现场总线一数字ID控制算法概要PPT课件.ppt

第一章 数字PID控制算法 郑辑光西安交通大学自动控制研究所2002年6月5日 1 控制系统性能分析与设计 2 广义对象 的概念 3 本节教学要求 目的 掌握基本的PID控制算法 各种变形的PID控制算法 以及模拟算法的数字离散化方法 参考教材2 3 2 5节 4 2节 4 工业自动化常用控制算法 PID类 包括 单回路PID 串级 前馈 均匀 比值 分程 选择或超驰控制等 特点 主要适用于SISO系统 基本上不需要对象的动态模型 结构简单 在线调整方便 APC类 先进控制方法 包括 解耦控制 内模控制 预测控制 自适应控制等 特点 主要适用于MIMO 大纯滞后 有约束系统 需要动态模型 结构复杂 在线计算量大 5 数字PID控制算法 为什么在工业过程控制中大都 将近90 以上 采用PID控制器 PID控制器作为工业控制中的主导控制器结构 其获得成功应用的关键在于 大多数过程可由低阶动态环节 一阶或二阶惯性加纯滞后 简记作 FOPDT及SOPDT 近似逼近 而针对此类过程 PID控制器代表了一个实用而廉价的解 6 PID控制器的发展背景 7 最基本的控制器 8 1 1 基本PID控制算法 9 比例 P 控制算法 10 比例 P 控制算法 一般来说 上述第二个条件并不能够对所有设定值得到满足 当然 u0可以根据设定值变化进行相应调整 但至少有必要首先知道被控过程的稳态增益 因此 对于比例控制 可以在满足闭环稳定性要求的前提下 取最高的比例增益 以减小稳态误差 此外 如果选取u0恰好在控制信号操作范围的中间 则可以使得可能出现的最大稳态误差最小化 因此 在大多数控制器中 取u0 50 11 比例积分 PI 控制算法 12 比例微分 PD 控制算法 13 比例微分 PD 控制算法 14 比例带的定义 15 不完全微分 16 基本PID控制算法小结 P PID PI 17 1 2 变形的PID控制算法 一 微分先行PID控制算法 PI D算法二 比例先行PID控制算法 I PD算法三 带设定值滤波的PID控制算法 部分比例先行PID算法 18 变形的PID控制算法 微分先行的必要性 微分动作是建立在对未来时刻误差大小的估计基础之上的 当设定值不变时 微分不起作用 而设定值调整时 属于阶跃突变 因而微分也不具有预测作用 而且还会给过程造成冲击 故一般过程调节系统 定值控制 扰动抑制为主 取微分动作仅仅作用于测量值 对纯滞后对象 微分效果不理想也是同样的道理 19 2020 1 7 20 变形的PID控制算法 一 微分先行 PI D 算法 21 变形的PID控制算法 二 比例先行 I PD 算法 22 变形的PID控制算法 比例先行算法的等效形式 23 变形的PID控制算法 三 部分比例先行PID算法 24 变形的PID控制算法 25 设定值跳变时的响应 26 1 3 PID时域 频域分析 一 频域响应特性 已知PID控制器的传递函数为 假设 则根据可画出PID控制器的频域响应曲线 27 PID控制器的频域响应特性 28 控制器的频域响应特性 典型 数字 预测控制器的频域响应特性 29 PID控制器的时域响应特性 二 时域响应特性 已知PID控制器的时域表达式为 取单位阶跃偏差输入 30 模拟控制器的离散化方法 基本PID的离散表达式 31 数字离散化方法举例 32 数字离散化方法总结 设为延迟算子 表示延迟一拍 则有 对比式 上式即可实现微分运算 33 数字离散化方法举例 问题 求解一阶惯性环节的离散差分方程实现 其中 为输入信号 为滤波器输出信 解 将上式化作时域形式 取采样周期为 有 34 数字离散化方法 宗旨 采用有理函数逼近 后向差分 应用 不完全微分项 惯性滤波算法等 前向差分 应用 抗积分饱和算法中的积分项 以上两种方法要求采样周期相对系统的时间常数要足够的小 即属于 准连续 数字控制算法 35 PID控制算法的局限性 工业中的难控过程或对象 大时延过程 传输延迟过大 时变对象 如变增益过程等 多变量 强 耦合过程 高阶振荡对象严重非线性过程 如PH值中和反应 一般不能用二阶或者一阶惯性加纯滞后对象近似描述的过程均属于难控过程 36 第一章 思考题 1 已知水槽水位比例控制系统如右图所示 假设系统处于初始无偏差平衡状态 此时将输出手阀开度增大一些 试分析系统动态响应过程 并判断系统能否过度到另一稳定平衡状态 若能 是否存在稳态偏差 说明理由 37 第一章 思考题 2