數(shù)字PID控制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)課件

§2PID算法的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

PID算法的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

目的：掌握數(shù)字PID控制算法在工程應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，包括采樣周期、字長(zhǎng)的選取，無(wú)擾切換與抗積分飽和算法，控制器的正反作用方式等等。

數(shù)字PID控制的位置式與增量式算法；數(shù)字PID控制器采樣周期的選取；數(shù)字PID控制器的正、反作用方式；數(shù)字PID控制器積分字長(zhǎng)的確定；過(guò)程輸入約束及PID抗積分飽和算法；控制器的手動(dòng)、自動(dòng)無(wú)擾切換。§2－1：位置式與增量式算法一、基本PID的位置型離散表達(dá)式T-采樣周期，k-采樣序號(hào)kT-n(1)二、增量式數(shù)字PID控制算法（n-1）時(shí)刻(1)-(2)(2)增量式數(shù)字PID控制算法增量式算法的控制器結(jié)構(gòu)舉例：位置式與增量式算法的對(duì)比1.增量式PID控制算法如取為實(shí)際閥位反饋信號(hào),或反映執(zhí)行器特性的內(nèi)部執(zhí)行器模型輸出,則不會(huì)發(fā)生積分飽和現(xiàn)象;并且由MAN模式切換到AUTO模式時(shí),易于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾.2.增量式PID算法必須采用積分項(xiàng)。因?yàn)楸壤?、微分?xiàng)除了在設(shè)定值改變后的一個(gè)周期內(nèi)與設(shè)定值有關(guān)外，其它時(shí)間均與設(shè)定值無(wú)關(guān)；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。這樣，被控過(guò)程會(huì)漂離設(shè)定點(diǎn)

采樣周期的選擇在實(shí)時(shí)采樣控制系統(tǒng)中，則要求在每個(gè)采樣時(shí)刻，以有限個(gè)采樣數(shù)據(jù)近似恢復(fù)原始信號(hào)，所以不能照搬采樣定理的結(jié)論。采樣周期的選取要考慮以下幾個(gè)因素：1.被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性；2.擾動(dòng)特性；3.信噪比（信噪比小，采樣周期就要大些）。采樣周期的選擇流量控制中不同采樣周期的比較：§2－3：“正反作用”方式控制系統(tǒng)引入正反作用方式的必要性：§2－3：“正反作用”方式控制系統(tǒng)引入正反作用方式的必要性：“正反作用”方式的定義定義（P.82）：正作用（DirectAction）：隨著被控過(guò)程輸出測(cè)量信號(hào)的增加，調(diào)節(jié)器輸出也增加；反作用（ReverseAction）：隨著被控過(guò)程輸出測(cè)量信號(hào)的增加，調(diào)節(jié)器輸出減小。

“正反作用”方式曲線(xiàn)描述圖示：

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)u(t)：控制器輸出(4~20mA或0~10mADC)；pc：調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)控制信號(hào)（20~100kPa）；l：閥桿相對(duì)位置；f：相對(duì)流通面積；q：受調(diào)節(jié)閥影響的管路相對(duì)流量。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)閥門(mén)的“氣開(kāi)”與“氣關(guān)”1.氣開(kāi)閥與氣閉閥*氣開(kāi)閥：pc↑→q↑(“氣大閥開(kāi)”)*氣閉閥：pc↑→q↓(“氣大閥關(guān)”)無(wú)氣源(pc=0)時(shí)，氣開(kāi)閥全關(guān)，氣閉閥全開(kāi)。2.氣開(kāi)閥與氣閉閥的選擇原則*若無(wú)氣源時(shí)，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開(kāi)閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無(wú)氣源時(shí)，希望閥全開(kāi)，則應(yīng)選擇氣閉閥，如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥。

控制對(duì)象特性水位控制系統(tǒng)舉例：在初始穩(wěn)態(tài)條件下，有關(guān)系式：則當(dāng)時(shí)，實(shí)際各變量為：

練習(xí)：調(diào)節(jié)閥與控制器的選取問(wèn)題：請(qǐng)確定調(diào)節(jié)器LC的正反作用?！?－4：

積分字長(zhǎng)的確定必要性：在DDC控制的數(shù)字儀表中，為提高運(yùn)算速度，內(nèi)部程序一般采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，而若字長(zhǎng)選取不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響控制精度，以PID控制算法為例：若調(diào)節(jié)器的比例度P=500%，積分時(shí)間常數(shù)Ti=1800秒，采樣周期T=0.2秒，則只有偏差：即只有當(dāng)偏差幅度超過(guò)滿(mǎn)刻度的2/3以上時(shí)，積分分量才會(huì)發(fā)揮作用，這事實(shí)上形同虛設(shè)。§2－5：PID抗積分飽和算法工程背景分析（P.82）：

工作在擾動(dòng)幅度大或頻繁啟動(dòng)的斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的調(diào)節(jié)器，如果調(diào)節(jié)規(guī)律中包含積分作用，由于被調(diào)量長(zhǎng)時(shí)間偏離給定位，偏差信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間處于較大的數(shù)值，經(jīng)常使積分器進(jìn)入深度飽和狀態(tài)。一且進(jìn)入這種狀態(tài)，偏差信號(hào)反向時(shí)，由于積分器退出飽和需要時(shí)間，調(diào)節(jié)器輸出在很長(zhǎng)的時(shí)間中仍將保持飽和值。這會(huì)使系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量下降，超調(diào)量變大，過(guò)度過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生事故。積分器進(jìn)入深度飽和的原因有下面兩方面：一是大幅度偏差信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間存在，二是積分器輸出達(dá)到飽和值后積分項(xiàng)數(shù)據(jù)的繼續(xù)累加。解決其中的一個(gè)，便可避免深度飽和現(xiàn)象的發(fā)生。PID抗積分飽和算法積分飽和對(duì)系統(tǒng)性能的影響：抗積分飽和算法方框圖數(shù)字PID控制器的抗積分飽和算法

PID抗積分飽和算法實(shí)現(xiàn)算法實(shí)現(xiàn)

在一個(gè)周期內(nèi),首先進(jìn)行輸出更新:

其中,積分項(xiàng)已由上一周期計(jì)算好.由可計(jì)算出.其次,進(jìn)行狀態(tài)更新,為下一周期做準(zhǔn)備:前向差分的采用注：容易看出,這里積分項(xiàng)采用了前項(xiàng)差分,這是必須的.因?yàn)?如采用后向差分,如下所示:則由于上式右邊及都是未知的,因而無(wú)法計(jì)算出.§2－6：控制器無(wú)擾切換技術(shù)一般不論數(shù)字還是模擬控制器都存在著多種控制模式，例如手動(dòng)、自動(dòng)等。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常有必要在各控制模式間進(jìn)行切換，同時(shí)要求此種操作不會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程帶來(lái)大的沖擊；在改變控制器參數(shù)時(shí)，具有同樣的要求。實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換的關(guān)鍵是在切換前后，控制器輸出值不會(huì)發(fā)生大的跳躍（P.81）。

控制器無(wú)擾切換技術(shù)回答如下問(wèn)題：在手動(dòng)控制時(shí)，PID算法是否還要繼續(xù)運(yùn)算？在手動(dòng)控制模式下，動(dòng)態(tài)控制器的狀態(tài)（如積分器狀態(tài)、不完全微分項(xiàng)慣性環(huán)節(jié)的狀態(tài)等）數(shù)值必須是明確的，否則將會(huì)導(dǎo)致由手動(dòng)控制模式切換到自動(dòng)控制模式時(shí)，控制器的輸出值是不可預(yù)期的。因此，有必要引入無(wú)擾切換算法。

控制器無(wú)擾切換技術(shù)無(wú)擾切換算法：考慮在手動(dòng)模式下（或在PID參數(shù)調(diào)整之前），PID控制器輸出可寫(xiě)作如下算式：要實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，必須滿(mǎn)足：在切換到自動(dòng)（或參數(shù)修改）之后：控制器無(wú)擾切換技術(shù)

我們可以通過(guò)更新積分部分狀態(tài)或微分狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)：。我們選擇積分狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即有：微分項(xiàng)采用不完全微分，其狀態(tài)每周期同步更新。

因此，在手動(dòng)控制時(shí)，要每周期由下式計(jì)算：位置式與增量式算法的對(duì)比1.增量式PID控制算法如取為實(shí)際閥位反饋信號(hào),或反映執(zhí)行器特性的內(nèi)部執(zhí)行器模型輸出,則不會(huì)發(fā)生積分飽和現(xiàn)象;并且由MAN模式切換到AUTO模式時(shí),易于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾.2.增量式PID算法必須采用積分項(xiàng)。因?yàn)楸壤?、微分?xiàng)除了在設(shè)定值改變后的一個(gè)周期內(nèi)與設(shè)定值有關(guān)外，其它時(shí)間均與設(shè)定值無(wú)關(guān)；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。這樣，被控過(guò)程會(huì)漂離設(shè)定點(diǎn)

§3調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法

Kc對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響

增益

Kc

的增大，使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，但穩(wěn)定性下降（當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)頻率提高、最大偏差下降）；Ti對(duì)系統(tǒng)性能的影響

積分作用的增強(qiáng)（即Ti下降），使系統(tǒng)消除余差的速度增強(qiáng)，但穩(wěn)定性下降；Td對(duì)系統(tǒng)性能的影響

微分作用的增強(qiáng)（即Td增大），從理論上講使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，但高頻噪聲起放大作用。因而，微分作用不適合于測(cè)量噪聲較大的對(duì)象。PID參數(shù)對(duì)控制性能的影響工程整定法-臨界比例度法步驟： （1）先將PID控制器中的積分與微分作用切除，取比例帶PB較大值，并投入閉環(huán)運(yùn)行； （2）將PB由大到小變化，對(duì)應(yīng)于某一PB值作小幅度的設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅振蕩； （3）設(shè)等幅振蕩時(shí)所對(duì)應(yīng)的振蕩周期為T(mén)m、控制器比例帶Pm，則通過(guò)查表，根據(jù)控制器類(lèi)型選擇PID參數(shù).局限性：生產(chǎn)過(guò)程有時(shí)不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無(wú)法產(chǎn)生等幅振蕩。工程整定法-臨界比例度法調(diào)節(jié)規(guī)律PB(%)TiTd

P

2Pm