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1,Ch5PID控制算法,,,,微机测控技术,2,,控制算法是测控系统中控制软件的重要组成，数字系统的控制功能主要由控制算法来实现。常用的控制算法1、PID算法2、智能PID算法3、模糊控制算法4、基于神经网络的控制算法等,微机测控技术,3,PID控制思想,PID是一种对偏差进行控制的算法，其实质就是根据输入的偏差值，按比例P、积分I、微分D的函数关系进行运算，其结果用以输出控制。应用中，根据被控对象的特性和控制要求，改变PID结构，取其中一部分环节构成控制率，如1、比例控制P控制2、比例积分控制PI控制3、比例积分微分控制PID控制,微机测控技术,4,主要内容,1、PID控制原理2、数字PID算法的改进3、数字PID算法参数的选择4、数字PID算法的工程实现,微机测控技术,5,,5.1PID控制原理,微机测控技术,6,一、过程控制的基本概念,采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的控制的方式，称为过程控制。过程控制分为1、模拟控制2、数字控制,,微机测控技术,7,模拟控制,基本控制回路是简单的反馈回路，如下图,微机测控技术,8,模拟控制的特点,1）被控量由传感器或变送器来检测，与给定值比较，得偏差，控制器根据控制率作用使偏差趋近零，控制器输出通过执行器作用于对象；过程控制共有2）控制策略必须通过相应的硬件来完成；3）控制率的功能和实现这些功能的硬件是一一对应的关系；,微机测控技术,9,,4）设计方案必须由现有的硬件来实现，控制率的修改需要重新设计硬件电路；5）控制器缺乏灵活性，对于复杂的工业过程，模拟控制器的实现、优化、可靠性等方面难以满足更高的要求。,微机测控技术,10,数字控制系统,以微机系统代替模拟调节器，构成数字控制系统，如下图,,微机测控技术,11,数字控制的特点,1）充分利用微机在对数据进行分析并根据所得结果作出逻辑判断的能力，设计符合技术要求的控制、管理程序，实现对被控参数的控制与管理。2）在计算机控制系统中，控制律是通过软件来完成的。改变控制律，只要改变相应的程序，这是模拟控制系统所无法比拟的。,微机测控技术,12,DDC控制方式,DDCDirectDigitalControl系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统，构成见下图。,,微机测控技术,13,DDC控制的特点,1）输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律算法进行计算；2）输出通道的输出直接控制执行机构，使被控量达到预定要求。3）计算机的决策直接作用于过程，4）完全取代模拟调节器，实现多回路PID调节；5）有效地实现较复杂的控制，如前馈控制、串级控制、非线性控制、自适应控制和最优控制等。,微机测控技术,14,二、模拟PID调节器,PID控制系统系统的组成模拟PID调节器、执行机构、被控对象常规PID控制系统如下图,,微机测控技术,15,PID调节器的特点,1）为线性调节器，根据给定值rt与实际输出值ct构成的偏差et进行控制etrt–ct2）将偏差的比例P、积分I、微分D通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制；3）实际应用中，根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制律适当组合，构成P调节器，PI调节器，PD调节器等。,微机测控技术,16,PID调节器的控制规律,基本控制规律如下式中KP为比例系数TI为积分时间常数TD为微分时间常数,,微机测控技术,17,各校正环节的作用,1）比例P作用PID控制器的稳定性、超调量、响应速度等动态特性主要取决于比例系数KP。KP↑，可提高系统的控制精度及响应速度，减小稳态误差，超调变大，可能造成闭环系统不稳定,微机测控技术,18,比例调节的一般方法,①偏差较大时，一般增大KP以提高响应速度；②随着偏差的减小，为减小超调量，并兼顾稳定性，减小KP；③稳态后，为降低稳态误差，应适当增大KP；,微机测控技术,19,2）积分I作用,积分调节与系统的稳态精度密切相关，能够消除系统的稳态误差，提高系统的稳态性能；①积分作用的引入，会使系统的稳定下降；②过大会使系统产生较大超调，趋于不稳定；③过小时，系统的过渡过程变长，响应变慢。④积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。,,微机测控技术,20,积分调节的一般方法,积分作用随着偏差的减小应有所增强，但应注意避免造成过大的超调增大积分时间常数TI。,微机测控技术,21,3）微分D作用,①克服大惯性时间常数影响，反映偏差信号变化趋势，在偏差信号变得太大前，引入有早期修正信号，加快系统的动作速度，减少调节时间。②微分作用对动态调节过程影响很大，增大TD有利于减小超调，但调节时间增加；,,微机测控技术,22,,③微分作用会使系统对扰动的抑制能力减弱，在误差信号带有噪声的情况下，还会起到放大噪声的作用，降低系统的抗干扰能力；④微分作用只对动态过程起作用。,微机测控技术,23,微分调节的一般方法,偏差较大时，反向微分可以加快系统响应；随着偏差的减小，增强正向的微分作用可降低超调。,微机测控技术,24,三、数字PID控制器,DDC系统中，计算机取代了模拟调节器，控制律的实现是由软件实现的。数字控制器的设计，实际上是算法的设计。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，在计算机控制系统中，首先对控制律进行离散化。,微机测控技术,25,,离散化前提①信号rt、et、ut、ct在第n次采样时刻的数据分别用rn、en、un、cn表示；②采样周期T满足奈奎斯特采样定理，T很小。,微机测控技术,26,离散化过程,①误差方程enrn–cn②积分环节③微分环节④离散化后的差分PID方程,,,微机测控技术,27,PID常用算法,①比例P控制②PI控制③PD控制④PID控制式中，比例项积分项微分项,,,,,,,,微机测控技术,28,数字PID算法的形式,1）位置式PID算法2）增量式PID算法,微机测控技术,29,位置式PID算法,基本算法其中,微机测控技术,30,位置式PID算法的特点,①输出量un为全量输出，对应于被控对象的执行机构如调节阀每次采样时刻应达到的实际位置如阀门的开度；②算法不方便，累加偏差ei占用较多存储单元；③计算机故障时，un的大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化。,微机测控技术,31,增量式PID算法,针对位置式PID算法的不足，经改进后，可得到如下的增量式PID算法式中，各系数的定义同前。,,微机测控技术,32,增量式PID算法的特点,1）不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，比较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。2）算法得出的是控制量的增量，误动作时影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出。例阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分3）易实现手动到自动的无扰动切换；4）积分截断效应大，有静态误差。,微机测控技术,33,算法的适用,1）如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征执行机构的位置，此时控制器应采用数字PID位置型控制算法；2）如执行机构采用步进电机，每个采样周期控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量型控制算法。,微机测控技术,34,四、PID算法的实现,,微机测控技术,35,小结,,微机测控技术,36,5.2数字PID算法的改进,前题1）简单系统中，常规PID算法能达到较好的控制精度；2）复杂系统中，常规的PID算法往往达不到理想的控制效果，或者达不到预定的控制精度，而采用硬件又很难实现复杂的PID算法；,微机测控技术,37,,3）数字控制器的控制量在一个采样周期内不变化，且算法计算和输入输出需要一定时间，控制作用在时间上有延迟。4）为满足不同控制系统的要求，在微机测控系统中，对PID算法作出部分改进，来满足控制的要求，一般PID算法的改进主要体现在积分项及微分项的改进。,微机测控技术,38,一、微分项的改进,前题1）微分作用按偏差变化趋势进行控制。微分的引入有利于改善系统的动态特性。微分作用会带来相位超前。每引入一个微分环节，相位就超前90o，从而有利于改善系统的稳定性。2）微分对输入噪声敏感，对噪声比较大系统流量、液位控制系统，一般不引入微分，或在引入微分时，先对输入信号进行滤波。,微机测控技术,39,,3）理想的微分作用，偏差的阶跃变化会引起输出的大幅度变化，从而引起执行机构在全范围内剧烈动作，这对控制过程是不利的。,微机测控技术,40,误差扰动突变时微分项的不足,微分项如下当en为阶跃函数时，微分输出为即仅第一个周期有输出，且幅值为KDKPTD/T，后面输出都为0,微机测控技术,41,输出特点,①微分项的输出仅在第一个周期起激励作用，对时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的；②uD的系数KD一般比较大，容易造成计算机中的数据溢出；此外uD过大、过快的变化，对执行机构会造成不利的影响通常TTD,微机测控技术,42,1、不完全微分PID算法,为克服常规PID算法中微分项的不足，进行如下的改进在PID算法中加入一阶惯性环节构成不完全微分PID算法，如图,微机测控技术,43,算法设计,,微机测控技术,44,算法设计,,微机测控技术,45,改进后的算法特点,引入不完全微分后，微分项输出在第一个采样周期内脉冲高度下降，此后呈指数规律衰减，对具有脉冲干扰的大延时系统，能获得较好控制效果。,微机测控技术,46,2、微分先行PID算法,微分先行PID控制器的结构如图,微机测控技术,47,微分先行PID算法的特点,①把对偏差的微分改为对被控量的微分；②给定值变化时，不会产生输出大幅度变化。且被控量一般不会突变，即使给定值发生改变，被控量也缓慢变化，从而不致引起微分项的突变；③微分先行PID适用于给定值rt频繁变化的场合，避免给定值变化时所引起的系统振荡，明显改善系统的动态特性；,微机测控技术,48,微分先行PID算法的实现,,微机测控技术,49,二、积分项的改进,1）PID算法中积分主要是为了消除静差；2）在启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统达到很大输出，由于偏差始终存在，un将达到上、下极限值，此时虽对un进行了限幅，但积分项uIn仍在累加，引起积分过量；,微机测控技术,50,,3）偏差方向改变后，因积分项的累积值很大，超过输出值的限幅范围，需经过一段时间，输出un才脱离饱和区。这样就造成调节滞后，这种由积分项引起的过积分作用称为积分饱和现象。4）积分饱和现象致使控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡。,微机测控技术,51,,常用抗积分饱和的算法1、积分限幅法2、积分分离法3、变速积分法4、遇限削弱积分法,微机测控技术,52,1、积分限幅法,基本思想1）消除积分饱和的关键不能使积分项过大；2）当积分项输出达到输出限幅值时，停止积分项计算，这时积分项的输出取上一时刻的积分值。,微机测控技术,53,2、积分分离法,基本思想1）偏差大时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于预定的门限值时才进行积分累积。2）防止偏差大时有过大的控制量，避免过积分现象。3）当偏差大于门限值时，算法相当于比例微分PD控制器，只有在门限范围内，积分部分才起作用，以消除系统静差。,微机测控技术,54,3、变速积分法,积分的目的，是为了消除静差。因此要求在偏差较大时积分慢一些，作用相对弱一些；偏差较小时，积分快一些，作用强一些，尽快消除静差。对积分项中的偏差en作适当变化，即用导数e’n来代替en，即A为一预定的偏差限。,微机测控技术,55,4、消除积分不灵敏区积分死区,积分死区的产生当计算机的运行字长较短，采样周期T也短，而积分时间TI又较长时，容易出现小于字长的精度而丢数，积分作用消失由于计算机字长的限制，当运算结果小于字长所能表示的数的精度时，计算机就作为“零”将此数丢掉。,,微机测控技术,56,积分死区的消除,1）增加A/D转换位数，加长运算字长，提高运算精度。2）当积分项连续N次出现小于输出精度的情况时，不作为零舍掉，而是累加，直到累加值满足SI大于时，才输出SI，同时把累加单元清零。,,微机测控技术,57,三、智能PID算法,以系统的阶跃响应为例分析常规PID的缺陷,微机测控技术,58,常规PID算法的不足,,微机测控技术,59,常规PID算法的不足,,微机测控技术,60,解决方法,1）常规PID参数必然会带来稳定性与准确性之间的矛盾，往往是取比例、积分、微分三部分控制作用的折衷，难于收到最优的效果；2）为获得满意的系统性能，在控制中应根据系统的动态特征和行为，采取灵活有效控制方式，如取变增益、智能积分、智能微分等多种途径，解决控制系统中的稳定性与准确性的矛盾。这样的PID控制区别与常规PID控制，称之为智能PID。,微机测控技术,61,智能PID算法的思想,①AB段系统由静态到动态再向稳态转变的关键阶段，采取变增益控制，当系统输出上升接近希望值时，比例控制作用要降低，适当引入微分控制，既有利于减小超调而又不至于影响上升时间。②BC段这段中，，误差向增大的方向变化，系统输出正背离希望值，控制量应致力于压低超调，使系统稳态误差减小。故应始终加强积分作用，而适当引入微分作用，比例始终起作用。,,微机测控技术,62,,③CD阶段这段中，，误差向减小的方向变化，系统输出正趋向于希望值。如再加强积分作用，势必造成控制作用过强，而出现系统回调。故应适当引入积分作用和微分作用。④DE阶段这段中，，误差向增大的方向变化，系统输出背离希望值。此时应始终加强积分作用，而适当引入微分作用。后面各段情况类同，不再赘述。,,,微机测控技术,63,智能PID算法的形式,上述的控制策略就是某种形式的智能PID，控制的目标不同，控制策略也应有所变化，高速、高精度伺服跟踪，仅采用上述控制策略是难以满足性能指标要求的，必须研究满足系统动、静态性能指标要求的智能PID控制策略。智能PID控制主要形式①专家PID控制；②神经网络PID控制；③模糊PID控制。,微机测控技术,64,常用的PID控制系统,1、单回路控制系统2、串接控制系统3、前馈反馈控制系统4、纯滞后补偿控制系统,微机测控技术,65,1、单回路控制系统,系统中只有一个PID控制器，如图,微机测控技术,66,小结,,微机测控技术,67,5.3数字PID参数的选择,特点1）采用数字PID控制的系统，控制效果的好坏与数字控制器的参数紧密相关；2）一般连续生产过程的控制回路都有较大的时间常数，在大多数情况下，数字控制器的采样周期，相对于系统的时间常数来说是很短的，故其参数选择可沿用模拟调节器的方法来整定；3）数字控制器还必须考虑附加参数--采样周期的正确选取。,微机测控技术,68,一、采样周期的选择,采样周期选择的特点1）采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制。对大多数算法，缩短采样周期可改善控制回路性能；2）过短的采样周期，造成频繁的采样，占用较多的计算机工作时间，增加计算机的计算负担；3）变化缓慢的受控对象，采样频率不必很高；4）理论计算确定实际采样周期存在困难，应用中，按一定的原则，结合经验来选择采样周期。,微机测控技术,69,采样周期的选择,1）奈奎斯特采样定理给出采样周期上限，即TmaxT’max/2Tmax为最大采样周期T’max为信号频率组中最高频率分量的周期。2）最小采样周期Tmin一般由控制程序执行所需时间决定。采样定理未给出采样周期的下限值。3）实际采样周期T在Tmin-Tmax之间选择，即Tmin≤T≤Tmax,微机测控技术,70,二、影响采样周期选择的因素,1、信号频率；2、被控对象的特性；3、算法和执行机构的类型；4、控制的回路数；,微机测控技术,71,1、信号频率,信号频率越高，采样频率应越高，以使给定值的改变通过采样迅速得到反映，不致在随动控制中产生大的时延。,微机测控技术,72,2、被控对象的特性,1）对象变化的缓急；a、慢变的热工或化工对象，T一般取得较大；温度反应慢，滞后大，不宜频繁控制，T大些。b、对象变化较快的场合，T取得较小；流量反应快、波动大，T要短一些。2）干扰的情况；从系统抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短，使扰动能迅速得到校正。,微机测控技术,73,3、算法和执行机构的类型,a、PID算法中的积分和微分作用都与T的选择有关，T太小，会使积分作用、微分作用不明显；b、计算机字长一定，T小到一定程度时，两次采样的差别反映不出来，调节作用因此而减弱；c、执行机构的动作惯性大，T选择要与之适应，否则执行机构来不及反应控制器输出值变化。驱动步进电机时，输出信号通过保持器达到所要求的控制幅度需一定时间，这段时间内要求计算机输出值不发生变化，因此T必须大于这一时间。,微机测控技术,74,4、控制的回路数,对于多回路系统，考虑到计算的工作量和各个回路的计算时间，采样周期变长，使每个回路的算法都有足够的时间来完成。控制的回路数n与采样周期T有如下关系式中，Tj是第j个回路控制程序的执行时间。,,微机测控技术,75,三、数字PID控制的参数选择,参数选择的根据1）系统稳定，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小；2）在不同干扰下系统输出应能保持在给定值；3）系统与环境参数变化时控制应保持稳定。,微机测控技术,76,参数整定的方法,1）理论计算法前提能获得被控对象准确的数学模型。2）工程整定法a、整定参数时不依赖对象的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定，简单易行。b、为近似方法。,微机测控技术,77,1、扩充临界比例度法,整定过程如下1）合理选择T为被控对象纯滞后时间的十分之一以下；2）使调节器置成纯比例状态，逐渐减小比例度直至系统对阶跃输入的响应达到等幅振荡，记下此时的临界比例度及系统的临界振荡周期TK。,,,微机测控技术,78,,3）PID参数整定如表所示,微机测控技术,79,2、扩充响应曲线法,,微机测控技术,80,小结,,