第五章-新型PID控制.ppt

1、PID: Proportional-Integrel-Derivative； PID控制是最基本和最常用的控制方法； PID控制的原理及结构最简单； PID控制的历史最悠久，先后有机械式、液动式、气动式、电子式、数字式等； PID控制的适应面广，生命力强，至今仍为工程应用的主流（80）； 对PID控制的改进从未间断，新型PID控制不断涌现。,第五章 新型PID控制策略,连续或离散时间系统：,P ：误差越大，调节作用越强，属有差调节I ：消除稳态误差（无静差）D ：反映误差变化趋势，提前进行调节，进一步 改善响应性能,5.1 PID控制算法的基本作用,一、PID控制算法表达式：,二、PID控制器

2、三个环节的作用：,三、PID控制器的参数整定方法：,参数整定PID控制中的一个至关重要问题。,影响控制系统的控制质量。,影响控制系统的稳定性和鲁棒性。,参数整定方法,常规PID参数整定方法,智能PID参数整定方法,离线整定方法,在线整定方法,注：鲁棒性（robustness）指系统的参数和结构变化或受 到扰动时仍能保持良好性能的能力。,步骤：（1）先将切除PID控制器中的积分与微分作用，取比例增益KC较小值，并投入闭环运行； （2）将KC由小到大变化，对应于某一KC值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡； （3）设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr ，再根据控制器类型选择以下P

3、ID参数。,PID工程整定法（1）临界比例度法,被控对象,采用PI控制算法：,临界比例度法的局限性： 生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。,响应曲线法PID参数整定步骤： （1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线； （2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似模型与模型参数； （3）根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。,PID工程整定法（2）响应曲线法,典型自衡工业对象 的阶跃响应,对象的近似模型：,对应参数见左图，而增益为：,ymin, yma

4、x为CV的测量范围； umin, umax为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。,“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法,被控对象,连续PID控制,特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。 整定公式：,PID工程整定法（3） Ziegler-Nichols参数整定法,特点：适合于纯滞后不显著的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为 “S” 型曲线。 初始整定参数：,Ts 为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。,参数调整：将上述PID控制器投入“Auto” （自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢且无超调，

5、则适当加大KC，例如增大到原来的两倍；反之，则减小KC值。,PID工程整定法（4） PID参数整定法（1/4准则）,对于无显著纯滞后的自衡对象,根据反馈信息自动在线调整PID参数KP、KI、KD（适时变参数型） 根据响应过程自动整定（自动设计）PID参数KP、KI、KD （相对固定参数型）,与其他控制方法的结合 自适应控制，智能控制， 解耦控制， 内模控制 状态反馈等, 常见类型,下页例,四、改进PID控制的基本思路,优化控制结构积分分离，抗积分饱和微分先行，2自由度控制等,例：变参数PI与固定参数PI控制的比较,调整 K 对性能的影响: K则 快速性, 平稳性 K则平稳性, 快速性 （见下页

6、图）,仿真结果:,K=1,K=2,K=0.6,time,y,定参数PI K=1,变参数PI,变参数PI与定参数PI的性能比较,time,u,作业1：,参数自适应PID控制 (基于对象参数辨识，计算量大） 非参数自适应 PID (基于响应过程的特征参数, 如阶跃响应的超调、上升时间、时滞、误差等，或临界振荡的增益、频率等， 计算量小，但最优性差） 智能PID控制 （利用模糊推理、专家经验、模式识别、神经元网络等工具调整 PID 参数，优点是不依赖数学模型，自动学习、推理和调整，鲁棒性强）,5.2 新型PID控制的常见类型,一、自校正PID控制 基于改进的Ziegler-Nichols参数整定方法

7、,1.被控对象的模型ARX模型,2.实时参数估计算法RFFLS,3.数字PID算法增量式,4.PID参数设计改进的Ziegler-Nichols整定方法,闭环特征方程：,等幅振荡条件：（1）实根=-1；（2）复根在单位圆上。,条件（1）：,条件（2）：,满足条件（1）时： Ku,满足条件（2）时： Ku与,对于条件（1）和条件（2）有：,其他自校正PID控制的仿真举例：,已知参数,未知参数,二、智能PID控制,1.模糊自适应整定PID控制,Kp、Ki、Kd与e、ec的模糊关系。 在运行中根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改。,将系统误差e和误差变化率ec变化范围定义为模糊集上的论域,其模糊

8、子集为,e、ec和Kp、Ki均服从正态分布，因此可得出各模糊子集的隶属度。,Kp整定原则,当响应在上升过程中（e为P），增大Kp； 当超调时（e为N），降低Kp； 当误差在零附近时（e为Z），分3种情况： （1）ec为N时，超调越来越大，此时，降低kp; （2）ec为Z时，为了降低误差，增大Kp； （3）ec为P时，正向误差越来越大，增大Kp；,Ki整定原则,采用积分分离策略，即误差在零附近时，增大kp； 否则，Kp取0。,仿真实例,采样时间为1ms，采用z变换进行离散化，离散化后的被控对象为：,位置指令为幅值为1.0的阶跃信号,先运行模糊推理系统设计程序chap8_4a.m，实现模糊推理系统

9、fuzzpid.fis的设计，并将此模糊推理系统调入内存中，然后运行模糊控制程序chap8_4b.m。,2.专家PID控制,PID专家控制的实质是利用专家经验来设计PID参数。专家PID控制是一种直接型专家控制器。,典型的二阶系统阶跃响应,图中，、区域，误差朝绝对值减小的方向变化。此时，可采取保持等待措施，相当于实施开环控制；、区域，误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动态误差。,根据误差及其变化，可设计专家PID控制器，该控制器可分为以下五种情况进行设计： （1）当 时，说明误差的绝对值已经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按

10、最大（或最小）输出，以达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。此时，它相当于实施开环控制。,（2）当 或 时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，或误差为某一常值，未发生变化。 此时，如果 ，说明误差也较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出为,如果，说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，可考虑控制器实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化，控制器输出为,（3）当 、 或者 时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态。此时，可考虑采取保持控制器输出不

11、变。 （4）当 、 时，说明误差处于极值状态。如果此时误差的绝对值较大，即 ，可考虑实施较强的控制作用。,如果此时误差的绝对值较小，即 ，可考虑实施较弱的控制作用。 （5）当 时，说明误差的绝对值很小，此时加入积分，减少稳态误差。,仿真实例 求三阶传递函数的阶跃响应 其中对象采样时间为1ms。 采用专家PID设计控制器。在仿真过程中， 取0.001，程序中的五条规则与控制算法的五种情况相对应。,仿真程序：chap8_5.m,5.3 内模PID控制,一、 PID控制器的基本形式,理想形式,对于模拟元件实现的工业PID,内模控制的等效变换,图中虚线方框为等效的一般反馈控制器结构,图中虚线方框为内模

12、控制器结构,二、 基于内模的PID控制器 用IMC模型获得PID控制器的设计方法,反馈系统控制器 为,即,因为在 时，,得：,可以看到控制器 的零频增益为无穷大。因此可以消除由外界阶跃扰动引起的余差。这表明尽管内模控制器 本身没有积分功能，但由内模控制的结构保证了整个内模控制可以消除余差。,可以将 写为,当模型已知时，将上式和实际的PID算式，对应系数相等，求解即可得基于内模控制原理的PID控制器各参数 。 对上式中含有的滞后项进行近似Pade近似和Taylor近似。,例： 设计一阶加纯滞后过程的IMCPID控制器。, 对纯滞后时间使用一阶Pade近似, 分解出可逆和不可逆部分, 构成理想控制

13、器, 加一个滤波器 这时不需要使 为有理，因为PID控制器还没有得到，容许 的分子比分母多项式的阶数高一阶。,由：,展开分子项 ,选PID控制器的传递函数形式为 ,比较式，用 乘以 式,得：,与常规PID控制器参数整定相比，IMCPID控制器参数整定仅需要调整比例增益。比例增益与 是反比关系， 大，比例增益小， 小，比例增益大。,作业2：,作业3：,1自由度系统： u = Ce 只能优化一种性能，或在多种性能要求之间折衷。,什么是1自由度与2自由度控制器?,5.4 2自由度PID控制器,2自由度系统： u = C r -y T = C1r C2y 可同时优化2种性能。,等价关系：（自证） C1 = D1 +D2 C2 = D1,2自由度控制系统的其他常见结构：,C1 = F1 C2 =