PID自动控制理论专业介绍

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1、\PID控制理论5.1PID控制原理与程序流程5.1.1过程控制的基本概念过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。一、模拟控制系统图5-1-1基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测,这个值与给定值进行比较,得到偏差,模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化,以使偏差趋近于零,其输出通过执行器作用于过程。控制规律用对应的模拟硬件来实现,控制规律的修改需要更换模拟硬件。二、微机过程控制系统图5-1-2微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。控制规律的实现,是通过软件来完成的。改变

2、控制规律,只要改变相应的程序即可。三、数字控制系统DDC图5-1-3DDC系统构成框图DDC(DirectDigitalCongtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测,并根据确定的控制规律(算法)进行计算,通过输出通道直接去控制执行机构,使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程,故称为直接数字控制。DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。\5.1.2模拟PID调节器一、模拟PID控制系统组成图5-1-4模拟PID控制系

3、统原理框图二、模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器,它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制。1、PID调节器的微分方程式中2、PID调节器的传输函数三、PID调节器各校正环节的作用1、比例环节:即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、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TI,TI越大,积分作用越弱,反之则

4、越强。3、微分环节:能反应偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号的值变得太大之前,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,减小调节时间。5.1.3数字PID控制器一、模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式二、数字PID控制器的差分方程\式中称为比例项称为积分项称为微分项三、常用的控制方式1、P控制2、PI控制3、PD控制4、PID控制四、PID算法的两种类型1、位置型控制――例如图5-1-5调节阀控制2、增量型控制――例如图5-1-6步进电机控制【例5—1】设有一温度控制系统,温

5、度测量范围是0~600℃,温度采用PID控制,控制指标为450±2℃。已知比例系数,积分时间,微分时间,采样周期。当测量值,,时,计算增量输出\。若,计算第n次阀位输出。解:将题中给出的参数代入有关公式计算得,,由题知,给定值,将题中给出的测量值代入公式(5-1-4)计算得代入公式(5-1-16)计算得代入公式(5-1-19)计算得5.1.4PID算法的程序流程一、增量型PID算法的程序流程1、增量型PID算法的算式式中,,2、增量型PID算法的程序流程――图5-1-7(程序清单见教材)\二、位置型PID算法的

6、程序流程1、位置型的递推形式2、位置型PID算法的程序流程――图5-1-9只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算Δu(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。三、对控制量的限制1、控制算法总是受到一定运算字长的限制2、执行机构的实际位置不允许超过上(或下)极限5.2标准PID算法的改进5.2.1微分项的改进一、不完全微分型PID控制算法1、不完全微分型PID算法传递函数图5-2-1不完全微分型PID算法传递函数框图2、完全微分和不完全微分作用的区别图5-2-2完全微分和不完全微分作用的区别

7、3、不完全微分型PID算法的差分方程\4、不完全微分型PID算法的程序流程――图5-2-3二、微分先行和输入滤波1、微分先行微分先行是把对偏差的微分改为对被控量的微分,这样,在给定值变化时,不会产生输出的大幅度变化。而且由于被控量一般不会突变,即使给定值已发生改变,被控量也是缓慢变化的,从而不致引起微分项的突变。微分项的输出增量为2、输入滤波输入滤波就是在计算微分项时,不是直接应用当前时刻的误差e(n),而是采用滤波值e(n),即用过去和当前四个采样时刻的误差的平均值,再通过加权求和形式近似构成微分项5.2.2积

8、分项的改进一、抗积分饱和积分作用虽能消除控制系统的静差,但它也有一个副作用,即会引起积分饱和。在偏差始终存在的情况下,造成积分过量。当偏差方向改变后,需经过一段时间后,输出u(n)才脱离饱和区。这样就造成调节滞后,使系统出现明显的超调,恶化调节品质。这种由积分项引起的过积分作用称为积分饱和现象。克服积分饱和的方法:1、积分限幅法积分限幅法的基本思想是当积分项

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