计算机控制策略21PID控制算法PID调节器之所以经久不衰.PPT

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5.1 PID 控制算法 PID调节器之所以经久不衰,主要有以下优点。 1. 技术成熟 2. 易被人们熟悉和掌握 3. 不需要建立数学模型 4. 控制效果好 PID控制器(亦称为PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。其特点是原理简单、易于实现、适用面广等。 5.1.1 PID控制规律的特点 图5-1 连续生产过程PID控制系统框图 比例控制器(Proportional) 比例控制器对于偏差是即时反应的,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化,控制作用的强弱取决于比例系数。 比例控制器虽然简单快速,但对于具有自平衡性(即系统阶跃响应终值为一有限值)的被控对象存在静差。加大比例系数可以减小静差,但当过大时,会使动态性能变差,引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。 比例积分控制器(PI) 为了消除在比例控制中存在的静差,可在比例控制的基础上加上积分控制作用,构成比例—积分控制器,其控制规律为 (5.3) 其中 称为积分时间。图5-3显示PI控制器对阶跃响应的波形。 从响应波形可以看出,PI控制器对偏差作用有两个部分:一是按比例变化的成分;另一个是带有累积的成分(即呈一定斜率变化的部分),这就是积分控制部分的作用。只要偏差存在,积分将起作用,将偏差累积对控制量产生影响,并使偏差减小,直至偏差为零,积分作用才会停止。因此,加入积分环节将有助于消除系统的静差,改善系统的稳态性能。 比例积分微分控制器(PID) PID控制器的控制规律为 (5.4) 式中 称为微分时间。理想的PID控制器对偏差阶跃变化的响应如图5-4所示,它在偏差变化的瞬间 处有一个冲击式的瞬态响应,这就是由微分环节引起的。 微分对偏差的任何变化都产生控制作用,以调整系统的输出,阻止偏差的变化。偏差变化越快,控制量就越大,反馈校正量就越大。故微分作用的加入将有助于减少超调量,克服振荡,使系统趋于稳定。微分作用可以加快系统的动作速度,减小调整时间,从而改善系统的动态性能。 5.1.2 数字PID控制算法 在工业过程控制中,模拟PID控制器有电动、气动、液动等多种类型。这类模拟调节仪表是用硬件来实现PID控制规律的。那么将计算机引入控制领域,我们可以利用计算机软件来实现PID控制算法,它不仅可以实现模拟调节仪表的功能,而且可以延伸出更多的灵活的控制算法,我们统称为数字PID 控制。 在连续生产过程控制系统中,通常采用如图5-1所示的PID控制。其对应的传递函数表达式为: (5.6) 对应的控制算法表达式为: (5.7) 其中, 为比例增益, 为积分时间常数, 为微分时间常数, 为控制量, 为被控量与给定量的偏差。 为了便于计算机实现PID算法,我们必须将式5.2改写为离散(采样)式,则可以将积分运算利用部分和代替,微分运算用差分方程表示。即: (5.8) (5.9) 其中, 为采样周期, 为采样周期的序号( ), 和 分别为第 和第 个采样周期时的偏差。 将式(5.8)和式(5.9)代入式(5.7)可得相应的差分方程: (5.10) 其中 为第 个采样时刻的控制量。如果采样周期 与被控对象时间常数比较相对较小,那么这种近似是合理的,并与连续控制的效果接近。 1. 位置型算法 模拟调节器的调节动作是连续的,任何瞬间的输出控制量都对应于执行机构(如调节阀)的位置。由式(5.10)可知,数字控制器的输出控制量也和阀门位置对应,故称此式为位置型算式(简称位置式)。相应的算法流程框图如图5-5(见课本)。 2.增量型算法 根据式(5.5)我们不难得到第 个采样周期时刻的控制量 ,即 (5.11) 将式(5.10)与式(5.11)相减,可以得到第个采样时刻控制量的增量,

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