現(xiàn)場(chǎng)總線課件第一章數(shù)字PID控制算法概要

控制系統(tǒng)性能分析與設(shè)計(jì)第一頁(yè)第二頁(yè)，共37頁(yè)?！皬V義對(duì)象”的概念第二頁(yè)第三頁(yè)，共37頁(yè)。本節(jié)教學(xué)要求

目的：掌握基本的PID控制算法、各種變形的PID控制算法，以及模擬算法的數(shù)字離散化方法。（參考教材2.3~2.5節(jié)、4.2節(jié)）第三頁(yè)第四頁(yè)，共37頁(yè)。工業(yè)自動(dòng)化常用控制算法PID類(lèi)（包括：?jiǎn)位芈稰ID、串級(jí)、前饋、均勻、比值、分程、選擇或超馳控制等）， 特點(diǎn)：主要適用于SISO系統(tǒng)、基本上不需要對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在線調(diào)整方便。APC類(lèi)（先進(jìn)控制方法，包括：解耦控制、內(nèi)?？刂?、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制等）， 特點(diǎn)：主要適用于MIMO、大純滯后、有約束系統(tǒng)，需要?jiǎng)討B(tài)模型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在線計(jì)算量大。第四頁(yè)第五頁(yè)，共37頁(yè)。數(shù)字PID控制算法為什么在工業(yè)過(guò)程控制中大都（將近90%以上）采用PID控制器？

“PID控制器作為工業(yè)控制中的主導(dǎo)控制器結(jié)構(gòu)，其獲得成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于，大多數(shù)過(guò)程可由低階動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)（一階或二階慣性加純滯后，簡(jiǎn)記作：FOPDT及SOPDT）近似逼近，而針對(duì)此類(lèi)過(guò)程，PID控制器代表了一個(gè)實(shí)用而廉價(jià)的解?！钡谖屙?yè)第六頁(yè)，共37頁(yè)。PID控制器的發(fā)展背景第六頁(yè)第七頁(yè)，共37頁(yè)。最基本的控制器第七頁(yè)第八頁(yè)，共37頁(yè)?！?－1：基本PID控制算法第八頁(yè)第九頁(yè)，共37頁(yè)。比例（P）控制算法第九頁(yè)第十頁(yè)，共37頁(yè)。比例（P）控制算法一般來(lái)說(shuō)，上述第二個(gè)條件并不能夠?qū)λ性O(shè)定值得到滿(mǎn)足；當(dāng)然，u0可以根據(jù)設(shè)定值變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，但至少有必要首先知道被控過(guò)程的穩(wěn)態(tài)增益。因此，對(duì)于比例控制，可以在滿(mǎn)足閉環(huán)穩(wěn)定性要求的前提下，取最高的比例增益，以減小穩(wěn)態(tài)誤差。此外，如果選取u0恰好在控制信號(hào)操作范圍的中間，則可以使得可能出現(xiàn)的最大穩(wěn)態(tài)誤差最小化，因此，在大多數(shù)控制器中，取u0=50%。第十頁(yè)第十一頁(yè)，共37頁(yè)。比例積分（PI）控制算法第十一頁(yè)第十二頁(yè)，共37頁(yè)。比例微分（PD）控制算法第十二頁(yè)第十三頁(yè)，共37頁(yè)。比例微分（PD）控制算法第十三頁(yè)第十四頁(yè)，共37頁(yè)。比例帶的定義第十四頁(yè)第十五頁(yè)，共37頁(yè)。不完全微分第十五頁(yè)第十六頁(yè)，共37頁(yè)?；綪ID控制算法小結(jié)P：PID：PI：第十六頁(yè)第十七頁(yè)，共37頁(yè)?！?－2：變形的PID控制算法一、

微分先行PID控制算法—PI-D算法二、

比例先行PID控制算法—I-PD算法三、帶設(shè)定值濾波的PID控制算法——部分比例先行PID算法第十七頁(yè)第十八頁(yè)，共37頁(yè)。變形的PID控制算法微分先行的必要性：微分動(dòng)作是建立在對(duì)未來(lái)時(shí)刻誤差大小的估計(jì)基礎(chǔ)之上的。當(dāng)設(shè)定值不變時(shí)，微分不起作用；而設(shè)定值調(diào)整時(shí)，屬于階躍突變，因而微分也不具有預(yù)測(cè)作用，而且還會(huì)給過(guò)程造成沖擊。故一般過(guò)程調(diào)節(jié)系統(tǒng)（定值控制、擾動(dòng)抑制為主），取微分動(dòng)作僅僅作用于測(cè)量值。對(duì)純滯后對(duì)象，微分效果不理想也是同樣的道理。第十八頁(yè)第十九頁(yè)，共37頁(yè)。變形的PID控制算法一、微分先行（PI-D）算法：

第十九頁(yè)第二十頁(yè)，共37頁(yè)。變形的PID控制算法二、比例先行（I-PD）算法:

第二十頁(yè)第二十一頁(yè)，共37頁(yè)。變形的PID控制算法比例先行算法的等效形式第二十一頁(yè)第二十二頁(yè)，共37頁(yè)。變形的PID控制算法三、部分比例先行PID算法：第二十二頁(yè)第二十三頁(yè)，共37頁(yè)。變形的PID控制算法第二十三頁(yè)第二十四頁(yè)，共37頁(yè)。設(shè)定值跳變時(shí)的響應(yīng)第二十四頁(yè)第二十五頁(yè)，共37頁(yè)。§1－3：PID

時(shí)域、頻域分析一、頻域響應(yīng)特性：已知PID控制器的傳遞函數(shù)為：假設(shè)：，則根據(jù)可畫(huà)出

PID控制器的頻域響應(yīng)曲線。第二十五頁(yè)第二十六頁(yè)，共37頁(yè)。PID控制器的頻域響應(yīng)特性第二十六頁(yè)第二十七頁(yè)，共37頁(yè)。控制器的頻域響應(yīng)特性典型（數(shù)字）預(yù)測(cè)控制器的頻域響應(yīng)特性第二十七頁(yè)第二十八頁(yè)，共37頁(yè)。PID控制器的時(shí)域響應(yīng)特性二、時(shí)域響應(yīng)特性：已知PID控制器的時(shí)域表達(dá)式為：取單位階躍偏差輸入：第二十八頁(yè)第二十九頁(yè)，共37頁(yè)。模擬控制器的離散化方法基本PID的離散表達(dá)式第二十九頁(yè)第三十頁(yè)，共37頁(yè)。數(shù)字離散化方法舉例第三十頁(yè)第三十一頁(yè)，共37頁(yè)。數(shù)字離散化方法總結(jié)設(shè)為延遲算子，表示延遲一拍，則有：(對(duì)比式：)上式即可實(shí)現(xiàn)微分運(yùn)算第三十一頁(yè)第三十二頁(yè)，共37頁(yè)。數(shù)字離散化方法舉例問(wèn)題：求解一階慣性環(huán)節(jié)的離散差分方程實(shí)現(xiàn)：其中，為輸入信號(hào)，為濾波器輸出信。解：將上式化作時(shí)域形式，取采樣周期為，有第三十二頁(yè)第三十三頁(yè)，共37頁(yè)。數(shù)字離散化方法

宗旨：采用有理函數(shù)逼近：后向差分：.應(yīng)用:不完全微分項(xiàng),慣性濾波算法等.前向差分：.應(yīng)用:抗積分飽和算法中的積分項(xiàng).

以上兩種方法要求采樣周期相對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)要足夠的小,即屬于“準(zhǔn)連續(xù)”數(shù)字控制算法.第三十三頁(yè)第三十四頁(yè)，共37頁(yè)。PID控制算法的局限性工業(yè)中的難控過(guò)程或?qū)ο?

大時(shí)延過(guò)程（傳輸延遲過(guò)大）;時(shí)變對(duì)象（如變?cè)鲆孢^(guò)程等）;多變量（強(qiáng)）耦合過(guò)程;高階振蕩對(duì)象嚴(yán)重非線性過(guò)程（如PH值中和反應(yīng)）;

一般不能用二階或者一階慣性加純滯后對(duì)象近似描述的過(guò)程均屬于難控過(guò)程。

第三十四頁(yè)第三十五頁(yè)，共37頁(yè)。第一章：思考題1.