数字PID控制器的改进.ppt

5.1.3 数字PID控制器的改进,1. 积分分离数字PID控制算法 2.带死区的数字PID控制算法 3.不完全微分数字PID控制算法,PID调节器的控制规律为： （1）比例环节。即时、成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用减少偏差。 （2）积分环节。主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越强。但积分作用也会导致调节器的相位滞后，每增加一个积分环节就使相位滞后90。引入积分作用还会产生积分饱和，这些在使用中都应加以注意。 （3）微分环节。微分作用是按偏差的变化趋势进行控制。因此，微分作用的引入，有利于改善高阶系统的调节品质。同时微分作用会带来相位超前。每引入一个微分环节，相位就超前90，从而有利于改善系统的稳定性。,传统PID算法仿真,1、比例（P）控制 比例控制器的传递函数为： P控制只改变系统的增益而不影响相位，它对系统的影响主要反映在系统的稳态误差和稳定性上，增大比例系数可提高系统的开环增益，减小系数的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但这会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统的不稳当，因此，在系统校正和设计中，P控制一般不单独使用。 具有比例控制器的系统结构如图所示。,2、比例微分（PD）控制 PD的传递函数为： PD控制器的输出信号为： 在微分控制中，控制器的输入与输出误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制反映误差的变化率，只有当误差随时间变化时，微分控制才会对系统起作用，而对无变化或缓慢变化的对象不起作用。因此微分控制在任何情况下不能单独与被控对象串联使用，而只能构成PD或PID控制。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至不稳定。原因是由于存在有较大的惯性的组件（环节）或有滞后的组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。,这就是说，在控制器中引入“比例”项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有“比例+微分”的控制器，就能提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。因此对有比较大惯性或滞后的被控对象，“比例+微分”（PD）控制器能改善系统条件过程中的动态特性。 另外，微分控制对纯滞后环节不能起到改善控制品质的作用且具有放大高频噪声信号的缺点。 在实际应用中，当设定值有突变时，为了防止由于微分控制输出的突跳，常将微分控制环节设置在反馈回路中，这种做法称为微分先行，即微分运算只对测量信号进行，而不对设定信号进行。,3、积分（I）控制 I控制的传递函数为： 控制器的输出信号为： 对于一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，知道等于零。 通常，采用积分控制的主要目的就是使系统无稳态误差，由于积分引入了相位滞后，所以使系统稳定性变差。增加积分控制对系统而言是加入了极点，对系统的响应而言是可消除稳态误差，但这对瞬时响应会造成不良影响，甚至造成不稳当，因此，积分控制一般不单独使用，通常结合比例控制器构成比例积分（PI）控制器。,4、比例积分（PI）控制 PI控制的传递函数为： 控制器的输出信号为： PI控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 PI控制器与被控对象串联时，相当于在系统增加了一个位于原点的开环极点。同时也增加了一个位于S左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除货减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实部零点则可以减小系统的阻尼比，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不利影响。在实际工程中，PI控制器通常用来改善系统的稳态性能。,5.比例积分微分（PID）控制 PID控制的传递函数为： PID控制器的输出信号： PID控制通过积分作业消除误差，而微分控制可缩小超越量、加快系