數(shù)字PID控制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)ppt課件

1、2 PID算法的實(shí)現(xiàn)技術(shù)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)字目的：掌握數(shù)字PIDPID控制算法在工程應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)技控制算法在工程應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，包括采樣周期、字長的選取，無擾切換與抗術(shù)，包括采樣周期、字長的選取，無擾切換與抗積分飽和算法，控制器的正反作用方式等等。積分飽和算法，控制器的正反作用方式等等。 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制的位置式與增量式算法；控制的位置式與增量式算法； 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制器采樣周期的選?。豢刂破鞑蓸又芷诘倪x?。?數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制器的正、反作用方式；控制器的正、反作用方式； 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制器積分字長的確定；控制器積分字長的確定； 過程輸入約束及過程輸入約

2、束及PID抗積分飽和算法；抗積分飽和算法； 控制器的手動(dòng)、自動(dòng)無擾切換控制器的手動(dòng)、自動(dòng)無擾切換 。2 21 1：位置式與增量式算法：位置式與增量式算法一、基本PID的位置型離散表達(dá)式njjTeedt0)(TneneTjeTTneKnudkiip) 1()()()()(0T-采樣周期，k-采樣序號 kT-nTnenedtde) 1()(tdicdttdeTdeTteKtu0)()(1)()(時(shí)域形式：(1)1ktkt1kt)(tet)(1kte)(kte)(1kte)(2kte2ktT采樣周期二、增量式數(shù)字二、增量式數(shù)字PID控制算法控制算法（n-1時(shí)辰積分系數(shù)ipiTTKK )2() 1(2

3、)()()1()()2()(2)()() 1()()(neneneKneKneneKneneneTTneTTneneKnudipdip)2() 1()() 1() 1(10neneTTjeTTneknudnjiP(1)-(2)(2)微分系數(shù)TTKKdpd)() 1()(nununu增量式數(shù)字增量式數(shù)字PID控制算法控制算法n增量式算法的控制器結(jié)構(gòu)舉例：yk()u k( )z1過 程y k( )(krukr( )ukr()1)(ky增量PID算法MAN數(shù)字控制器模式切換執(zhí)行器緩沖單元位置式與增量式算法的對比位置式與增量式算法的對比1. 增量式PID控制算法如取 為實(shí)際閥位反饋信號,或反映執(zhí)行器特

4、性的內(nèi)部執(zhí)行器模型輸出,則不會發(fā)生積分飽和現(xiàn)象;并且由MAN模 式 切 換 到 A U T O 模 式 時(shí) , 易 于 實(shí) 現(xiàn) 無 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)定值無關(guān)；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。這樣， 被控過程會漂離設(shè)定點(diǎn) )(TkTuPID2 22 2：采樣周期的選擇：采樣周期的選擇 香農(nóng)香農(nóng) “采樣定理采樣定理基于如下兩點(diǎn)假設(shè)：基于如下兩點(diǎn)假設(shè)：（1原始信號是周期的；原始信號是周期的；（2根據(jù)在無限時(shí)域上的采樣信號來恢復(fù)原始根據(jù)在無限時(shí)域上的采樣信號來恢復(fù)原始信號。信號。例如：例如：s

5、off0.51.01.52.02.5sff表觀頻率真實(shí)頻率2sNffNyquist頻率：對正弦信號進(jìn)行采樣對正弦信號進(jìn)行采樣采樣周期的選擇采樣周期的選擇n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，所以不能照搬采樣定理的結(jié)論。 n 采樣周期的選取要考慮以下幾個(gè)因素：n 1. 被控過程的動(dòng)態(tài)特性；n 2. 擾動(dòng)特性；n 3. 信噪比信噪比小，采樣周期就要大些）。10 主要擾動(dòng)周期T采樣周期：10 對象時(shí)間常數(shù)T采樣周期：采樣周期的選擇采樣周期的選擇n流量控制中不同采樣周期的比較：2 23 3：“正反作用方式正反作用方式n控制系統(tǒng)引入正反作用方式的必要性：控制系統(tǒng)

6、引入正反作用方式的必要性：u(t)y(t)sTKic111sTeKpsp+ +- -)(tr已知：0 , 0PcKK對象控制器，上述系統(tǒng)能否穩(wěn)定？y(t)2 23 3：“正反作用方式正反作用方式n控制系統(tǒng)引入正反作用方式的必要性：控制系統(tǒng)引入正反作用方式的必要性：u(t)y(t)sTKic11+ +- -)(tr已知：0 , 0PcKK對象控制器，上述系統(tǒng)能否穩(wěn)定？y(t)1sTeKpsp2 23 3：“正反作用方式正反作用方式n控制系統(tǒng)引入正反作用方式的必要性：控制系統(tǒng)引入正反作用方式的必要性：u(t)y(t)sTKic111sTeKpsp+ +- -)(tr已知：0 , 0PcKK對象控制

7、器，上述系統(tǒng)能否穩(wěn)定？y(t)“正反作用正反作用方式的定義方式的定義n定義定義P.82）：）：n 正作用正作用Direct Action）：隨著被控）：隨著被控過程輸出測量信號的增加，調(diào)節(jié)器輸出也增加；過程輸出測量信號的增加，調(diào)節(jié)器輸出也增加；)()()( :DIRkTrkTykTe算法)()()(REVkTykTrkTe :算法 反作用Reverse Action）：隨著被控過程輸出測量信號的增加，調(diào)節(jié)器輸出減小。 “正反作用正反作用方式曲線描述方式曲線描述y(t)SVPVMVu(t)反作用反作用正作用正作用tt擾動(dòng)作用擾動(dòng)作用n圖示：圖示： “正反作用正反作用方式的選擇方式的選擇 選擇要點(diǎn)

8、：決定于對象特性及調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，選擇要點(diǎn)：決定于對象特性及調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，最終是為了使控制回路成為最終是為了使控制回路成為“負(fù)反饋負(fù)反饋系系統(tǒng)。具體工程上的判斷方法為：統(tǒng)。具體工程上的判斷方法為：（1 1假設(shè)檢驗(yàn)法，先假設(shè)控制器的作用方向假設(shè)檢驗(yàn)法，先假設(shè)控制器的作用方向，再檢查控制回路能否成為，再檢查控制回路能否成為“負(fù)反饋負(fù)反饋系系統(tǒng)統(tǒng)（2 2回路判別法，先畫出控制系統(tǒng)的方塊圖回路判別法，先畫出控制系統(tǒng)的方塊圖，并確定回路中除控制器外的各環(huán)節(jié)的作，并確定回路中除控制器外的各環(huán)節(jié)的作用方向，再來確定控制器的正反作用。用方向，再來確定控制器的正反作用。 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)u(t)：控制

9、器輸出 ( 420 mA 或 010 mA DC)；pc ：調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)控制信號20 100kPa）；l：閥桿相對位置； f ：相對流通面積；q ：受調(diào)節(jié)閥影響的管路相對流量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣轉(zhuǎn)換器閥體管路系統(tǒng)u(t)pclfq執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥體.pc氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)閥門的閥門的“氣開氣開與與“氣氣關(guān)關(guān)”1. 1. 氣開閥與氣閉閥氣開閥與氣閉閥 * * 氣開閥：氣開閥： pc q (“ pc q (“氣大閥開氣大閥開”)”) * * 氣閉閥：氣閉閥： pc q (“ pc q (“氣大閥關(guān)氣大閥關(guān)”)”) 無氣源無氣源( pc = 0 )( pc = 0 )時(shí)，氣開閥全關(guān)，氣閉時(shí)，氣開閥全

10、關(guān)，氣閉閥全開。閥全開。2. 2. 氣開閥與氣閉閥的選擇原則氣開閥與氣閉閥的選擇原則 * * 若無氣源時(shí)，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開若無氣源時(shí)，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無氣源時(shí)，希望閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無氣源時(shí)，希望閥全開，則應(yīng)選擇氣閉閥，如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥。閥全開，則應(yīng)選擇氣閉閥，如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥。常見的現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見的現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥上游閥下游閥旁路閥 控制對象特性控制對象特性n水位控制系統(tǒng)舉例：LCu(t)y(t)氣開閥u(t)y(t)sTKic111sTeKpsp+ +- -)(tr在初始穩(wěn)態(tài)條件下，有關(guān)系式：0 , 0 ,)0()0(0PcpKKu

11、kyr則當(dāng) 時(shí)，實(shí)際各變量為： 0t)(ty)(tu練習(xí)：調(diào)節(jié)閥與控制器的選取問題：請確定調(diào)節(jié)器問題：請確定調(diào)節(jié)器LCLC的正反作用。的正反作用。LCu(t)y(t)LCu(t)y(t)2 24 4： 積分字長的確定積分字長的確定n必要性：必要性：n 在在DDCDDC控制的數(shù)字儀表中，為提高運(yùn)算控制的數(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言編寫，而若速度，內(nèi)部程序一般采用匯編語言編寫，而若字長選取不當(dāng)，會嚴(yán)重影響控制精度，以字長選取不當(dāng)，會嚴(yán)重影響控制精度，以PIDPID控制算法為例：控制算法為例：n 若調(diào)節(jié)器的比例度若調(diào)節(jié)器的比例度P=500%P=500%，積分時(shí)間常，積分時(shí)間常

12、數(shù)數(shù)Ti=1800Ti=1800秒，采樣周期秒，采樣周期T=0.2T=0.2秒，則只有偏差：秒，則只有偏差：n 即只有當(dāng)偏差幅度超過滿刻度的即只有當(dāng)偏差幅度超過滿刻度的2/32/3以上時(shí)，以上時(shí)，積分分量才會發(fā)揮作用，這事實(shí)上形同虛設(shè)。積分分量才會發(fā)揮作用，這事實(shí)上形同虛設(shè)。%69212 . 01800521)(1616TPTkTeiPID控制器積分字長的確定控制器積分字長的確定n選取原則：選取原則：n 根據(jù)如下積分式：根據(jù)如下積分式：)()(kTeTTKkTuicI 在所有有關(guān)參數(shù)取允許的極限值條件下，計(jì)算積分項(xiàng)可能達(dá)到最小值，據(jù)此最小值選取合適的字長，使得該最小值不會因?yàn)樽珠L有限而被舍棄掉

13、，從而導(dǎo)致積分作用形同虛設(shè)。其中， :采樣周期； ：比例增益； ：積分時(shí)間常數(shù)。TcKiT2 25 5： PID PID抗積分飽和算法抗積分飽和算法n工程背景分析工程背景分析P.82P.82）：）：n 工作在擾動(dòng)幅度大或頻繁啟動(dòng)的斷續(xù)生工作在擾動(dòng)幅度大或頻繁啟動(dòng)的斷續(xù)生產(chǎn)過程中的調(diào)節(jié)器，如果調(diào)節(jié)規(guī)律中包含積分產(chǎn)過程中的調(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)量長時(shí)間偏離給定位，偏差信作用，由于被調(diào)量長時(shí)間偏離給定位，偏差信號長時(shí)間處于較大的數(shù)值，經(jīng)常使積分器進(jìn)入號長時(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)，偏差信號深度飽和狀態(tài)。一且進(jìn)入這種狀態(tài)，偏差信號反向時(shí)，由

14、于積分器退出飽和需要時(shí)間，調(diào)節(jié)反向時(shí)，由于積分器退出飽和需要時(shí)間，調(diào)節(jié)器輸出在很長的時(shí)間中仍將保持飽和值。這會器輸出在很長的時(shí)間中仍將保持飽和值。這會使系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量下降，超調(diào)量變大，過度過程使系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量下降，超調(diào)量變大，過度過程時(shí)間時(shí)間n 延伸，嚴(yán)重時(shí)還會發(fā)生事故。延伸，嚴(yán)重時(shí)還會發(fā)生事故。n 積分器進(jìn)入深度飽和的原因有下面兩積分器進(jìn)入深度飽和的原因有下面兩方面：一是大幅度偏差信號的長時(shí)間存在，二方面：一是大幅度偏差信號的長時(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)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)，累加。解決其中的一個(gè)，n 便可避免深度飽和現(xiàn)象的發(fā)生。便

15、可避免深度飽和現(xiàn)象的發(fā)生。PID抗積分飽和算法抗積分飽和算法n積分飽和對系統(tǒng)性能的影響：1kt)(tyt)(tut801kt溫度25環(huán)境溫度SVMHML偏差反向?qū)嶋H閥位PV控制器內(nèi)部數(shù)值MV抗積分飽和算法PID抗積分飽和算法抗積分飽和算法 n積分飽和產(chǎn)生的根源積分飽和產(chǎn)生的根源: :n 過程非線性過程非線性D/AD/A轉(zhuǎn)換器輸出有限；轉(zhuǎn)換器輸出有限；執(zhí)行器動(dòng)作范圍有限）。執(zhí)行器動(dòng)作范圍有限）。n時(shí)域算法時(shí)域算法: : ttdticdvuTdttdyTdeTtytrKtv00)()(1)()(1)()()(其中， ，假設(shè) ； ，假設(shè) ； ，假設(shè) .minuv minuv uv maxminuvu

16、maxuv maxuv 控制器的控制器的AW/BTAW/BT通用算法通用算法 在傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)當(dāng)中，一般采用如圖所示的典型結(jié)構(gòu)圖中，K、G、R分別為控制器、對象及無擾切換/抗積分飽和算法，N為實(shí)際過程中的非線性環(huán)節(jié)或其模型在數(shù)字(位置式)PID控制算法中，一般取: 其中，針對無擾切換及抗積分飽和，參數(shù) 分別取為1及 ， 為跟蹤時(shí)間常數(shù)+-RywuG+NK-y+ruesRtT1tT抗積分飽和算法方框圖抗積分飽和算法方框圖n數(shù)字PID控制器的抗積分飽和算法 +-sTsTii11NsTsTKddc1yru+s1icTK-tT1對象輸入飽和非線性（實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)或其模型）不完全微分抗積分飽和設(shè)定值濾波

17、 1 , 0-cKvPID抗積分飽和算法實(shí)現(xiàn)抗積分飽和算法實(shí)現(xiàn)n算法實(shí)現(xiàn)算法實(shí)現(xiàn) n在一個(gè)周期內(nèi)在一個(gè)周期內(nèi),首先進(jìn)行輸出更新首先進(jìn)行輸出更新: )()()()(kTukTukTukTvDIP 其中其中,積分項(xiàng)積分項(xiàng) 已由上一周期計(jì)算好已由上一周期計(jì)算好. 由由 可計(jì)算出可計(jì)算出 . 其次其次, 進(jìn)行狀態(tài)更新進(jìn)行狀態(tài)更新, 為下一為下一 周期做準(zhǔn)備周期做準(zhǔn)備: )(kTuI)(kTv)(kTu)()()()()(kTvkTuTTkTeTTKkTuTkTuticII前向差分的采用前向差分的采用n注：容易看出注：容易看出,這里積分項(xiàng)采用了前項(xiàng)差這里積分項(xiàng)采用了前項(xiàng)差分分,這是必須的這是必須的.由于

18、由于,如采用后向差分如采用后向差分,如如下所示下所示:)()()()()()()(kTvkTuTTkTeTTKTkTukTukTukTvticIPD則由于上式右邊 及 都是未知的,因此無法計(jì)算出 .)(kTv)(kTu)(kTv2 26 6：控制器無擾切換技術(shù)：控制器無擾切換技術(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)要求此種操作不會對調(diào)節(jié)過程帶來大的沖擊；在改變控制器參數(shù)時(shí)，具有同樣的要求。 實(shí)現(xiàn)無擾切換的關(guān)鍵是在切換前后，控制器輸出值不會發(fā)生大的跳躍P.81）。 ）硬手動(dòng)（）軟手動(dòng)（）自動(dòng)（HM A控制器無

19、擾切換技術(shù)控制器無擾切換技術(shù)n回答如下問題：在手動(dòng)控制時(shí)，回答如下問題：在手動(dòng)控制時(shí)，PID算算法是否還要繼續(xù)運(yùn)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，有必要引入無擾切換算法。 控制器無擾切換技術(shù)控制器無擾切換技術(shù)n無擾切換算法：n 考慮在手動(dòng)模式下或在PID參數(shù)調(diào)整之前），PID控制器輸出可寫作如下算式：要實(shí)現(xiàn)無擾切換，必須滿足：在切換到自動(dòng)或參數(shù)修改之后：)()()()(tutututuDIP)()()()(tutututuDI

20、P)()(tutu控制器無擾切換技術(shù)控制器無擾切換技術(shù) 我們可以通過更新積分部分狀態(tài)或微分狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)： 。 我們選擇積分狀態(tài)來實(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。 )()(tutu)()()()()()(tutututututuDPDIPI)()()()(kTukTukTukTuDPMI因此，在手動(dòng)控制時(shí)， 要每周期由下式計(jì)算：)(kTuI位置式與增量式算法的對比位置式與增量式算法的對比1. 增量式PID控制算法如取 為實(shí)際閥位反饋信號,或反映執(zhí)行器特性的內(nèi)部執(zhí)行器模型輸出,則不會發(fā)生積分飽和現(xiàn)象;并且由MAN模 式 切 換 到 A U T O 模 式 時(shí) , 易 于 實(shí)

21、 現(xiàn) 無 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)定值無關(guān)；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。這樣， 被控過程會漂離設(shè)定點(diǎn) )(TkTuPID3 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法 nKc 對過渡過程的影響n 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）；nTi 對系統(tǒng)性能的影響n 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；nTd 對系統(tǒng)性能的影響n 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。因此，微分作用