第8章 数字PID算法的改进课件.ppt

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1、8.2PID控制算法的改进由于计算机控制系统的灵活性，除了按数字PID位置型算式和数字PID增量型算式进行标准的PID控制计算外，可根据系统的实际要求，对PID控制算法进行改进，以达到改善控制质量的目的。本节介绍几种数字PID的改进算法。8.2.1带死区的PID算式1、问题在某些计算机控制系统中，为了避免控制动作过于频繁所引起的振荡，可采用带死区的PID控制系统。带死区的PID控制系统：是人为地在计算机中设置一个不灵敏区域。8.2PID控制算法的改进（2）带死区的PID控制结构如图8-6所示。当时，当≤时，死区是

2、一个可调的参数。其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。值太小，使调节动作过于频繁，不能达到稳定被调对象的目的。如果取得太大，则系统将产生很大的滞后。当=0（或K=1）时，则为PID控制。执行机构PID＋－图8-6带死区的PID控制计算机算法框图示于图8-7。8.2PID控制算法的改进（3）结束采样NY开始图8-7带死区的PID算法框图8.2PID控制算法的改进（4）8.2.2积分分离的PID算式1、问题积分项副作用在一般的PID控制系统中，当系统在开工、停工或大幅度升降给定值时，短时间内产生很大偏差，由于积分项

3、的作用，往往会产生严重的积分饱和现象，将会使系统的输出产生一个很大的超调量和长时间的波动。这种现象对于变化比较缓慢的对象，如温度、液位调节系统，其影响更为严重，有可能引起系统的振荡。2、解决方法积分分离变速积分思路：偏差较大时，取消或减弱积分作用；当偏差较小时，才将积分作用投入或加强。8.2PID控制算法的改进（5）积分饱和在一般的PID控制系统中，当系统在启动、结束或大幅度增减给定值时，短时间内会产生很大的偏差

4、e(k)

5、，造成PID运算的积分积累，致使算得的控制量超过了执行机构可能最大动作范围,如超过了阀门的

6、全开(或全闭)的控制量Pmax(或Pmin)，此时实际的控制量只能限制在Pmax(下页图b)，而不是计算值(图a)。这就是控制执行机构的饱和。当输出量m(t)超过给定值r(t)时，叫做超调，此时偏差为负(e(k)<0)。由于积分项的作用，进入饱和区后,即便是负偏差,也不能使输出控制量立即退出饱和区，如图b所示，延时一段时间才退出饱和区。注意区分：偏差e(t)、给定值r(t)、输出量m(t)、控制量P(t)。8.2PID控制算法的改进（6）给定值超调超调测量值（输出值）超调控制限定值这种饱和称为“积分饱和”。饱和

7、引起输出超调，甚至产生震荡，使系统不稳定。为了消除积分饱和的影响，人们研究了很多对PID算法的修正方法，如积分分离法、变速积分法等。积分分离算法要设置分离阀值：当≤时，也即偏差值比较小时，采用PID控制，可保证系统控制精度。当＞时，也即偏差值比较大时，采用PD控制，可使超调量大幅降低。积分分离PID算法可表示为：式中称为逻辑系数8.2PID控制算法的改进（7）采用积分分离PID算法以后，控制效果如图8-8所示8.2PID控制算法的改进（8）一般PID12积分分离PID开始引入积分作用图8-8积分分离PID控制的效

8、果8.2PID控制算法的改进（9）8.2.3变速积分的PID算式变速积分PID的基本作法：偏差大时，使积分累加速度变慢，积分作用减弱；偏差小时，使积分累加速度加快，积分作用增强。为此，设置一系数f[e(k)]，它是e(k)的函数。当

9、e(k)

10、增大时，f减小；当

11、e(k)

12、减小时，f增大。8.2PID控制算法的改进（10）系数与偏差e(k)的关系为变速积分PID积分项表达式为值在区间内变化。变速积分PID控制算法8.2PID控制算法的改进（11）0BA+B-B-A-Be(k)tPID变速积分变速积分PDPD8.2

13、PID控制算法的改进（12）变速积分与积分分离控制方法很类似，但调节方式不同。积分分离：对积分项采用“开关”控制；变速积分：则是根据偏差的大小，改变积分项速度，属线性控制。因而，变速积分PID控制的调节品质大为提高。8.2PID控制算法的改进（13）8.2.4不完全微分的PID算式1、问题---微分项的副作用微分项的引入，主要是改善系统的动态性能，但也有副作用。在标准PID算式中，当有阶跃信号输入时，微分项输出急剧增加，容易引起超调和控制过程振荡，导致调节品质下降。2、解决方法----不完全微分的PID算式为了解

14、决这一问题，同时要保证微分作用有效，可以参照模拟调节器的方法，采用不完全微分的PID算式。8.2PID控制算法的改进（14）首先分析标准数字PID控制器中的微分作用。由式可得出各部分的输出同偏差的关系：①比例部分的输出同偏差的关系②积分部分的输出同偏差的关系③微分部分的输出同偏差的关系当为单位阶跃函数，即时得：从中得出微分部分的输出序列为：8.2PID控制算法的改进（15