ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))課件

1、ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))PID控制算法ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn)) PID控制算法 2 PID控制規(guī)律及其基本作用3 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法 4 改進(jìn)的數(shù)字PID控制器 5 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法 1 PID控制器的概念及發(fā)展現(xiàn)狀I(lǐng)D控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))1 PID控制器的概念及發(fā)展現(xiàn)狀控制器的概念及發(fā)展現(xiàn)狀 比例-積分-微分(Proportion-Integral-Differential，簡(jiǎn)稱PID)控制器是一個(gè)三項(xiàng)控制器，在自動(dòng)控制領(lǐng)域擁有悠久歷史。 具有原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠提供一系列令人滿意的過(guò)程，實(shí)際上它在工業(yè)中已成為標(biāo)準(zhǔn)控制器。 實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制很容易。ID

2、控制技術(shù)(智能車培訓(xùn)) 當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最基本問(wèn)題，既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))PID控制器的發(fā)展現(xiàn)狀控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PI

3、D參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))過(guò)程控制系統(tǒng) 靜態(tài)，動(dòng)態(tài)，過(guò)渡過(guò)程（中間過(guò)程） 擾動(dòng)，階躍信號(hào) 典型過(guò)渡過(guò)程 平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))過(guò)程控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)5%（或2%） )(tCCCCmaxmaxCCtrtstpID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))2 PID控制規(guī)律及其基本作用控制規(guī)律及其基本

4、作用1. 比例調(diào)節(jié)器(P)0ueKup2. 比例積分調(diào)節(jié)器(PI) tipuedtTeKu00)1(3. 比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID) tdipudtdeTedtTeKu00)1(ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))比例調(diào)節(jié)作用比例調(diào)節(jié)作用 比例調(diào)節(jié)作用快，系統(tǒng)一出現(xiàn)偏差，調(diào)節(jié)器立即將偏差放大輸出。但系統(tǒng)存在余差，比例度越大，過(guò)渡過(guò)程越平穩(wěn)，但余差越大，比例度越小，過(guò)渡過(guò)程易振蕩，比例度太小時(shí)，就可能出現(xiàn)發(fā)散振蕩。 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 0ueKupID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))積分調(diào)節(jié)作用積分調(diào)節(jié)作用 積分調(diào)節(jié)作用的

5、輸出不僅取決于偏差信號(hào)的大小，還取決于偏差存在的時(shí)間，只要有偏差存在,盡管偏差可能很小，但它存在的時(shí)間越長(zhǎng)，輸出信號(hào)就越大，只有消除偏差，輸出才停止變化。 對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))微分調(diào)節(jié)作用微分調(diào)節(jié)作用 在微分控制中，

6、控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 由于積分調(diào)節(jié)器輸出值大小與誤差的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，就會(huì)使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程變慢，帶來(lái)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差。此外，當(dāng)系統(tǒng)受到?jīng)_擊式偏差時(shí)，偏差的變化率很大，而PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度很慢，就會(huì)造成系統(tǒng)的振蕩。 解決的辦法是增加 “微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))3 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法控制算法 Tkekedtdej

7、eTedtkjt) 1()()(00采樣周期T遠(yuǎn)小于信號(hào)變化周期時(shí)， 令：)2() 1(2)()()1()()(kekekeTTkeTTkekeKkudip增量型PID控制算法 ：)1()()()()(0kekeTTjeTTkeKkukjdip位置型PID控制算法 ：ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))增量型增量型PIDPID控制算法特點(diǎn)控制算法特點(diǎn)（1）計(jì)算誤差對(duì)控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。（2）易實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)無(wú)擾切換 。（3）即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成惡劣影響。)() 1()(kukukuID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))4 改進(jìn)的數(shù)字改進(jìn)的數(shù)字PID控制器控制器

8、 1 1）積分分離）積分分離PIDPID控制算法控制算法5 5）不完全微分）不完全微分PIDPID控制算法控制算法7 7）帶死區(qū)的）帶死區(qū)的PIDPID控制算法控制算法4 4）消除積分不靈敏區(qū)的）消除積分不靈敏區(qū)的PIDPID控制控制2 2）抗積分飽和的抗積分飽和的PID控制控制 3 3）梯形積分）梯形積分 6 6）微分先行）微分先行PIDPID控制算法控制算法ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))1 1） 積分分離積分分離PIDPID控制算法控制算法問(wèn)題：?jiǎn)栴}：當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)，由于此時(shí)有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項(xiàng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。積分分離PI

9、D算法：)1()()()()(0kekeTTjeTTKkeKkukjdifp)( 0)( 1kekeKfID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))2）抗積分飽和的）抗積分飽和的PID控制控制 問(wèn)題：?jiǎn)栴}：積分飽和。因長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)偏差或偏差較大，計(jì)算出的控制量有可能溢出。就是計(jì)算機(jī)運(yùn)算得出的控制量u(k)超出了D/A轉(zhuǎn)換器所能表示的數(shù)值范圍。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩個(gè)極限位置，如調(diào)節(jié)閥全開(kāi)或全關(guān)。如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已到極限位置，仍然不能消除偏差時(shí)，由于積分作用，盡管PID差分方程式所得的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)沒(méi)有相應(yīng)的動(dòng)作，這稱為積分飽和。作為防止積分飽和的辦法之一，可對(duì)計(jì)算出的控制量u(k)進(jìn)行限幅，同時(shí)，把積分

10、作用切除。ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))3）梯形積分）梯形積分 問(wèn)題：?jiǎn)栴}：積分計(jì)算公式的精度。在PID控制器中，積分項(xiàng)的作用是消除殘差。為了減少殘差，應(yīng)提高積分項(xiàng)的運(yùn)算精度。為此，可將矩形積分改為梯形積分，其計(jì)算公式為：Tieiedttetki002)1()()(tkiiTedtte00)()(ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))4 4）消除積分不靈敏區(qū)的）消除積分不靈敏區(qū)的PIDPID控制控制問(wèn)題：?jiǎn)栴}：積分不靈敏區(qū) 。當(dāng)積分項(xiàng)運(yùn)算結(jié)果太小，小于計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)所能表示的數(shù)的精度，計(jì)算機(jī)就把它當(dāng)成0而舍棄掉，此時(shí)積分作用就沒(méi)有了。 為了消除這種積分不靈敏區(qū)，除增加A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)，以加長(zhǎng)字長(zhǎng)，提高運(yùn)算精度外，

11、還可以將小于輸出精度的積分項(xiàng)u(k)累加起來(lái)，而不將其丟掉。等其累計(jì)到一定值后，再將其輸出。 ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))5 5） 不完全微分不完全微分PIDPID控制算法控制算法問(wèn)題：?jiǎn)栴}：微分飽和現(xiàn)象。對(duì)有著高頻擾動(dòng)的生產(chǎn)過(guò)程，微分作用響應(yīng)過(guò)于靈敏，容易引起控制過(guò)程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)。)()1 () 1()(kukuku在PID后串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)，組成不完全微分PID控制器，如圖所示：ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))6） 微分先行微分先行PID控制算法控制算法問(wèn)題：?jiǎn)栴}：給定值的升降給控制系統(tǒng)帶來(lái)沖擊，如超調(diào)量過(guò)大，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作劇烈。可采用如圖的微分先行控制方案，它和標(biāo)準(zhǔn)PID控制的不同在于它只對(duì)被

12、控量y(t)微分，而不對(duì)偏差e(t)微分，也就是說(shuō)對(duì)給定值r(t)無(wú)微分作用。ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))7 7） 帶死區(qū)的帶死區(qū)的PIDPID控制算法控制算法問(wèn)題：?jiǎn)栴}：控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，引起振蕩，采用帶有非線性環(huán)節(jié)的PID控制系統(tǒng)。)()( )( )()()1()()()()(00kykrkker(k)-y(k)kekpukpkpTTjpTTkpKkudkjipID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))5 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法1 1） 擴(kuò)充臨界比例度法整定擴(kuò)充臨界比例度法整定PIDPID參數(shù)參數(shù)2 2） 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PIDPID參數(shù)參數(shù) 3 3） 試

13、湊法試湊法 ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))1 1） 擴(kuò)充臨界比例度法整定擴(kuò)充臨界比例度法整定PIDPID參數(shù)參數(shù)(1)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期T。(2)逐漸加大比例系數(shù)Kp，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。求得相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts，記下此時(shí)的比例系數(shù)Kp。(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(duì)應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程的誤差平方的積分之比。(4)根據(jù)控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。(5)按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運(yùn)行，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。 ID控制技術(shù)(智能車培訓(xùn))2 2） 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PIDPID參數(shù)參數(shù) (1)斷開(kāi)數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)。將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近并穩(wěn)定后，然后突然改變給定值，即給對(duì)象輸入一個(gè)階躍信號(hào)。(2)用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個(gè)變化過(guò)程曲線，如圖所示。 (3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間、被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)Tc，以及它們的比值Tc/。(4)由、Tc、Tc/值，查表，求出數(shù)字控制器的T、