第8章数字PID及其算法要点分析.ppt

闭环控制结构 概 述 1、PID（Proportional Integral Differential）控制 PID意为比例、积分、微分， PID控制是自动控制中一种重要的控制方法。 2、PID控制实现的方式 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。 3、计算机控制系统的优点 一机多用；控制算法灵活；可靠性高；可改变调节品质、提高产品产量和质量；安全生产、改善工人劳动条件等。 概 述（2） 4、计算机控制的任务就是设计一个数字调节器，常用以下控制方法： 程序和顺序控制 比例—积分—微分控制（简称PID控制） 直接数字控制 最优控制 生产管理及生产过程始终处于最佳工作状态，亦叫自适应控制。 模糊控制 把设计者的控制决策（目标）用模糊规则加以描述，即可实现模糊控制。 连续化设计的基本思想 模拟化设计步骤 按照对数频率特性法、根轨迹法等连续系统的校正方法，设计假想的模拟控制器D(S)。 正确地选择采样周期T。 将D(S)离散化为D(Z) 求出与D(S)对应的差分方程 根据差分方程编制相应程序。 PID控制器结构图 8.1 PID调节 8.1.1 PID调节器的优点 8.1.2 PID调节器的作用 8.1.1 PID调节器的优点 PID调节器之所以经久不衰，主要有以下优点。 1. 技术成熟 2. 易被人们熟悉和掌握 3. 不需要建立数学模型 4. 控制效果好 8.1.2 PID调节器的作用 1. 比例调节器 2. 比例积分调节器 3. 比例微分调节器 4. 比例积分微分调节器 1. 比例调节器 比例调节器的微分方程为： u(t)=KPe(t) 式中： U(t)为调节器输出；Kp为比例系数； e(t)为调节器输入偏差 e(t)=R-y(t) y(t)为被控变量 R为y(t)的设定值。 由上式可以看出，调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例调节器的特性曲线，如图8-1所示。 比例作用 Kp增大，系统振荡增强，稳定性下降 Kp增大，系统静差减小，但不能消除静差 Kp无延时环节，快速性好，响应快 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。 2. 比例积分调节器 所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。积分方程为： 积分作用特点 ⑴ 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。 若将比例和积分两种作用结合起来，就构成PI调节器，调节规律为： 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。 3. 比例微分调节器 微分调节器的微分方程为： 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。 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。 4. 比例积分微分调节器 为了进一步改善调节品质，往往把比例、积分、微分三种作用组合起来，形成PID调节器。理想的PID微分方程为： 图 PID调节器对阶跃响应特性曲线 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