第二章：数字pid控制的实现技术 知识1 .ppt

抗积分饱和算法方框图 数字PID控制器的抗积分饱和算法 第二章：PID算法的实现技术 郑辑光 西安交通大学自动控制研究所 2003年2月24日 PID算法的实现技术 目的：掌握数字PID控制算法在工程应用中的实现技术，包括采样周期、字长的选取，无扰切换与抗积分饱和算法，控制器的正反作用方式等等。 （参考教材：4.2节、2.6节） 数字PID控制的位置式与增量式算法； 数字PID控制器采样周期的选取； 数字PID控制器的正、反作用方式； 数字PID控制器积分字长的确定； 过程输入约束及PID抗积分饱和算法； 控制器的手动、自动无扰切换 。 §2－1：位置式与增量式算法 一、基本PID的位置型离散表达式 数字PID控制的位置式算法 二、位置式数字PID控制算法的递推形式: 比例项： 积分项： 或者： 以上各式中, 不完全微分递推算法 微分项： 离散化有： 注：不完全微分可看作是过程变量先经过完全微分环节，然后再经一阶惯性滤波环节，据此进行离散 化操作。 位置式与增量式算法的对比 1. 增量式PID控制算法如取 为实际阀位反馈信号,或反映执行器特性的内部执行器模型输出,则不会发生积分饱和现象;并且由MAN模 式切换到AUTO模式时,易于实现无扰. 2. 增量式PID算法必须采用积分项。因为比例、微分项除了在设定值改变后的一个周期内与设定值有关外，其它时间均与设定值无关；尤其是微分先行、比例先行算法更是如此。这样， 被控过程会漂离设定点 §2－2：采样周期的选择 香农 “采样定理”基于如下两点假设： （1）原始信号是周期的； （2）根据在无限时域上的采样信号来恢复原始信号。 例如： 采样周期的选择 在实时采样控制系统中，则要求在每个采样时刻，以有限个采样数据近似恢复原始信号，所以不能照搬采样定理的结论。 采样周期的选取要考虑以下几个因素： 1. 被控过程的动态特性； 2. 扰动特性； 3. 信噪比（信噪比小，采样周期就要大些）。 采样周期的选择 流量控制中不同采样周期的比较： §2－3：“正反作用”方式 控制系统引入正反作用方式的必要性： §2－3：“正反作用”方式 控制系统引入正反作用方式的必要性： §2－3：“正反作用”方式 控制系统引入正反作用方式的必要性： “正反作用”方式的定义 定义（P.82）： 正作用（Direct Action）：随着被控过程输出测量信号的增加，调节器输出也增加； 反作用（Reverse Action）：随着被控过程输出测量信号的增加，调节器输出减小。 “正反作用”方式曲线描述 图示： “正反作用”方式的选择 选择要点：决定于对象特性及调节阀结构，最终是为了使控制回路成为“负反馈”系统。具体工程上的判断方法为： （1）假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统 （2）回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路中除控制器外的各环节的作用方向，再来确定控制器的正反作用。 气动调节阀的结构 u(t)：控制器输出 ( 4~20 mA 或 0~10 mA DC)； pc ：调节阀气动控制信号（20 ~ 100kPa）； l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积； q ：受调节阀影响的管路相对流量。 气动调节阀的结构 阀门的“气开”与“气关” 1. 气开阀与气闭阀 * 气开阀： pc↑→ q↑ (“气大阀开”) * 气闭阀： pc↑→ q↓ (“气大阀关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气闭阀全开。 2. 气开阀与气闭阀的选择原则 * 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气闭阀，如加热炉进风蝶阀。 常见的现场执行机构 控制对象特性 水位控制系统举例： 在初始稳态条件下，有关系式： 则当 时，实际各变量为： 练习：调节阀与控制器的选取 问题：请确定调节器LC的正反作用。 §2－4： 积分字长的确定 必要性： 在DDC控制的数字仪表中，为提高运算速度，内部程序一般采用汇编语言编写，而若字长选取不当，会严重影响控制精度，以PID控制算法为例： 若调节器的比例度P=500%，积分时间常数Ti=1800秒，采样周期T=0.2秒，则只有偏差： 即只有当偏差幅度超过满刻度的2/3以上时，积分分量才会发挥作用，这事实上形同虚设。 PID控制器积分字长的确定 选取原则：