第5章 數(shù)字PID控制算法

1、精選ppt第五章 數(shù)字PID控制算法之三精選ppt內容提要n概述n準連續(xù)PID控制算法n對標準PID算法的改進nPID調節(jié)器的參數(shù)選擇n小結精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇001ddd/,/tPDIIpIDpDeuKee tTuTtKK TTKK TT精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇Automatic and Manual Control Modes Automatic Mode Controller output, p(t), depends on e(t), controller constants, and type of controller used. ( PI vs. PID etc.

2、) Manual Mode Controller output, p(t), is adjusted manually. Manual Mode is very useful when unusual conditions exist:plant start-upplant shut-downemergencies Percentage of controllers on manual” ? (30% in 2001, Honeywell survey)精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇nPID整定的理論方法 通過調整PID的三個參數(shù)KP、TI、TD ，將系統(tǒng)的閉環(huán)特征根分布在 s 域的左半平面的

3、某一特定域內，以保證系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度并滿足給定的性能指標 只有被控對象的數(shù)學模型足夠精確時，才能把特征根精確地配置在期望的位置上，而大多數(shù)實際系統(tǒng)一般無法得到系統(tǒng)的精確模型，因此理論設計的極點配置往往與實際系統(tǒng)不能精確匹配精選ppt控制器閉環(huán)特征值n(模擬)PID調節(jié)器精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（2）n試湊法確定PID調節(jié)參數(shù) 通過模擬或閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各環(huán)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應的大致影響，反復湊試參數(shù)，以達到滿意的響應，從而確定PID參數(shù) Kp增大，系統(tǒng)響應加快，靜差減小，但系統(tǒng)振蕩增強，穩(wěn)定性下降； Ti 增大，系統(tǒng)超調減小，振蕩減弱，但系統(tǒng)靜差的消除也隨之減 慢；

4、 Td 增大，調節(jié)時間減小，快速性增強，系統(tǒng)振蕩減弱，穩(wěn)定性增強，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱 001ddd/,/tPDIIpIDpDeuKee tTuTtKK T TKK TT精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（3） 在湊試時，可參考以上參數(shù)分析控制過程的影響趨勢，對參數(shù)進行先比例，后積分，再微分的整定步驟，步驟如下： 整定比例部分 如果僅調節(jié)比例調節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達不到設計要求時，則需加入積分環(huán)節(jié) 若使用比例積分器，能消除靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復調整后仍達不到要求，這時可加入微分環(huán)節(jié) 精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（4） 常見被控量的PID參數(shù)經(jīng)驗選擇范圍精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（5）

5、n實驗經(jīng)驗法確定(連續(xù)) PID調節(jié)參數(shù) 臨界比例法 自平衡對象,對純比例調節(jié)器，形成閉環(huán),逐漸較小比例度 ( =1/kr），直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。紀錄發(fā)生振蕩的臨界比例度和周期r及Tr調節(jié)器類型KpTiTdP調節(jié)器0.5Kr/PI調節(jié)器0.45Kr0.85Tr/PID調節(jié)器0.6Kr0.5Tr0.12Tr精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（5-2）n 臨界比例法-齊格勒尼柯爾斯 Ziegler-Nichols method for tuning PID controllers can be summarized as follows: Set the integral and derivat

6、ive gains to zero and increase the proportional gain until the system just becomes unstable. Define this gain to be Kr and measure the period of oscillation, Tr. Set (連續(xù)PID) Kp = 3*Kr/5, Ki = 6*Kr/(5*Tr), and Kd = 3*Kr*Tr/40調節(jié)器類型KpTiTdP調節(jié)器0.5Kr/PI調節(jié)器0.45Kr0.85Tr/PID調節(jié)器0.6Kr0.5Tr0.12Tr精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇

7、（5）n實驗經(jīng)驗法確定PID調節(jié)參數(shù) 方法方法1: 1: 擴充臨界比例法擴充臨界比例法 對模擬調節(jié)器中使用的臨界比例度法的擴充和推廣 整定數(shù)字控制器參數(shù)的步驟： 選擇短的采樣頻率：一般選擇被控對象純滯后時間的十分之一 去掉積分與微分作用，逐漸較小比例度 ( =1/kr），直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。紀錄發(fā)生振蕩的臨界比例度和周期r及Tr精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（6） 選擇控制度 控制度的定義：以模擬調節(jié)器為基準，將數(shù)字PID的控制效果與模擬調節(jié)器的控制效果相比較，采用誤差平方積分表示： 控制度的指標含意：控制度=1.05，數(shù)字PID與模擬控制效果相當；控制度=2.0，數(shù)字PID比模擬調節(jié)器

8、的效果差2020ddetet數(shù)字模擬控制度精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（7） 根據(jù)選定的控制度，查表求得T、Kp、TI、TD的值控制度控制度 控制規(guī)律控制規(guī)律TKPTITD1.05PI0.03Tr0.53Kr0.88Tr-PID0.014Tr0.63Kr0.49Tr0.14Tr1.2PI0.05Tr0.49Kr0.91Tr-PID0.043Tr0.47Kr0.47Tr0.16Tr1.5PI0.14Tr0.42Kr0.99Tr-PID0.09Tr0.34Kr0.43Tr0.20Tr2.0PI0.22Tr0.36Kr1.05Tr-PID0.16Tr0.27Kr0.4Tr0.22Tr精選pptPI

9、D調節(jié)器參數(shù)選擇（8） 方法方法2:2:階躍曲線法 整定數(shù)字控制器參數(shù)的步驟： 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，系統(tǒng)開環(huán)，并處于手動狀態(tài)，再手動給對象輸入階躍信號 紀錄系統(tǒng)對階躍信號的響應曲線 根據(jù)曲線求得滯后時間 、被控對象的時間常數(shù)T ，它們的比值T / ，并控制度精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（9） 在響應曲線拐點處（斜率最大）處作一切線，求滯后時間和被控對象的時間常數(shù)T精選ppt階躍曲線法確定的連續(xù)調節(jié)器（10-1）調節(jié)器類型KpTiTdP調節(jié)器Tuo/ y /PI調節(jié)器0.8 Tuo/ y 3/PID調節(jié)器1.2 Tuo/ y 20.42精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（10-2） 根據(jù)選定

10、的控制度，查表求得T、Kp、TI、TD的值/u0=1控制度控制度控制規(guī)律控制規(guī)律TKPTITD1.05PI0.1 0.84 T/ 0.34 -PID0.05 0.15 T/2.0 0.45 1.2PI0.2 0.78 T/3.6 -PID0.16 1.0 T/1.9 0.55 1.5PI0.5 0.68 T/3.9 -PID0.34 0.85 T/1.62 0.65 2.0PI0.8 0.57 T/4.2 -PID0.6 0.6 T/1.5 0.82 精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（11）方法3: 歸一參數(shù)整定法 簡化擴充臨界比例法，只需整定一個參數(shù)，因此稱為歸一參數(shù)整定法 思想：根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)

11、，對多變量、相互耦合較強的系數(shù)，人為地設定“約束條件”，以減少變量的個數(shù)，達到減少整定參數(shù)數(shù)目，簡易、快速調節(jié)參數(shù)的目的 方法：設 Tr為純比例作用下的臨界振蕩周期，可令T=0.1 Tr； TI=0.5 Tr； TD=0.125 Tr，則： 只需整定Kp，觀察效果，直到滿意為止。( )2.45 ( )3.5 (1)1.25 (2)Pu kKe ke ke k1112(2)DkkkPkkkkkkITTuuuKeeeeeeTT精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（12）n采樣周期的選擇 根據(jù)香農采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率的下限為 fs = 2fmax，此時系統(tǒng)可真實地恢復到原來的連續(xù)信號 從執(zhí)行機構的特性要

12、求來看，有時需要輸出信號保持一定的寬度，采樣周期必須大于這一時間 從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些 從微機的工作量和每個調節(jié)回路的計算來看，一般要求采樣周期大些 從計算機的精度看，過短的采樣周期是不合適的精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（13） 實際選擇采樣周期時，必須綜合考慮 采用周期要比對象的時間常數(shù)小得多，否則采樣信號無法反映瞬變過程 采用周期應遠小于對象的擾動信號的周期 考慮執(zhí)行器的響應速度 當系統(tǒng)純滯后占主導地位時，應按純滯后大小選取，并盡可能使純滯后時間接近或等于采樣周期的整數(shù)倍 考慮對象所要求的控制質量，精度越高，采樣周期越短精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（14

13、） 常見被控量的經(jīng)驗采樣周期被測參數(shù)被測參數(shù)采樣周期采樣周期說說 明明流量流量15優(yōu)先選用優(yōu)先選用12s壓力壓力310優(yōu)先選用優(yōu)先選用68s液位液位68優(yōu)先選用優(yōu)先選用7s溫度溫度1520或純滯后時間，串級系統(tǒng)：或純滯后時間，串級系統(tǒng)：副環(huán)副環(huán)T=1/41/5T主環(huán)主環(huán)成分成分1520優(yōu)先選用優(yōu)先選用18s精選pptPID調節(jié)器參數(shù)選擇（14）整定參數(shù)尋最佳整定參數(shù)尋最佳, ,從小到大逐步查從小到大逐步查; ;先調比例后積分先調比例后積分, ,微分作用最后加微分作用最后加; ;曲線震蕩很頻繁曲線震蕩很頻繁, ,比例刻度要放大比例刻度要放大; ;曲線漂浮波動大曲線漂浮波動大, ,比例刻度要拉小比

14、例刻度要拉小; ;曲線偏離回復慢曲線偏離回復慢, ,積分時間往小降積分時間往小降; ;曲線波動周期長曲線波動周期長, ,積分時間要加長積分時間要加長; ;曲線震蕩動作繁曲線震蕩動作繁, ,微分時間要加長微分時間要加長. .精選ppt應用事例n多溫區(qū)電氣加熱爐控制系統(tǒng)精選ppt應用事例n控制系統(tǒng)數(shù)學模型n加熱爐: 近似為一級慣性環(huán)節(jié)+ 純滯后( )1sKcG seTs精選ppt應用事例n階躍響應曲線測試nUo=0.3ny =50nT=1170n=70n加熱爐模型ny =UoG(0) =Kc=167nT=1170n=70n連續(xù)PID參數(shù)nK=0.12nTi=140snTd=29.4s溫度/C50403020100 1000 2000 3000 4000精選ppt應用事例Matlab仿真仿真TransportDelay1671170s+1Transfer FcnScope1Scope1sIntegrator-K-Gain3-K-Gain21Gain1-K-Gaindu/dtDerivative70Constant精選ppt應用事例Matlab仿仿鎮(zhèn)鎮(zhèn)結果分析結果分析.nK=0.12nTi=140snTd=29.4s010020030040050060070080090010000