WX03微型計算機控制技術(shù)第三章3課件

第3章數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法3.5PID數(shù)字控制器的參數(shù)整定將各種數(shù)字PID算法用于實際系統(tǒng)的，必須確定算法中各參數(shù)的具體值，如KP、TI、TD、采樣周期T，以使系統(tǒng)性能滿足一定的要求。這就叫做參數(shù)整定。數(shù)字PID控制參數(shù)整定的任務(wù)是確定KP、TI、TD、采樣周期T

。對于結(jié)構(gòu)和控制算式的形式已定的控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量的好壞主要取決于選擇的參數(shù)是否合理。3.5PID數(shù)字控制器的參數(shù)整定一、采樣周期的選擇原則二、PID控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響3.5.1試湊法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)3.5.2擴充臨界比例度法3.5.3擴充響應(yīng)曲線法3.5.4歸一參數(shù)整定法1）必須滿足采樣定理的要求從信號的保真度來看，采樣周期必須滿足香農(nóng)采樣定理，即ws≥2wmax所以采樣周期的上限T≤π/wmax。2）從控制系統(tǒng)隨動和抗干擾的性能要求來看，則T小些好。干擾頻率越高，則采樣頻率最好越高，以便實現(xiàn)快速跟隨和抑制干擾。3）根據(jù)被控對象特性，快速系統(tǒng)T應(yīng)取小，否則T可取大些。4）根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)類型，當(dāng)其動作慣性大時，T應(yīng)取大些；否則，執(zhí)行機構(gòu)來不及反應(yīng)控制器輸出值的變化。5）從計算機的工作量和每個調(diào)節(jié)回路的計算成本來看，一般則要求采樣周期大些。特別當(dāng)計算機用于多回路控制時，必須使每個回路的調(diào)節(jié)算法都有足夠的時間完成。6）從計算機能精確執(zhí)行控制算式來看，T應(yīng)選大些。因為計算機字長有限，T過小，誤差e(k)可能很小，甚至為0，微分、積分作用不明顯，調(diào)節(jié)作用減弱。由于生產(chǎn)過程千變?nèi)f化，經(jīng)驗數(shù)據(jù)不一定合適，因此實際的采樣周期需要經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試后確定。當(dāng)系統(tǒng)有多個不同被控物理量，T一般應(yīng)選擇采樣周期最小的物理量。二、PID控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響PID控制器的參數(shù)、和的變化對系統(tǒng)性能有著不同的影響1、比例控制KP對系統(tǒng)性能的影響2、積分控制TI對系統(tǒng)性能的影響3、微分控制TD對系統(tǒng)性能的影響1、比例控制KP對系統(tǒng)性能的影響①對動態(tài)特性的影響KP加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快。

KP偏大，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)KP太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若KP太小又會使系統(tǒng)的動作緩慢。KP太大，（0.046）KP偏大，（0.041）KP合適，（0.033）KP偏小，（0.008）2、積分控制TI對系統(tǒng)性能的影響積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PI控制或PID控制。①對動態(tài)特性的影響TI太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定。TI偏小，振蕩次數(shù)較多。TI太大，對系統(tǒng)性能的影響減少。當(dāng)TI合適時，過渡過程特性比較理想。②對靜態(tài)特性的影響積分控制TI能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是若TI太大時，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。3.微分控制TD對系統(tǒng)性能的影響微分控制經(jīng)常與比例控制或積分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PD或PID控制。微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。微分控制對高頻噪聲起放大作用，主要適合于特性滯后較大的廣義對象，如溫度對象等。TD偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長。TD偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有當(dāng)TD合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。TD太大，（6）TD合適，（4）TD偏小，（0.4）調(diào)節(jié)時間ts穩(wěn)態(tài)誤差超調(diào)量Mp延遲時間tr峰值時間tp選擇控制器的參數(shù)，必須根據(jù)工程問題的具體要求來考慮。顯然，要同時滿足“快、準(zhǔn)、穩(wěn)”的要比較難。必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要性能指標(biāo)，并兼顧其他指標(biāo)。本節(jié)將介紹試湊法、擴充臨界比例度法、擴充響應(yīng)曲線法和PID歸一參數(shù)等方法，對PID參數(shù)進(jìn)行整定。3.5.1試湊法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗選擇一組數(shù)據(jù)，讓系統(tǒng)試運行，觀測系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)，針對存在的問題，改變一個或兩個參數(shù)的值，再讓系統(tǒng)試運行。反復(fù)修改、反復(fù)運行，直到滿足要求。比較費時，但往往是有效的方法之一。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對控制質(zhì)量的影響并不十分敏感，因而在整定中，參數(shù)的選定并不是唯一的。事實上，在比例、積分、微分三部分產(chǎn)生的控制作用中，某部分的減小往往可由其他部分的增大來補償。因此，用不同的整定參數(shù)完全有可能得到同樣的控制效果。從應(yīng)用的角度看，只要被控過程主要指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計要求，那么即可選定相應(yīng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)為有效的控制參數(shù)。

常見被調(diào)量的PID參數(shù)經(jīng)驗選擇范圍

3.5.2擴充臨界比例度法擴充臨界比例度法是以模擬調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例度法為基礎(chǔ)的一種數(shù)字PID控制器參數(shù)的整定方法。步驟如下：①選擇一個合適的采樣周期。③選擇控制度所謂控制度是數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器所對應(yīng)的過渡過程的誤差平方的積分之比實際應(yīng)用中并不需要計算出兩個誤差平方積分，控制度僅表示控制效果的物理概念。例如，當(dāng)控制度為1.05時，數(shù)字調(diào)節(jié)器的效果和模擬調(diào)節(jié)器相同，當(dāng)控制度為2時，數(shù)字控制較模擬控制的質(zhì)量差一倍。④根據(jù)控制度查表3.5.3擴充響應(yīng)曲線法如果已知系統(tǒng)的動態(tài)特性曲線，那么如同在模擬控制系統(tǒng)中可用響應(yīng)曲線法一樣，在數(shù)字控制系統(tǒng)中也可以用擴充響應(yīng)曲線法。其步驟如下：①數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)下，給輸入端加一階躍信號。②用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如右圖所示。③在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間，被控對象時間常數(shù)以及它們的比值。c(t)0τTτr(t)t1④由求得的、和查表?？刂贫瓤刂埔?guī)律T/τKP/(Tτ*τ-1)TI/τTD/τ1.05PI0.10.843.4--PID0.051.152.00.451.2PI0.20.733.6--PID0.161.01.90.551.5PI0.50.683.9--PID0.340.851.620.823.5.4歸一參數(shù)整定法上述的擴充臨界比例度法需要整定三個參數(shù)，比較復(fù)雜，調(diào)試也不方便。為此，RobertsP.D在1974年提出了一種簡化的擴充臨界比例度法。由于該方法只需要整定一個參數(shù)即可，故又稱為歸一參數(shù)整定法。數(shù)字PID控制增量算式為：根據(jù)Ziegler-Nichle條件，令式中為純比例作用下的臨界振蕩周期。則有這樣，參數(shù)整定問題便簡化為只要整定一個參數(shù)。整定過程中，改變，觀察控制效果，直到滿意為止。該方法為實現(xiàn)簡易的自整定控制帶來方便。3.6設(shè)計舉例二階工程系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的一種系統(tǒng)，在實際生產(chǎn)中許多高階系統(tǒng)可以簡化為二階系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計處理。本節(jié)用模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化的方法，設(shè)計一個軋機位置控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器。1.二階工程設(shè)計方法二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳函的一般形式為：把s換成jw

得：它的模為：根據(jù)控制理論可知，要使二階系統(tǒng)的輸出獲得理想的動態(tài)品質(zhì)，即系統(tǒng)輸出能完全跟隨給定量，應(yīng)滿足以下條件：由于：根據(jù)相頻特性要求，應(yīng)有wT1→0，由于T1≠0，所以w→0。按幅頻特性要求，可得：根據(jù)相頻特性要求，w→0。所以應(yīng)有：將上式代入（3-47），可得：設(shè)G(s)為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，對于單位反饋系統(tǒng)，有：2.設(shè)計舉例軋機控制系統(tǒng)的主回路主要由電液伺服閥、液壓缸及作位移檢測的差動變壓器等組成?？刂葡到y(tǒng)的方框圖如下圖所示。數(shù)字PID-電液伺服閥e給定量功率放大器+rD/A被控量uA/D生產(chǎn)過程計算機液壓缸差動變壓器電壓放大器-+S0SfIXVXP

通過建立軋機各個環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)