资源预览内容
第1页 / 共120页
第2页 / 共120页
第3页 / 共120页
第4页 / 共120页
第5页 / 共120页
第6页 / 共120页
第7页 / 共120页
第8页 / 共120页
第9页 / 共120页
第10页 / 共120页
亲,该文档总共120页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
资源描述
第8章 数字PID及其算法,前言 8.1 PID调节算法 8.2 PID算法的数字实现 8.3 数字PID调节中的几个实际问题 8.4 PID算法的发展 8.5 PID参数的整定方法,第8章 数字PID及其算法,而在数字控制系统中,数字调节器来代替模拟调节器将采样值与给定值进行比较,并按一定控制算法进行运算,运算结果由模拟量输出通道输出,并通过执行机构去控制生产,以达到自动调节的目的 计算机控制系统的优点是: (1).一机多用。 用一台计算机可以控制多个回路。 采样、运算、处理、控制、显示、打印,微机控制技术,第8章 数字PID及其算法,(2).控制算法灵活。 使用计算机不仅能实现经典的PID控制,而且还可以应用直接数字控制,如最快响应无波纹系统、大林算法、以及最优控制等。 即使采用经典的PID控制,也可以根据系统的需要进行改进。,微机控制技术,第8章 数字PID及其算法,(3).可靠性高。 由于计算机控制算法是用软件编写的一段程序,因此具有较高的可靠性,且系统维护简单。 (4).可改变调节品质,提高产品的产量和质量。 由于计算机控制是严格按照某一特定规律进行的,不会由于人为的因素造成失调。特别是在计算机控制系统中采用直接数字控制,可以按被控对象的数学模型编写程序,使调节品质大为提高,为提高经济效益创造了条件。 (5).安全生产,改善工人劳动条件。,微机控制技术,第8章 数字PID及其算法,1程序和顺序控制 (1)程序控制 被控量按照一定的、预先规定的时间函数变化。 (2)顺序控制 在各个时期所给出的设定值可以是不同的物理量,取决于对前段控制结果的逻辑判断。 2比例积分微分控制(简称PID控制) 调节器的输出是其输入的比例,积分、微分的函数。PID控制现在应用最广,技术最成熟,其控制结构简单,参数容易调整,应用最多。,微机控制技术,第8章 数字PID及其算法,3直接数字控制 直接数字控制是根据采样理论,首先把被控对象的数学模型进行离散,然后由计算机根据离散化的数字模型进行控制。这种控制方法与PID控制相比,其针对性更强,调节品质更好。 4最优控制 要求系统能够根据被测参数、环境及原材料的成分的变化而自动对系统进行调节,使系统随时都处于最佳状态。包括性能估计(辨别)、决策和修改三个环节,它是微机控制系统发展的方向。但由于控制规律难以掌握,所以推广起来尚有一些问题难以解决。,微机控制技术,第8章 数字PID及其算法,5模糊控制 模糊控制也叫Fuzzy控制。是按照人的思维方法去完成各种控制。采用这种方法,不需要数学模型,只要把设计者的控制决策(即专家意见)用模糊规则加以描述,即可实现模糊控制。 模糊控制的特点是简单,执行速度快,占用内存少,开发方便、迅速,因而近几年得到了广泛的应用。 在这一章里,主要讲述PID控制。,微机控制技术,8.1 PID调节算法,PID调节是Proportional (比例)、Integral (积分)、Differential (微分)三者的缩写。 是模拟调节系统中技术最成熟、应用最为广泛的一种调节方式。PID调节的实质就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,运算结果用以控制输出。在实际应用中,根据被控对象的特性和控制要求,可灵活地改变PID的结构,取其中的一部分环节构成控制规律,如比例(P)调节、比例积分(PI)调节、比例积分微分(PID)调节等。特别在计算机控制系统中,更可以灵活应用,以充分发挥微型机的作用。,微机控制技术,8.1 PID调节算法,为什么要用数字模拟PID 1PID的特点 是连续系统中技术最成熟、应用最为广泛的一 种调节方式。 结构灵活(PI、PD、PID) 参数整定方便。 适应性强。 2用计算机模拟PID方法可行。 3不用求出数学模型。 4人们对PID规律熟悉,经验丰富。,微机控制技术,8.1 PID调节算法,8.1.1 比例(P)调节器 8.1.2 比例积分调节器(PI) 8.1.3 比例微分调节器(PD) 8.1.4 比例积分微分调节器(PID),8.1.1 比例(P)调节器,1比例(P)调节规律 比例(P)调节器的微分方程: (8-1) 其中y-调节器输出 Kp-比例系数 e(t)- -调节器输入,为偏差值, 。其中,r(t)为定值,m(t)为被测参数测量值。 由式(8-1)可以看出,调节器输出 y(t)与输入偏差e(t)成正比,即只要偏差已出现就能及时的、与之成正比的调节作用。,微机控制技术,8.1.1 比例(P)调节器,2比例(P)调节的作用 调节量y与输入偏差e(t)成正比,即只要偏差一出现,就能产生及时的、与之成正比的调节作用。,微机控制技术,图7 .1 比例调节的特性曲线,图1 阶跃响应特性 图2 比例调节器的输出与输入特性,微机控制技术,8.1.1 比例(P)调节器,3比例调节作用 , 比例调节作用 , 比例调节作用 , 比例调节作用完成静差 太大,将引起自激震荡.,微机控制技术,8.1.1 比例(P)调节器,4. 比例调节的优缺点 优点: 调节及时 调节作用强 缺点: 存在静差。 对于扰动较大,惯性也较大的系统,纯比例调节就难以兼顾动态和静态特性,因此,需要比较复杂的调节器。,微机控制技术,8.1.2 比例积分调节器(PI),积分作用 指调节器的输出与输入的偏差对时间的积分成比例的作用。 积分调节的微分方程 (8-2) 式中,TI -积分时间常数,它表示积分速度的大小,TI ,积分速度越慢,积分作用也越弱。如图8.2 图8.2 阶跃作用下积分作用响应曲线,微机控制技术,8.1.2 比例积分调节器(PI),3积分作用的特点 调节作用的输出与偏差存在的时间有关,只要偏差存在调节器的输出就会随时间增长,直至偏差消除。所以,积分作用能消除静差。 (2)积分作用缓慢,且在偏差刚刚出现时,调节作用很弱,不能及时克服扰动的影响,致使被调参数的动听偏差增大,因此,很少单独使用。,微机控制技术,8.1.2 比例积分调节器(PI),4采用PI调节,效果就好得多 PI调节的微分方程 (8-3),图8.3 阶跃作用下,PI作用动态响应曲线图,微机控制技术,说明: 当阶跃作用时,首先有一个比例作用输出,随后在同一方向上不,在y1 的基础上,输出不断增加,这便是积分作用。如此,即克服了单纯比例调节存在静差的缺点,又克服了积分作用调节慢的缺点,即静态和动态特性都得到了改善,因此得到了广泛的应用。,微机控制技术,8.1.3 比例微分调节器,当对象具有较大的惯性时,PI就不能得到很好的调节品质,如果在调节器中加微分作用(D),将得到很好的改善。 微分调节作用 微分调节作用方程 (8-4) 其中,TD-微分时间常数,代表微分作用的强弱,图8.4 微分作用的响应特性曲线 当t=t0时,引出阶跃信号, de (t) 0,y(t) 。,微机控制技术,8.1.3 比例微分调节器,微分作用的特点 其输出只能反映偏差出入变化的速度,对于一个固定的偏差,不论其数值多大,都不会引起微分作用,因此,它不能消除静差,而只是在偏差刚刚出现时产生一个大的调节作用。 3PD调节 PD调节作用曲线如下 如图8.5 :,微机控制技术,8.1.3 比例微分调节器,图中,当偏差刚一出现,PD调节器输出一个大的阶跃信号,然后微分输出按指数下降,最后,微分作用完全消失,成为比例调节。 可通过改变TD来改变微分作用的强弱。此种调节速度快(动态特性好),但仍有静差存在。,图8.5 PD调节作用的阶跃响应曲线,微机控制技术,8.1.4 比例积分微分作用调节器(PID),PID调节的微分方程为: (8-5) 其对阶跃信号的响应特性曲线如下:,图8.6 PID调节作用的阶跃响应曲线,微机控制技术,8.1.4 比例积分微分作用调节器(PID),由图中可以看出,P、I、D三作用调节器,在阶跃信号的作用下,首先产生的是比例微分作用使调节作用加强。而后进入积分,直到最后消除静差。 因此,PID调节从动态、静态都有所改善,他是应用最广的调节器。 值得说明的是,并非所有的调节器都需要PID调节器,某些系统也采用PI调节器或PD调节器,这需要根据系统的具体情况,通过实验来决定。,微机控制技术,8.2 PID算法的数字实现,前边讲的PID调节算法适用于模拟调节系统,由于计算机系统只能接收数字量,因此,要想在计算机系统中实现PID调节,还必须把PID算法数字化,然后才能用计算机实现。本节主要讲述PID数字算法的实现方法。,微机控制技术,8.2 PID算法的数字实现,8.2.1 PID算法的数字化 8.2.2 PID算法的程序设计,8.2.1 PID算法的数字化,在模拟系统中,PID算法的表达式为 (8-6) 式中P(t)调节器的输出信号 e(t)调节器的偏差信号,它等于测量值与给定值之差; KP调节器的比例系数; TI调节器的积分时间; TD调节器的微分时间。,微机控制技术,8.2.1 PID算法的数字化,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来计算控制量。因此,在计算机控制系统中,必须首先对式(8-6)进行离散化处理,用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程,此时积分项和微分项可用求和及增量式表示: (8-7) (8-8) 格式(8-7)和式(8-8)代入式(8-6),则可得到离散的PID表达式: (8-9),微机控制技术,8.2.1 PID算法的数字化,式中tT 采样周期,必须使T足够小,才能保证系统有一定的精度; E(k) 第k次采样时的偏差值; E(k-1) 第(k1)次采样时的偏差值; K 采样序号,A0,l,2; P(k) 第k次采样时调节器的输出。 由于式(8-9)的输出值与阀门开度的位置一一对应,因此,通常把式(8-9)称为位置型PID的位置控制算式。,微机控制技术,8.2.1 PID算法的数字化,由式(8-9)可以看出,为保存E(j)还要占用很多内存。因此,用式(8-9)直接进行控制很不方便。为此,我们做如下改动。 根据递推原理,可写出(k1)次的PID输出表达式: (8- 10) 用式(8-9)减去式(8-10),可得: (8-11),微机控制技术,8.2.1 PID算法的数字化,(8-11)式中 积分系数; 微分系数。,微机控制技术,8.2.1 PID算法的数字化,由于(8-11)可知,要计算第k次输出值P(k),只需知道P(k-1),E(k),E(k-1),E(k-2) 即可,比用式(8-9)计算要简单得多。,微机控制技术,8.2.1 PID算法的数字化,在很多控制系统中,由于执行机构是采用步进电机或多圈电位器进行控制的,所以,只要给一个增量信号即可。因此,把式(8-9)和式(8-10)相减,得到: P(k)= P(k) - P(k-1) (8-12) 式中(8-11) 式(8-12)即为增量型PID。 用微型机实现位置式和增量式控制算式的原理方框图,如图8.7所示。,微机控制技术,图8.7 两种PID控制原理图,微机控制技术,8.2.1 PID算法的数字化,增量控制优点: (1)由于计算机输出增量,所以误动作影响小,必要时可用逻辑判断的方法去掉; (2)增量设计只与本次的偏差值有关,与阀门原来的位置无关,因而增量算法易于实现手动自动无扰动切换。 (3)
网站客服QQ:2055934822
金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号