PID例子PPT课件

.,1,PID控制举例控制系统中，调节器的输出是其输入的比例、积分、微分的函数，简称PID控制。PID控制的参数易于调整，控制结构简单且易改变，应用于工业生产过程控制中，可获得良好的控制效果。例1：计算机控制的快速光加热系统（一）简述快速热处理技术（RTP）是用于半导体器件处理的新技术特点：升温速度快，温度范围宽；广泛应用于硅及化合物材料离子注入后的退火、硅化物的形成等方面。,.,2,（二）工作原理,金属腔,卤钨灯管,石英扁管,石英样品架,热电偶,金属聚光腔内的卤钨灯管通电后产生光辐射，腔壁装有金属反光板以减少光吸收，卤钨灯管均匀分布贴近石英扁管，可使石英样品架上的半导体器件迅速升温，石英扁管中可装入保护气体使半导体器件受热均匀。,.,3,（三）控制系统结构退火炉电路原理如下图所示：,被热电偶变送器输入转换A/D计外设控算对机象卤钨灯可控硅调功器D/A操作台,（四）控制原理采用位置式PID控制，经过试凑法和实际测试，各参数值为：T=0.1S，Kp=1.26，Ki=Kp*T/Ti=0.026，Kd=Kp*Td/T=2.96。,.,4,（五）PID算法的改进1、微分项的改进（1）微分项对高频干扰非常敏感，当输入e(kt)受到高频干扰，经微分后会将干扰信号放大并传输到输出端。（2）采用微分平滑方法，以t0=(KT-1.5T)为中心，取附加4个点的微分平均值作微分项的输出。,算术平均法：,=,误差积分，加权平均和：,4个时刻采样平均值：,.,5,e(k-3),e(k-2),e(k-1),e(k),e*(kT),kT,0,0.5T,1.5T,t0=(KT-1.5T),1.5T,0.5T,.,6,2、积分项的改进系统在运行初期，偏差较大，若加入积分项，会影响动态性能。积分项还会使控制器进入饱和区，失去控制功能。故采用了积分分离方法。（1）在系统给定值附近设置一条带域，宽度为2a。（2）当e(KT)a时，U(K)=Kp(k)+Kde(k)-e(k-1)当e(KT)a时，U(K)=Kp(k)+KiE(i)+Kde(k)-e(k-1)（3）经实验，a取30。3、数字滤波该系统中，卤钨灯管会产生电磁辐射，对热电偶的信号产生干扰。除了在硬件上采用抗干扰措施外，软件方面采用了数字滤波技术。本系统选择算术平均法：N取100次，可抑制脉冲干扰。（六）软件用C+编写，图形方式显示。,.,7,开始温度时间设定主菜单温度曲线预览屏幕显示、绘图到时中断温度采集数字滤波,退出存盘,N,检测温度与设定比较复式PID算法,输出控制信号,显示升温曲线、反馈电压曲线延时,.,8,（七）系统的性能指标1、最大升温范围：3001300C2、最大升温速度：100C/S3、控制精度：0.3C4、箱体外形尺寸：440mm180mm400mm5、光源：1KW16卤钨灯6、样品架尺寸：51mm7、显示方式：计算机屏幕，面板数字显示8、降温方式：水冷、风冷9、电源：三相380V，220V，25A,.,9,汽车安全辅助驾驶系统的PID控制,智能交通运输系统（IntelligentTransportationSystems,ITS）利用现代信息技术、传感技术来扩展驾驶人员的感知能力，将感知技术获取的外界信息（车速，其它障碍物距离等）传递给驾驶人员，同时在路况与车况的综合信息中识别是否构成安全隐患，在不安全情况下，自动采取措施控制汽车，使汽车能主动避开危险，保障汽车安全。三大安全辅助驾驶系统：1.车辆避撞报警（CollisionWarning,CW)下面的例子2.具有避撞功能的车辆自适应巡航控制系统(AdaptiveCruiseControl,ACC)3.交通环境的车辆智能控制系统（ACC+StopandGo),.,10,例2、汽车纵向闭环控制系统,对汽车模型进行了简化，得到了一个近似的线性系统，其传递函数为,.,11,闭环控制系统：速度闭环系统距离闭环系统（小于安全距离）距离速度闭环系统主要针对高速公路的交通环境高速行驶的车辆速度调节节气门控制器复杂交通环境停-走节气门控制器和制动器,控制逻辑实现切换,.,12,其中：C（S）是输出量，即自车速度的拉氏变换；R（S）是节气门执行器输入量的拉氏变换。如果将自车与前车之间的距离作为控制对象的输出变量，则传递函数应近似为：控制考虑的是采用结构简单、鲁棒性较强的PID控制器。1、纵向PID控制器设计（1）PID距离控制其中：距离偏差。（2）PID速度控制其中：速度偏差。,期望安全距离,与前车距离,前车速度,自车速度,.,13,当测距雷达发现前方车辆，两车之间的距离大于安全距离时对于谨慎型驾驶员选择速度控制，控制的目标是使自车速度与前车速度相等。对于果敢型驾驶员则采用距离速度控制，控制的目标使自车速度与前车速度相等，车间距离等于安全距离。若两车之间的实际距离小于安全距离则采用距离控制，使自车快速脱离危险状态。当未发现前方车辆时，即以巡航速度与自车速度的偏差执行速度控制。2、比例控制首先假定参数Kd0、Ki=0，距离控制框图可以简化为图所示。,.,14,系统输入量是期望的安全距离；输出量是两车之间的实际距离；前车的速度作为系统的扰动输入。,.,15,分析系统运动，首要的问题就是系统的静态特性，线性系统：静态特性完全取决于系统的特征方程，与初始条件和输入量无关，对于稳定的系统，再来讨论静态误差。静态误差包括由输入信号引起的静差和由扰动引起的静差。在扰动量为0时，系统的闭环传递函数经整理可得,.,16,特征多项式为：,对式采用劳斯判据，得到系数阵列为：,为了使系统稳定，阵列的第一列中的所有系数都必须为正值，得到系数Kp的取值范围为：,分别选择：Kp0.03，0.06，0.11，0.16进行系统仿真假设在零初始条件下，并且扰动信号为0，输入信号不妨取为单位阶跃。观察参数Kp对系统性能的影响。仿真结果见图所示。,.,17,图5Kp=-0.03，-0.06，-0.11,Vp=0系统仿真效果图,图6Kp=-0.16时系统仿真效果图（临界稳定状态）,.,18,由图曲线可以看出：随着Kp绝对值的增加系统的超调量增加，动态特性变坏；响应速度加快，系统的动作灵敏；当Kp取值为临界增益值（使系统的输出首次呈现持续振荡的增益值）时，系统呈现等幅振荡由输入量引起的静态误差为0。,.,19,3、比例、积分控制假设固定比例系数Kp-0.06，采用PI控制。在系统输入量，系统扰动量得到输出量的传递函数为：,.,20,劳斯判据得到系数Ki的取值范围为：,分别选择Ki-0.004，-0.008，-0.014，-0.0234，在系统输入量，系统扰动量，为单位阶跃信号的条件下，进行系统仿真，观察参数Ki对系统动态性能和静态误差的影响。仿真结果如图所示。,图10Ki=-0.0234,df=0时，系统仿真效果图（临界稳定）,图9Ki=-0.004,-0.008,-0.014,df=0时，系统仿真效果图,.,21,由图可以看出，引入积分控制后，消除了由单位阶跃扰动所引起的静态误差。当Ki取值为临界值时，系统不稳定，呈现等幅振荡状态。Ki=-0.004时，系统无振荡，过渡过程时间（偏离静态值的误差为,5）大约为48.5s；,Ki=-0.008时，系统无振荡，过渡过程时间大约25.5s；Ki=-0.014时，系统出现振荡，过渡过程时间大约41s。在Kp-0.06时，参数Ki在-0.008附近的一个小区间（-0.009-0.006）内，系统的动、静态特性较好：没有静态误差，不出现振荡和超调现象，过渡时间较短。如果偏离这一个小区间，Ki过大时，使系统的超调量增加，振荡次数增多，响应时间过长，动态特性变坏，如果Ki过小，虽然系统没有超调，但响应迟缓。,.,22,4、比例、积分、微分控制在扰动量时，得到系统输入量到输出量的闭环传递函数为：,上式有三个可调参数。通过对不同输入和初始条件的反复实验，确定,使系统既稳定又具有较好的动态和静态特性。,引入积分控制消除静态误差的同时，使系统的响应时间变长，Kp=-0.06，Ki=0时，系统过渡过程时间大约为12s。,.,23,5、仿真实验研究系统仿真或现场调试时，也可以采用齐格勒尼柯尔斯法则对比例、积分、微分参数进行初步整定，然后根据参数与系统动态、静态性能之间的关系，进行精确调整，以达到一种满意的效果。齐格勒尼柯尔斯法则是指，单独采用比例控制时，通过实验得到临界比例增益和系统持续振荡的周期，代入表，便可以求出相应的比例、积分、微分系数。,KpKIkD,.,24,图13仿真实验一：速度、时间响应曲线,对于汽车安全辅助驾驶系统，针对如下情况进行了仿真实验：自车以的速度行驶，同一车道没有检测到前方车辆，驾驶员设定的、巡航速度为,由于前方没有车辆，采用速度控制的方法进行控制，使自车平稳地达到并保持巡航速度。仿真结果见图所示。,.,25,自车以速度行驶，突然前方一速度为的车拐入本车道，两车实际距离。在该种工况下，纵向控制系统检测到同一车道的前方车辆根据前方车速计算当前状态下的安全距离，与实际测距雷达得到的相对距离进行比较，判定自车处于危险状态，通过距离控制，使自车快速的脱离危险状态。在此过程中，测距雷达不断检测自车与前方车辆的相对距离，一旦相对距离大于安全距离，根据驾驶员的驾驶风格将控制算法切换至距离速度控制或速度控制（本仿真效果图采用速度控制），使自车的速度平稳地趋于前车速度，但与前车之间保持较大的车间距离。控制仿真效果见图所示。,.,26,1,.,27,针对与实验二相同的工况进行仿真实验。检测到前方车辆，判断自车处于危险状态时，采用距离控制，使车间实际距离大于安全距离后，根据驾驶员的驾驶风格采用距离速度控制，使自车与前车之间实际距离等于安全距离，相对速度为0。控制仿真效果见图所示。,图16仿真实验三：速度、时间响应图,图17仿真实验