输出KI Kp/Ti积分系数 Kd Kp*Td微分系数,*,29,准连续PID控制算法（12）,增量式PID控制算法的程序设计 初始化时，需首先置入调节参数d0，d1，d2和设定值w，并设置误差初值ei=ei1=ei2=0,*,30,第三节 Unit 3,对标准PID算法的改进,*,31,数字PID控制是应用最普遍的一种控制规律，人们在实践中不断总结经验，不断改进，使得PID控制日臻完善。下面介绍几种数字PID的改进算法：积分分离算法不完全微分算法

11、带死区的PID算法,*,32,数字PID算法的改进,饱和作用 实际系统中,执行元件总受机械和物理性能等的限制,往往有一个有限范围:若计算机计算出的控制量超出上述范围,即进入执行元件的饱和区,那么实际执行的控制量就不再是计算值,由此将得不到期望的效果,称为饱和效应.这类现象在给定值发生突变时特别容易发生,有时也称为启动效应.位置式PID算法的积分饱和作用 增量式PID的饱和作用,*,33,数字PID算法的改进,位置式PID算法的积分饱和作用影响：饱和引起输出超调，甚至产生震荡，使系统不稳定改进方法：遇限削弱积分法、积分分离法、有限偏差法,*,34,对标准PID算法的改进（2）,遇限削弱积分法 基

12、本思想：一旦控制量进入饱和区，则停止进行增大积分的运算。,*,35,对标准PID算法的改进（3）,积分分离法 思路：当被控量和给定值偏差大时，取消积分控制，以免超调量过大；当被控量和给定值接近时，积分控制投入，消除静差。,*,36,对标准PID算法的改进（4）,有效偏差法 思路：当算出的控制量超出限制范围时，将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值进行积分，而不是将实际偏差值进行积分。,*,37,对标准PID算法的改进（5）,增量式PID算法的饱和作用：对于增量式PID算法，由于执行机构本身是存储元件，在算法中没有积分累积，所以不容易产生积分饱和现象，但可能出现比例和微分饱和现象，其表现形式不

13、是超调，而是减慢动态过程,*,38,对标准PID算法的改进（6）,纠正比例和微分饱和的办法之一是采用积累补偿法，其基本思想是将那些因饱和而未能执行的增量信息积累起来，一旦可能时，再补充执行,*,39,对标准PID算法的改进（7）,不完全微分的PID：纠正微分项引起的控制过程振荡,调节品质下降。其微分作用是逐渐下降，使系统变化缓慢，故不易引起振荡。,不完全微分PID算法传递函数为:,*,40,不完全微分的PID算式为：,*,41,对标准PID算法的改进（8）,纯滞后补偿算法 有纯滞后的常规反馈控制回路 系统闭环传递函数为 系统的特征方程中包含有，因此会使系统的稳定性下降,*,42,对标准PID算

14、法的改进（9）,Smith预测器虚线部分是带纯滞后补偿的调节器，其传递函数为经过纯滞后补偿控制，系统的闭环传递函数为,*,43,对标准PID算法的改进（10）,具有纯滞后补偿的数字PID控制器 许多工业对象可以用一阶惯性环节和纯滞后环节表示：因此预估器的传函为：,*,44,对标准PID算法的改进（11）,纯滞后补偿控制算法步骤：(1)计算反馈回路偏差：(2)计算施密斯预估器的输出：先写成微分形式再转换为相应的差分方程式：其中，(3)计算反馈回路偏差：(4)计算PID控制器输出：,*,45,对标准PID算法的改进（12）,优点（与普通PID相比）：实现了用比例作用消除大偏差，用积分作用消除小偏差

15、的理想调节特性，从而完全消除了积分饱和现象 大大减小了超调量，可以很容易地使系统稳定，改善了调节特品质 适应能力强，一些用常规PID控制不理想的过程可以采用此种算法 参数整定容易，各参数间的相互影响小 与积分分离的比较：二者很类似，但调节方式不同。积分分离对积分项采用“开关”控制，而变速积分则是根据误差的大小改变积分项速度，属线性控制。因而，后者调节品质大为提高，是一种新型的PID控制,*,46,对标准PID算法的改进（13）,时间最优PID控制 最优控制的含义：某个指标最优 Bang-Bang控制：开关控制，对|u(t)|1，采用一定的方法在1，1间切换，使时间最短 时间最优PID控制：Ba

16、ng-Bang控制和PID控制相结合,*,47,对标准PID算法的改进（14）,参数自寻优PID控制 为评价PID的最佳调节，通常用以下各种积分型性能指标作为最优性能指标：过程：首先根据所确定的性能指标，按照使J为极值的原则，求出PID的三个参数KP、TI、TD的最优值，然后整定PID控制器,*,48,对标准PID算法的改进（15）,自适应PID控制 自适应控制+PID控制 模糊PID控制 模糊控制+PID控制 PID专家控制系统 专家系统+PID控制,*,49,第四节 Unit 4,干扰的抑制,*,50,干扰的抑制,干扰的抑制 从系统硬件及环境方面采取措施 在软件上采取措施 数字滤波方法 修

17、改微分项,*,51,干扰的抑制（2）,数字滤波方法 通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，也即是一种程序滤波或软件滤波 优点 用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好 可以对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波 可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点,*,52,干扰的抑制（3）,程序判断滤波 方法：根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差。若超过此偏差，则表明该信号是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差，则将该信号作为本次的采样值 作用：用于滤掉由于大功率设备的启停所造成的电流尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定

18、而引起的严重失真等 程序判断滤波分为限幅滤波和限速滤波两种,*,53,干扰的抑制（4）,（1）限幅滤波 若|Y(k)-Y(k-1)|Y，则Y(k)=Y(k)，取本次采样值 若|Y(k)-Y(k-1)|Y，则Y(k)=Y(k-1)，取上次采样值（2）限速滤波 设顺序采样所得到的数据分别为Y(1)、Y(2)、Y(3)当|Y(2)-Y(1)|Y 时，采用Y(2)当|Y(2)-Y(1)|Y 时，不采用Y(2)，但保留，继续采样取得Y(3)当|Y(3)-Y(2)|Y 时，采用Y(3)当|Y(3)-Y(2)|Y 时，取(Y(3)+Y(2)/2为采样值,*,54,干扰的抑制（5）,中值滤波 方法：将被测参数

19、连续采样N次（一般N为奇数），然后把采样值按大小顺序排列，再取中间值作为本次的采样值 作用：中值滤波能有效地去除偶然因素引起的波动，采样开关或A/D转换器等工作不稳定造成的脉冲干扰，对变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，但不适合快速变化快的过程参数,*,55,干扰的抑制（6）,算术平均滤波 方法：在一个采样期内，对信号 x 的 N 次测量值进行算术平均，作为时刻 k 的输出，即 作用：适用于一般的具有随机干扰信号的滤波，特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况，如流量、液位等信号的测量，但不适用脉冲性干扰较严重的场合,*,56,干扰的抑制（7）,加权平均滤波 为了提高滤波效果，将各

20、采样值取不同的比例，然后再相加，此方法称为加权平均值法，即：加权平均滤波适用于系统纯滞后时间较大而采样周期较短的过程,并且,*,57,干扰的抑制（8）,滑动平均值滤波 算术平均滤波和加权平均滤波由于采样N次，需要的时间较长，故检测速度慢，滑动平均值滤波可以克服这个缺点 依次存放N次采样值，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，然后求包含新值在内的N个数据的算术平均值或加权平均值,*,58,干扰的抑制（9）,惯性滤波 仿照模拟滤波器，用数字形式实现低通滤波 一阶RC滤波器的传递函数为 离散化后整理为,其中,其中 X(k)为采样值，Y(k)为滤波器的计算输出值,*,59,干扰的抑制（10）

21、,复合数字滤波 把两种以上的滤波方法结合起来使用 把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，就是一种常用的复合滤波法，其具体做法是：首先将采样值按大小排队，去掉最大和最小的，然后再把剩下的取平均值。这样显然比单纯的平均值滤波的效果要好,*,60,干扰的抑制（11）,修改微分项（4点中心差分法）将 TD/T 选择得比理想情况下稍小一些 用4点中心差分法构成偏差平均值 再通过加权求和形式近似构成微分项 然后将其代替原式中的微分项,*,61,第五节 Unit 5,PID调节器参数的选择,*,62,PID调节器参数选择,调节器结构的选定原则：系统稳定，且尽可能消除静差。选用什么控制律是由对象特性，控制

22、要求和生产工艺决定的。有自平衡性的对象选择包含有积分环节的调节器（PI或PID）无自平衡性的对象 选择不包含有积分环节的调节器（P，PD）,确定调节器的结构,*,63,PID调节器参数选择,参数整定的含义：根据对象特性，合理地选择数字控制器中的参数（比例系数，积分时间常数，微分时间常数，采样周期）,参数整定的要求：被控对象稳定，对给定值的变化能快速且光滑地跟踪，超调量要小。在不同干扰下，系统输出要保持在给定值，控制量不宜过大。这些要求，主要方面应能满足。,参数整定方法：理论方法，凑试法，试验经验法，后两种工程上比较有用。,*,64,PID调节器参数选择（2）,PID整定的理论方法 通过调整PI

23、D的三个参数KP、TI、TD，将系统的闭环特征根分布在 s 域的左半平面的某一特定域内，以保证系统具有足够的稳定裕度并满足给定的性能指标 只有被控对象的数学模型足够精确时，才能把特征根精确地配置在期望的位置上，而大多数实际系统一般无法得到系统的精确模型，因此理论设计的极点配置往往与实际系统不能精确匹配,*,65,PID调节器参数选择（3）,试凑法确定PID调节参数 通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线，然后根据各环节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID参数 Kp增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性变坏；Ti增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统

24、静差的消除也随之减慢；Td增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力减弱,*,66,PID调节器参数选择（4）,在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤，步骤如下：整定比例部分 如果仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求时，则需加入积分环节 若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节,*,67,PID调节器参数选择（5）,常见被控量的PID参数经验选择范围,*,68,PID调节器参数选择（6）,实验经验法确定PID调节参数 扩充临界比例法（自平衡对象的控制参

25、数）对模拟调节器中使用的临界比例度法的扩充和推广 整定数字控制器参数的步骤：选择短的采样频率：一般选择被控对象纯滞后时间的十分之一 去掉积分与微分作用，逐渐减小比例度(=1/kp），直到系统发生持续等幅振荡。记录发生振荡的临界比例度和周期u及Tu,*,69,PID调节器参数选择（7）,选择控制度 控制度的定义：以模拟调节器为基准，将数字PID的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较，采用误差平方积分表示：实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积，控制度仅是表示控制效果的物理概念。例如，控制度=1.05，就是指数字PID与模拟控制效果相当；控制度=2.0，就是指数字PID比模拟调节器的效果差。,*

26、,70,PID调节器参数选择（8）,根据选定的控制度，查表求得T、Kp、TI、TD的值,*,71,PID调节器参数选择（9）,采样周期的选择 根据香农采样定理，系统采样频率的下限为 fs=2fmax，此时系统可真实地恢复到原来的连续信号 从执行机构的特性要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度，采样周期必须大于这一时间 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些 从微机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些 从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的,*,72,PID调节器参数选择（10）,实际选择采样周期时，必须综合考虑 采用周期要比对象的时间常数小得多，否则采样信号无法反映瞬变过程 采用周期应远小于对象的扰动信号的周期 考虑执行器的响应速度 当系统纯滞后占主导地位时，应按纯滞后大小选取，并尽可能使纯滞后时间接近或等于采用周期的整数倍 考虑对象所要求的控制质量，精度越高，采样周期越短，以减小系统的纯滞后,*,73,PID调节器参数选择（11）,常见被控量的经验采样周期,*,74,小 结,1.数字PID控制器定义式（位置式、增量式）优缺点2.位置式PID的积分饱和作用及抑制方法3.改进算法 对给定值突变加阻尼 增量式PID的动态加速 纯滞后补偿 4.参数整定凑试法实验经验法：扩充临界比例度法，阶跃曲线法。,