数字PID备课讲稿.ppt

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1、第4章数字PID控制技术本章主要介绍PID调节器的优点、原理、数字实现，PID算法的积分饱和作用及其抑制方法，PID参数的整定等。1引言一、模拟控制系统和数字控制系统的区别1.模拟控制系统其过程控制的方式如图所示（图中调节器多为气动或电动单元组合仪表）：2.数字控制系统在数字控制系统中，用数字调节器来代替模拟调节器。图4.1模拟控制系统过程控制方框图2图4.2数字控制系统过程控制方框图二、计算机控制系统的优点1.一机多用：由于计算机运算速度快，而被控对象变化一般都比较缓慢，可用一台计算机控制多个回路，节省设备费用；2.控制算法灵活：如PID、大林算法、最优控制等；3.可靠性高：由于计算

2、机控制算法是用软件实现的，因此比用硬件组成的模拟调节器具有更高的可靠性，且系统维护简单；4.可改变调节品质，提高产品的产量和质量；5.安全生产，改善工人劳动条件。3三、计算机控制系统中常用的控制算法1.程序和顺序控制程序控制：是被控量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控量是时间的函数。顺序控制：可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对前段控制结果的逻辑判断。2.比例积分微分控制（简称PID控制）即Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的缩写，调节器的输出是其

3、输入的比例、积分微分函数。3.复杂规律的控制如串级控制、前馈控制、多变量解耦控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。4.智能控制可以看作是人工智能、运筹学和控制理论的交叉或汇合。44.1数字PID控制规律在模拟系统中，PID算法的表达式为：式中：P(t)——调节器的输出信号；e(t)——调节器的偏差信号，等于测量值与给定值之差；KP——调节器的比例系数；TI——调节器的积分时间；TD——调节器的微分时间；PID调节的实质：根据输入的偏差信号，按比例、积分、微分的函数关系进行计算，其运算结果用于输出控制。5一、PID控制规律的数字实现（一）优点PID在数字化的计算机时代能得到广泛应用，

4、主要有以下优点：1.技术成熟，结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，还可以根据系统的要求，采用各种PID的变种，如PI、PD控制、不完全微分控制、积分分离式PID控制、带死区的PID控制、变速积分PID控制、比例PID控制等；2.易被人们熟悉和掌握；3.不需要求出数学模型；4.控制效果好。（二）模拟PID调节器PID控制器是一种线性调节器，其框图如图所示：6图4.3模拟PID调节器方框图PID控制器把给定值W与实际输出值Y相减，得到控制偏差e，偏差e经比例、积分、微分运算后，通过线性组合构成控制量u，然后用u对对象进行控制。71.比例调节器是一种简单的调节器，其控制规律为：u=KPe+

5、u0KP：比例系数，u0：控制常量，即误差为零时的控制变量；如图所示，比例调节器对误差e是即时响应的，误差一旦产生，调节器立即产生控制，使被控制的过程变量Y向误差减小的方向变化。（1）问题：对于有些控制对象，比例调节器回存在静差（残存的误差），加大比例系数KP可以减小静差，但当KP过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。（2）优点：反应快。（3）缺点：不能完全消除静差。82.比例积分（PI）调节器其控制规律是：Ti：积分常数，Ti越大，积分作用越弱。积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，虽然误差不变，但积分器的输出还在增加，直至使误差e=0。积分器的加入相当于能自动调节控制常量u

6、0，消除静差，使系统趋于稳定。93.比例积分微分（PID）调节器其控制规律是：Td：微分常数，Td越大，微分作用越强。积分器虽然能够消除静差，但使系统的响应速度变慢，进一步改进是通过检测误差的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应。理想的PID调节器对误差的阶跃响应如图所示：1011在误差e阶跃变化的瞬间t=t0处有一冲激式瞬时响应，这是由微分调节器产生的，它对误差的变化产生一个控制作用，以调整系统输出，阻止误差的变化。误差变化速度越快ud越大，反馈校正量则越大，故微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态

7、性能。（三）PID控制算法的数字实现采用单片微机作为控制器核心的自动控制系统简化框图如图所示：图4.4单片机自动控制系统简化框图12它是由8031、8051或8751等单片微机系统通过A/D电路检测过程变量Y，并计算误差e和控制变量u，通过D/A变换后输出到执行机构，使过程Y稳定在设定点上。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差计算控制变量u，因此模拟PID控制算法公式中的积分项和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近