第3章 数字PID控制算法-医学课件.ppt

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1、第3章数字PID控制算法1内容提要概述标准的PID算法改进的PID算法数字PID算法应用中的问题PID参数整定方法PID算法仿真实例2概述按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID（Proportional-Integral-Differential）调节器PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PID算法代替了模拟PID调节器。3概述PID调节器的优点★技术成熟★易被人们熟悉和掌握★不需要

2、建立数学模型★控制效果好4概述PID控制实现的控制方式◆模拟方式：用电子电路调节器，在调节器中，将被测信号与给定值比较，然后把比较出的差值经PID电路运算后送到执行机构，改变给进量，达到调节之目的。◆数字方式：用计算机进行PID运算，将计算结果转换成模拟量，输出去控制执行机构。5模拟PID调节器模拟PID调节器PID控制器是一种线性控制器；根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。61.比例调节器2.比例积分调节器3.比例微分调节器4.比例积分微分调节器PID调节器的基本结构7控制规律：其中：为比例系数；比例调节的特点：比例调节器对于偏差是即时反应

3、，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。只有当偏差发生变化时，控制量才变化。（1）比例调节器缺点：不能消除静差；过大，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。图2P调节器的阶跃响应8（2）比例积分调节器控制规律：积分调节的特点：调节器的输出与偏差存在的时间有关。只要偏差不为零，输出就会随时间不断增加，并减小偏差，直至消除偏差，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。其中：为积分时间常数。缺点：降低响应速度。图3PI调节器的阶跃响应00upKpK0tiTut110t0et9（3）比例微分

4、调节器控制规律：其中：为微分时间常数。微分调节的特点：在偏差出现或变化的瞬间，产生一个正比于偏差变化率的控制作用，它总是反对偏差向任何方向的变化，偏差变化越快，反对作用越强。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。缺点：太大，易引起系统不稳定。图4理想PD调节器的阶跃响应101et0t00tutpK0u10（4）比例积分微分调节器控制规律：比例积分微分三作用的线性组合。在阶跃信号的作用下，首先是比例和微分作用，使其调节作用加强，然后是积分作用，直到消除偏差。图5理想PI

5、D调节器的阶跃响应101et0t00tiTutpKpK0u11数字PID控制器当采样周期足够小时，在模拟调节器的基础上，通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。可作如下近似:式中，T为采样周期，k为采样序号。12三种标准的数字PID控制算法（l）数字PID位置型控制算法控制算法提供了执行机构的位置。式中：或：13（2）数字PID增量型控制算法由位置型算法又∵，得：得：增量型算法只需保持前3个时刻的偏差值。14数字PID控制速度算法它是增量算法除以采样周期，是增量算法的变形，没有累加和项，不会出现积分饱和，

6、避免了大的超调和震荡三种算法的选择：一是要考虑执行器的形式，另一方面要分析应用时的方便性1、从执行器看：位置算法的输出除用数字式控制阀可直接连接外，一般须经D/A转换为模拟量，还要有保持电路。而增量算法可通过步进电机等累积机构转化为模拟量。速度算法的输出采用积分式执行机构。2、从应用方面看：增量和速度手自动切换较方便；不产生积分饱和。位置算法正好相反。15（3）两种标准PID控制算法比较图6两种PID控制算法实现的闭环系统（a）位置型（b）增量型16增量式PID控制算法的优点★增量式算法不需做累加，计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小；位置式算

7、法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差。★控制从手动切换到自动时，位置式算法必须先将计算机的输出值置为原始值u0时，才能保证无冲击切换；增量式算法与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。★一般认为，在以闸管或伺服电机作为执行器件，或对控制精度要求较高的系统中，应当采用位置式算法；而在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则应采用增量式算法。17数字PID控制算法◆位置式PID控制算法的程序设计思路：将三项拆开，并应用递推进行编程比例输出积分输出微分输出18数字PID控制算法◆增量式PID控制算法增量式PID控制算法的程序设计初始化时

8、，需首先置入调节参数d0，d1，d2和设定值R，并设置误差初值ei=ei–1=ei–2=019