PID控制原理与控制算法

PID控制原理及控制算法5.1 PID控制原理和程序流程5.1.1流程控制的基本概念流程控制-自动控制生产流程的部分或部分物理参数。一、仿真控制系统图5-1-1基本模拟反馈控制电路受控值由与给定值比较产生偏差的传感器或发射器检测，模拟调节器根据一定的控制规则改变操作变量，使偏差接近于零，其输出通过执行器作用于进程。控制法由相应的模拟硬件构成，修改控制法需要更换模拟硬件。二、计算机过程控制系统图5-1-2微机过程控制系统基本框图以小型计算机为控制器。控制法则的实现是通过软件实现的。改变控制法，只需改变相关程序。三、数字控制系统DDC图5-1-3dc系统构成方块图直接数字控制(DDC)系统是计算机用于流程控制的最常用系统之一。微型计算机通过进程输入通道检测一个或多个物理量，根据规定的控制规则(算法)计算，通过输出通道直接控制执行机构，确保每个控件满足预定的要求。计算机的决策直接作用于过程，因此被称为直接数字控制。DDC系统也是计算机在工业应用中应用最广泛的形式。5.1.2模拟PID调节器一、配置仿真PID控制系统图5-1-4模拟PID控制系统方框图第二，模拟PID调节器的微分方程和传递函数PID控制器是通过将值r(t)和实际输出值c(t)的偏差与比率(p)、积分(I)、微分(d)组成线性组合来控制控制对象的线性控制器。1、PID调节器微分方程格式中2、PID调节器传输函数三、PID调节器角度校正链接作用1，比例链接：立即与控制系统的偏差信号e(t)成比例反应，产生偏差后，调节器立即产生减少偏差的控制效果。2，点链接：主要用于消除静电，提高系统的无差。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分效果越弱，反之亦然。3，差分链路：在偏差信号的变化趋势(变化率)发生反应，偏差信号的值变得过大之前，向系统引入有效的早期修正信号，从而提高系统的运行速度，减少调整时间。5.1.3数字PID控制器一、仿真PID控制规则离散化模拟表单离散化格式二、数字PID控制器差分方程样式中称为比例项目称为积分项目称为未分类三、一般控制方法1，p控制2、PI控制3、PD控制4、PID控制四、PID算法的两种类型1、基于位置的控制-例如，图5-1-5控制阀控制2、增量控制-示例：图5-1-6步进电动机控制示例5-1具有温度控制系统，温度测量范围为0 600 ，温度使用PID控制，控制指标为4502 。已知比例系数、积分时间、微分时间、取样周期。在测量时计算增量输出，即可从workspace页面中移除物件。在此情况下，计算第n个阀位置输出。解决方案：用相关公式替换问题中给定的参数，为问题指定的值通过将公式中给定的度量赋给公式(5-1-4)来计算计算公式为替代公式(5-1-16)计算公式为替代公式(5-1-19)5.1.4 PID算法程序进程一、增量PID算法程序过程1、增量PID算法方程格式中，2、增量PID算法流程-图5-1-7(有关程序列表，请参阅教材)二、位置PID算法程序过程1、位置递归形式2、基于位置的PID算法程序流-图5-1-9只需将u (n) u (n-1)=u (n)和添加到增量PID算法的进程中一次更新U(n-1)即可。三、管制的限制1、控制算法总是受特定运算长度的限制2、执行机构的实际位置不能超过上限(或下限)限制5.2标准PID算法改进5.2.1微分条目改进一、不完全差分PID控制算法1、不完全差分PID算法传递函数图5-2-1不完全差分PID算法传递函数框图2、完全微分和不完全微分效应的区别图5-2-2完全微分和不完全微分的区别3、不完全差分PID算法差分方程4、不完全差分PID算法程序流-图5-2-3二、微分前导和输入滤波器1、微分前置任务微分先行是将偏差的导数更改为受控量的导数，以防止值发生变化产生巨大的产出变化。而且控制通常不会突变，所以即使给定值改变，控制也慢慢改变，不会引起未分化的突变。微分项的输出增量为2、输入过滤器输入过滤是在计算微分时使用过滤器，而不是直接应用当前时间的错误e(n)波值e(n)，过去和当前四个采样时间的误差平均值，加权求和格式大致构成微分5.2.2改进积分项一、抗积分饱和积分效果消除了控制系统的精密度，但也有引起积分饱和的副作用。在偏差始终存在的情况下，会发生积分溢出。输出u(n)在偏差方向改变后必须经过一定的时间，才能从饱和区域中分离出来。因此，随着规制延迟的发生，系统将恶化为明显的超限，规制质量可能会恶化。积分项引起的这种过积分效应称为积分饱和现象。克服积分饱和的方法：1、积分限制法积分极限法的基本思想是，当积分项输出达到输出极限时，积分项计算停止，此时积分项的输出采用以前时间的积分值。算法过程如图5-2-4所示。2、积分分离法积分分离法的基本思想是，在偏差大的时候不积分，只有偏差的绝对值小于预定的门限值时，才进行积分累加。这样可以在偏差较大时防止过度控制和过度积分现象。算法过程如图5-2-5所示。图5-2-4积分限制方法程序流5-2-5积分分离方法程序流3、变速积分法变速积分方法的基本思想是偏差大的时候慢一点，偏差大的时候积分快一点，尽快消除停车。可以代替积分项公式是预定偏差限制。第二，消除积分的不敏感区域1、积分不敏感区域的原因如果计算机的运行长度短，采样周期t也短，积分时间TI长)，那么比字符长度小的准确度容易出现，失去数字，因此这种积分效果消失了，这称为积分不减失区域。温度控制系统的温度范围为0 1275 ，A/D转换为8位，并使用8位长度的定点操作。计算温度差达到多少时的积分效果。解决方案：因为如果计算机把这个数字扔为“0”，控制器就没有积分效果。代入公式计算0 1275 的A/D转换数据为0 255，温差对应的偏差数为常识大于1，可以解开。结果表明，只有存在大于50 的温差时，才具有整合效果。2、消除积分不敏感区域的措施：1)通过增加A/D转换位数和增加计算长度，可以提高计算精度。2)如果积分项小于输出精度，则一次一个，即程序流如图5-2-6所示。5.3选择数字PID参数5.3.1选择采样周期一、选择取样期的重要性采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制。在大多数算法中，缩短采样周期可以提高控制循环性能，但缩短采样周期会耗费大量计算工作时间，加重计算机计算负担，对变化缓慢的控制对象进行满意的跟踪，而采样频率不高，过多的采样反而没有实际意义。二、采样周期选择原理-采样定理最大抽样期间样式是信号频率组件的最大频率组件。三、抽样周期选择中要考虑的因素1、给定值的波动频率添加到控制目标的指定值的更改频率越高，采样频率也应该越高，以便指定值的更改通过采样快速反映，而不会在后续控制中造成大延迟。2、控制对象属性1)考虑到物体变化的缓变，如果物体是缓慢的热或化学物体，通常t会得到较大的。如果对象变化很快，则t必须很小。2)考虑到干扰的情况，系统抗干扰的性能要求样本周期较短，可以快速修正干扰。3、使用的方程和执行机构类型1)采样周期太小，积分效果、微分效果可能不明显。同时，受计算机计算精度的影响，采样周期小到一定程度时，前后两个采样差异没有反映出来，从而减少了调整效果。2)执行器的动作要惯性大，采样周期选择要适当。否则，致动器对数字控制器的输出值更改做出反应太迟了。4，受控循环数如果需要控制的循环很多，则相应的采样周期会延长，以便每个循环的调整算法有足够的时间完成。受控循环数n与采样周期t具有以下关系：表达式中的Tj是第j个循环控制过程的执行时间。表5-3-1是常用句柄的经验采样周期。实际上，根据表中的数据，实验可以确定最合适的采样周期。5.3.2选择数字PID控制参数一、数字PID参数原理要求和整定方法1、政策要求：控制过程稳定、快速、准确地跟踪指定值的更改，过度膨胀在较小、干涉不同的情况下进行跟踪系统输出应能够保留为给定值，操作变量不应太大，并应在系统和环境参数发生更改时进行控制制度要保持稳定。满足上述要求很难，必须经过具体的程序追求，满足主要方面，考虑其他方面。2、PID参数调整方法：理论计算方法-依赖受控目标的精确数学模型(通常更难)工程设置方法-不依赖于直接在控制系统中进行现场设置(简单易行)的控制对象的精确数学模型二、常用的简单工程设置方法1、扩展临界比例法-适合具有自身平衡特性的控制目标设置数字调节器参数的步骤如下：(1)选择抽样期间小于受控纯等待时间的1/10。(2)消除积分效果和微分，逐步提高比例系数，直到系统对步长输入响必须达到临界振动状态(稳定边)，记录此时的临界比例系数和系统的临界振动周期。(3)选取控制项。通常，控制度为1.05时。DDC类似于模拟控制效果。(4)根据选定的控制度，表5-3-2求出t、KP、TI、TD的值。2、扩展响应曲线法-适用于多容量自平衡系统参数调整步骤如下：(1)使系统保持手动运行，调整并稳定到接近指定值，然后突然更改指定值，将相位输入信号指定给对象。(2)如图5-3-1所示，用记录仪表记录步长输入下的整个变更过程曲线。(3)从曲线的最大斜率中得到作为切线的延迟、控制目标时间常数T及其比T/。(4)结果、T和T/查找表5-3-3可获得与数字调节器相关的参数KP、TI、TD和采样周期t。3、如何设置参数这是命令。增量PID控制公式简化为：更改KP并观察控制效果，直到满意为止。5.4数字PID控制工程实现5.4.1给定值和受控处理一、处理给定