数字PID控制技术课件.ppt

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1、第5章数字PID控制技术PID控制概述数字PID控制算法的实现数字PID控制算法的改进5-1PID控制概述5-2数字PID控制算法的实现一、数字PID控制1、数字PID位置型控制算法为了便于计算机实现PID控制规律,必须把连续变化的PID控制规律离散化,即变换成差分方程,为此作如下近似那么可得到离散化的PID差分方程为:Kp-比例系数T-采样时间TI-积分时间TD-微分时间E(k)-第k次采样时的偏差值E(k-1)-第(k-1)次采样时的偏差值k-采样序号,k=0,1,2…2、数字PID增量型控制算法若按位置型控制算法输出值与过去的所有状态有关,将占用计算机大量内

2、存和计算时间,对实时控制非常不利,为此,考虑写成递推形式:在很多控制系统中,由于执行机构仅需要增量信号即可,由5-2式可得为了编制程序方便,可将5-3时改成下式二、数字PID控制工程的实现数字PID控制在计算机控制系统中,实质上对应于一个PID控制模块程序。如右图所示为一位置型的PID控制算法程序流程图。5-3数字PID控制算法的改进一般情况下,用计算机实现PID控制规律,不能把PID控制规律简单地离散化,否则,将不能得到比模拟调节器优越的控制质量。这是因为:模拟控制器的控制作用是连续的,而用计算机做控制器,在输出零阶保持器的作用下,控制量在一个采样周期内是不变的

3、。由于计算机进行数值计算和输入输出等工作需要一定时间,造成控制作用在时间上存在延迟。计算机的有限字长和A/D、D/A转换精度将造成控制作用的误差。因此,应充分利用计算机的运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等特点,采用一些模拟控制器难以实现的复杂控制规律,使PID控制更加合理和灵活多样,使其更能满足实际生产过程的不同需要,才能在控制性能上超过模拟控制器。一、积分项的改进在PID控制中,当扰动比较大或是大幅度地改变给定值时,用于此时有较大的偏差,以及系统有惯性和滞后,故在积分控制作用下,往往会产生较大的超调和长时间的波动。因此,在误差较大的阶段,完全可以先不投入积分

4、控制,以比例控制为主,利用比例控制产生较大的控制作用,迅速地将误差减小。当误差减小到一定程度后,再将积分投入,从而达到完全消除误差,这就是所谓的积分分离法。1、积分分离法基本算法如下:具有积分分离作用的控制过程曲线2、抗积分饱和控制器饱和现象的出现往往是因为长期存在偏差或偏差过大造成的,人们并不希望控制器的输出值超出D/A器所能表示值的范围。以12位D/A转换器为例,它能接受的数值范围是000H~FFFH。为此,可采取人为限幅的方法。当u(k)<000H时,取u(k)=0;当u(k)>FFFH时,取u(k)=FFFH3、消除积分不灵敏区在实际的PID算法中,其积分

5、控制算法时按下式进行的,该式是计算增量。特别是当采样时间比较小,而积分时间有比较长时,其计算值往往是比较小的。当小于计算机字长精度时,就会造成积分可在不起作用,称之为积分不灵敏区。例子P113解决的办法是:增加A/D、D/A的转换位数,加长运算字长;当积分项ΔuI(k)连续n次小与输出字长精度时,不要把它们作0舍弃,而是把它们累加起来,即当SI大于字长精度后,才输出SI,同时把累加单元清零,这样就可消除残差二、微分项的改进对具有高频扰动的生产过程,微分作用的响应过于灵敏,容易引起控制过程振荡,降低调节品质。同时又要微分起作用,可以通过串联一阶惯性环节来实现,就组成

6、了不完全微分PID控制器。1、不完全微分控制算法一2、不完全微分控制算法二在标准的PID的输出端串联一阶惯性环节时,就构成了另一种不完全微分PID控制。对应控制器的传递函数为:按二阶工程设计法设计数字PID控制器方法和实例二阶系统是工业生产过程中很常见的一种系统,其闭环传递函数的一般形式为

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