第四章 计算机控制系统常用的控制规律课件.ppt

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1、第四章：计算机控制系统常用的控制规律§4-1PID控制一、PID控制器的控制作用1、比例（P）控制器●最简单控制器，实际上是增益可调整放大器，即有u(t)=Kp·e(t)u(t)——控制器输出Kp——比例系数e(t)——控制器输入，系统输出偏差例：若偏差e(t)为一个阶跃信号，则比例控制器的响应关系如图所示2、比例、积分（PI）控制器消除静差的办法是在P基础上加I，构成PI控制器，规律为u(t)=Kp[e(t)+（1/Ti）e(t)dt]Ti—积分时间PI控制系统对e(t)为阶跃信号的响应波形如图所示：Ti为积分时间：Ti↑，u(t)→kpe(t

2、)，即积分项作用越小，超调↓，稳定性↑，适宜温度等滞后较大控制对象的控制。Ti↓，积分作用大，速度快，u(t)↑，适宜管道压力、流量等滞后不大的对象。所以，Ti也要根据对象选择。注意：加入积分控制时，比例控制量要适当降低，为积分控制量腾出作用空间。PI控制器可清除系统静差3、比例、积分、微分（PID）控制器PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代价的，而且Ti越大，代价越高。在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。采用的方

3、法：在PI基础上再加一级D（微分）环节，构成PID调节器，控制规律为其中为微分环节；为微分时间常数。偏差变化越快，微分作用项越大，控制量就越大，故微分作用的加入有助于减小超调、克服振荡，有助于系统稳定。它加快了系统的动作速度，缩短了调整时间，从而改善了系统的动态性能。PID控制系统对e(t)为阶跃信号的响应波形如图所示：二、PID控制器的离散化离散化方法：T——采样周期●位置式PID控制算式u(k)——第k次采样时计算机输出值位置式PID控制系统算法程序框图如图所示。计算机输出u(k)与执行机构的实际位置一一对应，u(k)的大幅度变化将引起执行机构

4、位置的大幅度变化。位置式PID的输出不仅与本次偏差有关，而且与历次测量偏差有关，计算时要对误差累加，计算机运算工作量大。●增量式PID控制算式两次采样计算机输出的增量为：Ki——积分系数Kd——微分系数第(k-1)次采样有：增量式PID控制系统算法程序框图如图所示。计算机发生故障时，影响范围小。手动-自动切换时冲击小。计算工作量小。三、数字PID控制算法的改进带有死区的PID算式控制算式为：其控制特性如图所示：这种控制方式适用于控制精度不太高，控制动作尽可能少的场合。积分分离式PID控制算法控制算式为：基本思想：大偏差时，去掉积分作用，以免积分作用

5、使系统稳定性变差；小偏差时，投入积分作用，以便消除静差，提高控制精度。积分分离式PID控制程序框图如图所示。对于同一控制对象，普通PID与积分分离PID响应曲线如图所示。不完全微分的PID控制算法不完全微分PID的结构如图图a所示结构的传递函数为:将微分部分化成微分方程：将微分项化成差分项：令：在单位阶跃输入下,普通PID和不完全微分PID输出特性比较如图所示。与普通PID中微分部分比较，不完全微分部分输出在第一个采样周期内脉冲高度下降，此后按的规律逐渐衰减，输出均匀。普通PID的控制品质较差，其原因是微分作用仅局限于第一个采样周期有一个大幅度的输

6、出。不完全微分PID的控制品质好，其原因是微分作用能缓慢地持续多个采样周期。微分先行PID控制算法结构框图为：控制算式为：四、数字PID控制器参数的整定●采样周期的选择►对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取较短的采样周期；反之，则长一些。►过程纯滞后较明显，采样周期可与纯滞后时间大致相等。被控参数采样周期/s备注流量1~5优先选用1~2s压力3~10优先选用6~8s液位6~8温度15~20或取纯滞后时间成分15~20选取采样周期时应考虑的几个因素：►采样周期应远远小于对象时间常数►采样周期应远小于对象的扰动信号周期►考虑对象所要求的调

7、节品质►考虑执行器的响应速度►考虑计算机所承担的工作量●PID参数的整定1、试凑法具体步骤：先投比例，整定比例系数。加入积分，整定积分时间。加入微分，整定微分时间。数字PID控制算法的参数选择一般根据►被控过程的特性►采样周期的大小►工程上其它具体要求►选取一个很小的采样周期►使计算机过程控制系统为纯比例控制，改变比例系数，使其出现等幅振荡，得到临界比例系数和临界周期。2.扩充临界比例法控制度控制规律1．05PIPID0．030．0140．550．630．880．49—0．141．2PIPID0．050．0430．490．470．910．47—0

8、．161．5PIPID0．140．090．420．340．990．43—0．22．0PIPID0．220．160．360．