数字PID控制算法_滤波算法

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1、数字PID控制算法之二杨根科上海交通大学自动化系2010年9月内容提要概述准连续PID控制算法对标准PID算法的改进PID调节器的参数选择小结对标准PID算法的改进积分饱和作用及其抑制◆积分饱和：如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差，由于积分的作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行结构已无相应的动作，控制信号则进入深度饱和区。◆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、有限偏差法对标准PID算法的改进（2）◆遇限削弱积分法—基本思想：一旦控制量进入饱和区，则停止进行增大积分

2、的运算。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。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。对标准PID算法的改进（5）比例及微分饱和作用：◆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，其表现形式不是超调，而是减慢动态过程对标准PID算法的改进（6）◆纠

3、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，再补充执行对标准PID算法的改进（7）◆纠正比例和微分饱和的另一种办法是采用不完全微分，即将过大的控制输出分几次执行，以避免出现饱和现象对标准PID算法的改进（8）干扰的抑制◆从系统硬件及环境方面采取措施◆在控制算法上采取措施★数字滤波方法★修改微分项对标准PID算法的改进（9）◆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

4、(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、功能强的特点对标准PID算法的改进（10）★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对标准PID算法的改进（11）（1）限幅滤波若

5、Y(k)-Y(k-1)

6、≤⊿Y，则(k)=Y(k)，取本次采样值若

7、

8、Y(k)-Y(k-1)

9、>⊿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

10、Y(2)-Y(1)

11、≤⊿Y时，采用Y(2)当

12、Y(2)-Y(1)

13、>⊿Y时，不采用Y(2)，但保留，继续采样取得Y(3)当

14、Y(3)-Y(2)

15、≤⊿Y时，采用Y(3)当

16、Y(2)-Y(1)

17、>⊿Y时，取(Y(3)+Y(2))/2为采样值对标准PID算法的改进（12）★中值滤波—方法：将被测参数连续采样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

18、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，但不适合快速变化的过程参数对标准PID算法的改进（13）★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对标准PID算法的改进（14）★加权平均滤波—为了提高滤波效果，将各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

19、间较大而采样周期较短的过程并且对标准PID算法的改进（15）★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对标准PID算法的改进（16）★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对标准PID算法的改进（17）★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

20、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