数字pid控制的实现技术

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1、§2PID算法的实现技术PID算法的实现技术目的：掌握数字PID控制算法在工程应用中的实现技术，包括采样周期、字长的选取，无扰切换与抗积分饱和算法，控制器的正反作用方式等等。数字PID控制的位置式与增量式算法；数字PID控制器采样周期的选取；数字PID控制器的正、反作用方式；数字PID控制器积分字长的确定；过程输入约束及PID抗积分饱和算法；控制器的手动、自动无扰切换。§2－1：位置式与增量式算法一、基本PID的位置型离散表达式T-采样周期，k-采样序号kT-n(1)二、增量式数字PID控制算法（n-1）时刻(1)-(2)(2)增量式数字PID控制算法增量式算法的控制器结构

2、举例：位置式与增量式算法的对比1.增量式PID控制算法如取为实际阀位反馈信号,或反映执行器特性的内部执行器模型输出,则不会发生积分饱和现象;并且由MAN模式切换到AUTO模式时,易于实现无扰.2.增量式PID算法必须采用积分项。因为比例、微分项除了在设定值改变后的一个周期内与设定值有关外，其它时间均与设定值无关；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。这样，被控过程会漂离设定点§2－2：采样周期的选择香农“采样定理”基于如下两点假设：（1）原始信号是周期的；（2）根据在无限时域上的采样信号来恢复原始信号。例如：采样周期的选择在实时采样控制系统中，则要求在每个采样时刻，以有限个

3、采样数据近似恢复原始信号，所以不能照搬采样定理的结论。采样周期的选取要考虑以下几个因素：1.被控过程的动态特性；2.扰动特性；3.信噪比（信噪比小，采样周期就要大些）。采样周期的选择流量控制中不同采样周期的比较：§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：§2－3：“正反作用”方式控制系统引入正反作用方式的必要性：“正反作用”方式的定义定义（P.82）：正作用（DirectAction）：随着被控过程输出测量信号的增加，调节器输出也增加；反作用（ReverseAction）：随着被控过程输出测量信号

4、的增加，调节器输出减小。“正反作用”方式曲线描述图示：“正反作用”方式的选择选择要点：决定于对象特性及调节阀结构，最终是为了使控制回路成为“负反馈”系统。具体工程上的判断方法为：（1）假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统（2）回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路中除控制器外的各环节的作用方向，再来确定控制器的正反作用。气动调节阀的结构u(t)：控制器输出(4~20mA或0~10mADC)；pc：调节阀气动控制信号（20~100kPa）；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。气动调节阀的结构阀门的“气

5、开”与“气关”1.气开阀与气闭阀*气开阀：pc↑→q↑(“气大阀开”)*气闭阀：pc↑→q↓(“气大阀关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气闭阀全开。2.气开阀与气闭阀的选择原则*若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气闭阀，如加热炉进风蝶阀。常见的现场执行机构控制对象特性水位控制系统举例：在初始稳态条件下，有关系式：则当时，实际各变量为：练习：调节阀与控制器的选取问题：请确定调节器LC的正反作用。§2－4：积分字长的确定必要性：在DDC控制的数字仪表中，为提高运算速度，内部程序一般采用汇编语言编写，而若字长选取不

6、当，会严重影响控制精度，以PID控制算法为例：若调节器的比例度P=500%，积分时间常数Ti=1800秒，采样周期T=0.2秒，则只有偏差：即只有当偏差幅度超过满刻度的2/3以上时，积分分量才会发挥作用，这事实上形同虚设。PID控制器积分字长的确定选取原则：根据如下积分式：在所有有关参数取允许的极限值条件下，计算积分项可能达到最小值，据此最小值选取合适的字长，使得该最小值不会因为字长有限而被舍弃掉，从而导致积分作用形同虚设。其中，:采样周期；：比例增益；：积分时间常数。§2－5：PID抗积分饱和算法工程背景分析（P.82）：工作在扰动幅度大或频繁启动的断续生产过程中的调节器

7、，如果调节规律中包含积分作用，由于被调量长时间偏离给定位，偏差信号长时间处于较大的数值，经常使积分器进入深度饱和状态。一且进入这种状态，偏差信号反向时，由于积分器退出饱和需要时间，调节器输出在很长的时间中仍将保持饱和值。这会使系统调节质量下降，超调量变大，过度过程时间延长，严重时还会发生事故。积分器进入深度饱和的原因有下面两方面：一是大幅度偏差信号的长时间存在，二是积分器输出达到饱和值后积分项数据的继续累加。解决其中的一个，便可避免深度饱和现象的发生。PID抗积分饱和算法积分饱和对系统性能的影响：PID抗积分饱和算