数字PID及其参数整定方法ppt课件

第7章数字PID及其算法、数字PID及其算法主要内容：1PID算法的原理和数字实现2数字PID调整的几个实际问题3多个开发PID算法4PID参数调整方法，7.0概述，比较了仿真控制过程和数字控制过程的区别。计算机控制系统的优点：1机器多用途；2控制算法是灵活的。3稳定性好。4控制质量高；一些概念：1过程控制：根据预定时间函数的变化控制的控件是时间函数。双顺序控制：控制系统是指根据预定义的控制要求，根据每个输入信号的条件，过程中的每个执行机构按照预定义的顺序自动执行。7.0概述，PID控制：调节器的输出是输入比、积分和微分函数。直接数字控制：根据采样定理，受控对象的数学模型首先离散，然后计算机由数学模型控制。最优控制：使控制过程达到特定最优的控制。模糊控制：由于受控制对象的不确定性，可以进行模糊控制。7.1PID算法的原理和数字实现，PID调节器的优点：1 .技术成熟2。熟悉易懂。3.没有必要建立数学模型。4.控制PID调整的本质：根据系统输入的偏差，根据PID的函数关系进行运算，结果用于控制输出。PID调整的特点：在PID的函数中，每个项目的物理意义很明显，调整很灵活，并且可以通过程序轻松实现。7.1PID算法的原理和数字实现，7.1.1模拟PID调整原理PID调节器是线性调节器，设置值w与实际值y的偏差。e=w-y由比例、积分、微分组成线性组合的控制量。7.1PID算法的原理和数字实现，1 .比例调节器比例调节器的微分方程如下。y=KPe(t)表达式：y是调节器输出；Kp是比例系数。输入E(t)控制器的偏差。比例调整的特点可以由上而下看。调节器的输出与输入偏差成正比。如果出现偏差，具有及时产生与此成比例的调节作用，使捡料向减少偏差的方向转变的及时调节的特点。但是，如果Kp通过大会，动态质量可能会下降，系统可能变得不稳定。比例调节器的特性曲线，如下图所示。7.1PID算法的原理和数字实现，阶段响应特性曲线，7.1PID算法的原理和数字实现，2 .积分调节器积分作用的作用是，调节器的输出与输入偏差的积分成正比，消除静态差。积分方程是：表达式的中间：TI是积分时间常数，表示积分速度的大小，TI越大，积分速度越慢，积分效果越弱。积分效果的响应特性曲线，如下图所示。图中的曲线表明，7.1PID算法的原理和数字实现，积分反应曲线只要偏差不为零，相应的控制量就生成并相应地控制。增加Ti可减少积分效果。也就是说，可以减缓消除停车的过程，减少超载，提高稳定性。7.1PID算法的原理和数字实现，3 .微分调节器微分调节对偏差的变化进行控制，使偏差消失到初始状态，微分方程如下：微分反应曲线如下图所示。7.1PID算法的原理和数字实现表明，差分分量对偏差的所有变化都起到了调节系统输出和防止偏差变化的控制作用。偏差变化越快，产生的阻塞效果越大。差异效果的特点是添加差异调节，有助于减少过度冲击，克服冲击，稳定系统。他提高了系统的运行速度，减少了调整时间，改善了系统的动态性能。，7.1PID算法的原理和数字实现，模拟系统中7.1.2PID算法的数字化，PID算法的表达式：格式：P(t):调节器输出e(t):调节器输出E(t):调节器的偏差信号Kp:比例系数Ti:积分时间Td:微分时间，7.0根据递归原理增量：格式：Kp比例系数Ki=Kp*(T/Ti)积分系数Kd=Kp*(Td/T)微分系数。高：(7-7)增量控件。(7-7)，7.1PID算法的原理和数字实现，增量PID算法只需要保留当前时刻的前3小时错误。与基于位置的PID相比，它具有以下优点：(1)基于位置的PID算法与每个输出的总体历史状态相关，并且在计算中使用以前错误的累积值，因此更容易发生累积计算错误。增量PID仅需要计算增量，如果计算错误或精度不足，对控制量计算的影响较小。(2)控制从手动切换为自动化时，基于位置的PID算法必须将计算机的输出值设置为打开原始阀，才能保证无冲击切换。使用增量算法，无论原始值如何，手动-自动无冲击切换都很容易。7.1PID算法原理和数字实现，7.1.3PID编程930；基于位置的PID算法编程可替代为：p，I，d进一步分离为三个项目，7.1PID算法的原理和数字实现，基于左侧位置的进程框图。说明：计算之前，必须完成采样数据处理。根据自下而上分解的三个项目分别计算。使用计算的数据作为控制输出。7.1PID算法原理和数字实现，增量PID算法编程如下：7.1PID算法原理和数字实现，左图是增量过程框图。说明：计算之前，必须完成采样数据处理。根据自下而上分解的三个项目分别计算。以计算的数据为控制项的增加和以前的出口量相加。7.2数字PID调节的一些问题，7.2.1正反反问题也称为“正反反调节问题”。正效果：如果样例值大于设置值，则必须增加控件的输出。例如，温度控制的冷却过程。反效果：如果采样值小于设置值，则必须增加控制输出。例如，温度控制中的加热过程。在计算机控制系统中，可以反转正向反应和负向差异。7.2数字PID调整中的一些问题，7.2.2饱和效果的抑制在实际控制系统中，由于执行部件的机械和物理约束而限制了控制量的范围，在计算机超过上述控制量的情况下，控制系统进入输出饱和状态。在PID控制系统中，由于积分角色的存在，系统的控制输出饱和。注意理解：饱和对系统的不利影响。下面的图标。7.2数字PID调整的几个问题有几种消除积分饱和影响的方法。限制弱化积分法的基本思路是：也就是说，如果控制量进入饱和区域范围，则停止对积分项的运算，仅执行削弱积分项的运算。此算法的流程图显示在以下屏幕上。7.2数字PID调整的几个问题，7.2数字PID调整的几个问题，有效偏差方法，在基于位置的PID表达式计算的控制量超出运行范围的情况下，控制量实际上只接受边界值。有效偏差方法的本质：将实际输出控制量允许的偏差值积分为实际有效偏差。而不是根据实际偏差积分。算法如图所示。，7.2数字PID调节的一些问题，限制问题意味着用户在某些系统上定义调节量的输出范围。如果计算的控制量大于或小于定义的输出范围，则根据定义的控制量的上限或下限输出。与右侧图标相同。7.2数字PID调整中的一些问题，7.2.3手动/自动跟踪和手动回退问题在应用系统中控制状态手动和自动切换时，需要实施自动跟踪(灵活跟踪)。因此，系统需要实时监控的控制状态，手动/自动阀门位置状态。能够在手动状态下输出手动控制信号的设备称为手动回退。在计算机控制系统中，手动/自动跟踪和手动回退是保证系统稳定运行的重要功能。实现方法(自学)。7.3PID算法的开发，为了在计算机控制系统中获得更高的控制质量，经常使用改进的PID算法。7.3.1积分分离PID算法在应用典型PID算法时，如果系统偏差较大，则通过积分项的作用，使系统的过冲更多，导致持续系统冲击，如下图所示。7.3PID算法的开发，即控制量开始跟踪时，可以使用屏蔽作用的积分分离方法，直到积分分量接近给定值。如果指定了值R(k)、采样值M(k)、允许的积分偏差a，则积分分离的算法为：积分分离算法的流程图参考了P247，7.3PID算法的开发，7.3.2变速积分的PID算法在一般PID调整算法中积分系数KI是常数，因此在整个调整过程中积分增益保持不变。但是，系统对积分项的要求是，当系统偏差较大时，积分效果减弱，完全没有，而当有小偏差时，需要加强。否则，较大的积分系数会产生过冲，还会发生积分饱和，较小的取值不会消除静态误差。使用变速积分可以很好地解决这个问题。变速积分的基本思想是改变积分项目的累积速度，以对应偏差的大小。偏差越大，积分越慢。偏差越小，积分越快。7.4PID参数设置方法，7.4.1采样周期确定(1)香农采样定理表明，最小系统采样频率为fs=2fmax，此时系统实际上通过原始连续信号在现场恢复。(2)从执行机构的特性要求来看，输出信号有时需要保持一定的宽度。采样持续时间必须大于此时间。(3)在控制系统的伺服和抗干扰性能上，采样周期要更短。(4)从计算机的工作量和每个调整电路的计算来看，通常需要更大的采样周期。(5)从计算机的精度来看，过短的采样周期是不适当的。7.4PID参数调整方法，通常是选择采样周期的经验方法，根据系统的实际状态确定采样周期很重要。采样周期选择的经验数据如下表所示：7.4PID参数设置方法，7.4.2扩展临界比例方法这是项目中常用的方法，也称为实验经验法，适用于自平衡控制对象。方法如下：首先选择调节器作为纯比例调节器，形成闭环，逐渐改变比例系数，使系统对阶段输入的响应达到临界振动状态，此时比例系数为Kr，临界振动的周期为Tr。根据zigler-nicols提供的经验公式，可以从Tr，Kr中获得各种类型调节器的控制参数，如下表所示。7.4PID参数调整方法，7.4.3扩展响应曲线方法如果系统的动态特性曲线可以预测，则可以使用扩展响应曲线方法调整参数。步骤：手动使系统中的一个设置值达到平衡，然后执行步骤输入，如下图所示。记录此作用下的变更进程曲线，如下图所示。7.4PID参数调整方法曲线最大斜率中的延迟，控制目标时间常数和比率/。根据下表可以找到控制器的控制参数。7.4PID参数调整方法，7.4.4.4应用方法可以检查PID调整参数参考这些参数分析控制过程的影响趋势，并首先分析参数的比例、积分和差分调整阶段。步骤如下：(1)调整比例部分。(2)仅调整比例调节器参数，如果系统的静态差