控制技术_杨鹏_数字PID控制器.ppt
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1、第四章 数字PID控制器 Chap 4 Digital PID Controller,Proportion 比例 Integration 积分 Differential 微分,4.1 PID调节的作用 Sec 4.1 The Function of PID Regulation,4.1.1 为什么要用数字PID调节器,1. 技术成熟 结构灵活:常规的PID、各种PID的变种。 2. 人们熟悉 实践中积累了的经验丰富。 3. 不需要求出数字模型 4. 控制效果好,4.1.2 PID调节的作用,一、比例调节器(P),只要偏差e(t)一出现,就能及时的产生与之成比例的调节作用,具有调节及时的特点,它
2、是一种最基本的调节规律 。对于大多数惯性环节,KP太大时会引起自激震荡。主要缺点是存在静差。对于扰动较大、惯性也较大的系统,若采用单纯的比例调节器,就难于兼顾动态和静态特性 。,二、比例积分调节器(PI),所谓积分作用,是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。优点:消除静差。只要有偏差存在,输出就会随时间不断增长,直到偏差消除,调节器的输出才不会变化。但其作用动作缓慢,而且在偏差刚一出现时,调节器作用很弱,不能及时克服扰动的影响,致使被调参数的动态偏差增大,调节过程增长,因此它很少被单独使用。,如果把比例和积分两种作用合起来,就构成PI调节器:,这样的调节器既克服了单纯比例调节器有静差存
3、在的缺点,又避免了积分调节器响应慢的缺点,即静态和动态特性均得到了改善,所以应用比较广泛。,三、比例微分调节器(PD),微分作用,在偏差刚刚出现偏差值尚不大时,根据偏差变化的趋势,提前给出较大的调节作用,使偏差尽快消除。由于调节及时,可以大大减小系统的动态误差及调节时间,使过程的动态品质得到改善。特点:输出只能反应偏差输入变化的速度,而对于一个固定不变的偏差则不会有微分作用输出。因此,微分作用不能消除静差,而只能在偏差刚刚出现的时刻产生一个很大的调节作用。,PD调节器,PID调节器,说明:并非所有工业控制系统都需要使用PID调节器,PI、PD调节器也常常被人们所采用,因为它们比较简单。究竟使用
4、哪种调节器,应根据具体情况和现场实验进行选定。,4.2 PID算法的数字实现 Sec 4.2 Digitalization of PID Algorithm,4.2.1 PID算法的数字化,将其离散化,用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程,1 、差分离散化,由于式(4-9)的输出值与阀门开度的位置一一对应,因此通常把式(4-9)称为PID的位置控制算式。 方便起见,可写作:,2 、位置控制算式,3、增量控制 算式,在很多控制系统中,由于执行机构是采用步进电机或多圈电位器进行控制的,所以此时只要给一个增量信号U(n)即可,即在第(n-1)次的基础上增加(或减少)的量,所以叫做PID的增量
5、控制式。,4、增量型与位置型控制算式的比较,A、位置控制算式:全量输出,每次输出均与原来位置量有关,需要对e(j)进行累加,而且计算机的任何故障都会引起U(n)大幅度变化,对生产不利。 B、增量控制误动作时影响小,必要时可用逻辑判断的方法去掉; 手动/自动切换时冲击比较小;不产生积分失控,所以容易获得较好的调节效果。因此,增量控制得到了广泛的应用。 C、增量型控制也有其不足之处:积分截断效应大,有静态误差; 溢出的影响大。 D、一般认为,在以可控硅作为执行器或对控制精度要求高的系统中,应当采用位置型算法,而在以步进电机或电动阀门作执行器的系统中,则应用增量式算法。,4.2.2 PID算法程序设
6、计,一、位置型PID算法的程序设计,根据式(4-14)编写的位置型PID程序,积分系数,微分系数,将小数或混合小数化为整数 由于用汇编语言进行浮点运算非常麻烦,运算前通过乘以2N将其化为整数,然后把运算结果再乘以2-N,即可恢复到原来的数值。在微型机中,乘以2N或2-N都是很容易实现的,只要将数左移或右移N次就可以了。例如,设KP=3.5,将其扩大256取整数,则KP=896=380H,编程时可将其定义为符号变量,即 KP EQU 380H。为计算简便,KP,KI,KD可采用同一比例因子折算。采用16位有符号指令运算 负数应以补码形式存放,如KP=-3.5,将其扩大256取整数,则KP=-89
7、6=FC80H,定义为符号变量为 KP EQU 0FC80H 或 KP EQU -896即可。此外乘法运算结果为32位,在计算U(k)时,采用32位加法,这样可以提高计算精度,只要U(k)输出时,取高三个字节就可以了。对于8位、10位、12位甚至16位A/D转换器,定义A/D采样值单元为16位,不会造成计算溢出。,数字PID控制算法程序框图,根据式(4-14)编写的位置型PID程序如下: DATA SEGMENT UR EQU 0050H ;设定值=80 KP EQU 0380H ;KP=3.5 KI EQU 0040H ;KI=0.25 KD EQU 0000H ;KD=0 SAMP DW
8、? ;定义A/D采样值 E0 DW 0 ;定义E(K) E1 DW 0 ;定义E(K-1) UPK DW 2 DUP(0) ;定义UP(K) UIK1 DW 2 DUP(0) ;定义UI(K-1) UK DW 2 DUP(0) ;定义U(K) DATA ENDS,CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATA START PROCMOV AX,DATAMOV DS,AX PID: MOV AX,UR ;取设定值MOV BX,SAMP ;取采样值SUB AX,BX ;计算E(K)MOV E0,AXMOV BX,KP ;计算UP(K)=KP*E(K)IMUL BXMOV U
9、PK,AX ;存UP(K)MOV DS:UPK+2,DXMOV AX,E0 ;计算KI*E(K)MOV BX,KIIMUL BXADD UIK1,AX ;计算UI(K)= UI(K-1)+ KI*E(K)ADC DS:UIK1+2,DX,MOV AX,E0 ;计算UD(K)=KD(E(K)- E(K-1)MOV BX,E1SUB AX,BXMOV BX,KDIMUL BXADD AX,UIK1 ;计算UD(K)+ UI(K)ADC DX,DS:UIK1+2ADD AX,UPK ;计算UD(K)+ UI(K)+ UP(K)ADC DX,DS:UPK+2MOV UK,AX ;存U(K)MOV DS
10、:UK+2,DXMOV AX,E0 ;E(K-1)=E(K)MOV E1,AXRET CODE ENDSEND START,二、增量型PID算法的程序设计,备注:在位置型PID算法中亦可采用增量型PID表达式计算,将式(5-11)改写为,以限制U(k),防止控制增量过大,对系统稳定有利。,4.3 PID数字控制器算法的改进 The Improvement of PID Digital Controller,原因之一:PID算法本身的不足,原因之二:数字PID算法相对与模拟PID控制器的不足1、模拟调节器进行的控制是连续的,控制作用每时每刻都在进行;而数字控制器在保持器作用下,控制量在一个采样周
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