第五章PID控制算法课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第5章 PID控制算法,第5章 PID控制算法,1,主要内容,5.1 PID控制原理与程序流程,5.2 标准PID算法的改进,5.3 数字PID参数的选择,5.4 数字PID的工程实现,主要内容5.1 PID控制原理与程序流程,2,5.1 PID控制原理与程序流程,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自动控制。,模拟控制系统,微机过程控制系统,数字控制系统DDC,5.1 PID控制原理与程序流程过程控制的基本概念,3,模拟控制系统,被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。,控制规律用对应的,模拟硬件,来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。,模拟控制系统 被控量的值由传感器或变送器来检测，这个,4,微机过程控制系统,以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。,微机过程控制系统 以微型计算机作为控制器。控制规律的实,5,数字控制系统DDC,DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。通过过程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，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。,由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。,DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。,数字控制系统DDCDDC(Direct Digital Co,6,5.1.2 模拟PID,PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(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。,5.1.2 模拟PID PID调节器是一种线性调节,7,5.1.2 模拟PID,调节器,执行器,对象,测量变送,r,e,pv,u,调节器的作用,一种控制手段. 目的是让被调参数回到设定值.,q,y,它有自身的调节规律.,输出信号随输入信号变化的规律,5.1.2 模拟PID调节器执行器对象测量变送repvu调节,8,5.1.2 模拟PID,PID控制,P:比例(proportional),I:积分(integral),D:微分(derivative),应用最广泛,目前已有成熟产品.,5.1.2 模拟PIDPID控制应用最广泛,9,5.1.2 模拟PID,PID调节器的微分方程,5.1.2 模拟PIDPID调节器的微分方程,10,5.1.2 模拟PID,PID调节器的传输函数,5.1.2 模拟PIDPID调节器的传输函数,11,比例调节(P),比例增益P的调节规律,输出信号与输入偏差信号e成比例关系,调节器输出,比例增益,偏差,相对于起始值U,0,的,增量,.,e=0,时,u=u,0,传递函数,比例调节(P)比例增益P的调节规律调节器输出比例增益偏差相对,12,比例调节(P),作用特点,无惯性、无迟延、动作快,而且调节动作的方向正确,有差,调节.,比例系数越小，残差越大。,比例系数过大，系统动态品质变坏，引起被控量震荡甚至闭环不稳定。,比例调节(P)作用特点,13,积分调节(I),积分调节规律（I）,调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差e成正比,调节器输出,调节器输入：偏差,积分速度,传递函数,积分调节(I)积分调节规律（I）调节器输出调节器输入：偏差积,14,积分调节(I),积分调节的作用特点,（1）,无差调节（优点）。,当偏差e0时,调节器的变化速度为零。即输出不变。,无残差。调节阀可停留在新的开度上稳定不变。,积分调节(I)积分调节的作用特点当偏差e0时调节器的变化速,15,积分调节(I),积分调节的作用特点,（2）稳定性差。,传递函数,根据奈氏稳定判据，分母含有积分环节。存在零根，系统不稳定。,因此，I一般不单独使用。,积分调节(I)积分调节的作用特点传递函数根据奈氏稳定判据，分,16,积分调节(I),积分调节的作用特点,（3）积分作用较小将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。积分作用过强，虽然加快了消除静差的过程，但是降低了系统的稳定性。所以，积分作用的强弱必须根据对象特性来选定，对滞后不大的系统，积分作用可以强一些，对滞后较大的系统，积分作用弱一些。,积分调节(I)积分调节的作用特点,17,比例积分调节(PI),PI调节规律,利用P：快速消除干扰（,快速性,）,利用I：消除残差,积分时间,比例带,粗调,细调,比例积分调节(PI)PI调节规律积分时间比例带粗调细调,18,比例积分微分调节(PID),微分作用（D）,输出与输入偏差e的变化速率成正比,调节器输出,偏差,微分速度,传递函数,比例积分微分调节(PID)微分作用（D）调节器输出偏差微分速,19,比例积分微分调节(PID),微分作用（D）,输出与偏差e的,变化速率,成正比,比例作用（P）,积分作用（I）,以系统,当前偏差,的方向和大小进行调节,避免系统出现很大的偏差后再开始动作。,超前调节功能,将危险扼杀在“摇篮”里,问题,：调节时，只使用微分作用能达到预期控制效果吗？,一般不能,比例积分微分调节(PID)微分作用（D）比例作用（P）以系统,20,PID调节器各校正环节的作用,1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。,2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。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。,3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。,PID调节器各校正环节的作用 1、比例环节：即时成比例地反应,21,5.1.3 数字PID控制器,模拟PID控制规律的离散化,5.1.3 数字PID控制器模拟PID控制规律的离散化,22,数字PID控制器的差分方程,注：这里u0为初始值，一般为0。,数字PID控制器的差分方程 注：这里u0为初始值，一般为0。,23,数字PID常用的控制方式,1、P控制,2、PI控制,3、PD控制,4、PID控制,注：这里u0为初始值，一般为0。,数字PID常用的控制方式 1、P控制 2、,24,概念一：位置式PID,数字PID算式,上式简化如下,积分系数,微分系数,+u0,+u0,概念一：位置式PID数字PID算式上式简化如下积分系数微分系,25,概念一：位置式PID,数字PID算式,分析：,1）积分项,计算繁琐，占内存太多。,2）其输出与阀位一一对应，故称：位置式。,3）每次输出需要计算阀的绝对位置。,能准确定位。,但误动作危害大,+u0,概念一：位置式PID数字PID算式分析：1）积分项计算繁琐，,26,概念二：增量式PID,数字PID算式,概念二：增量式PID数字PID算式,27,概念二：增量式PID,数字PID算式,分析：,2）数据存储所需空间少。,1）每次都在上一阀位计算增量，故称：增量式。,3）误动作危害少。不易引起积分饱和。手/自动切换方便。,保存3个采样值,概念二：增量式PID数字PID算式分析：2）数据存储所需空间,28,位置式、增量式PID控制示意图,位置式、增量式PID控制示意图,29,位置式PID程序流程图,方法一：,开始,返回,Ui=Ki*e(k)+Ui1,Ud=Kd*(e(k)- e(k-1),e(k)=Tset-Tce,Up=Kp*e(k),e(k-1) =e(k),U(k)=Up+Ui+Ud,位置式PID程序流程图方法一：开始返回Ui=Ki*e(k)+,30,位置式PID程序流程图,方法二：,位置式PID程序流程图方法二：,31,位置式PID程序,（一）,/*,标准PID控制算法(直接计算),应先定义：,#define Kp ?/比例系数,#define Ki ? /积分系数,#define Kd ? /微分系数,int PID_MAX; /PID_MAX即是输入控制量u(t)的最大值,int last_error;/上次误差,float I_term;/前面温差和,则：输入控制量u(t)PID(目标值,测量值),*/,位置式PID程序（一）/*,32,位置式PID程序,（一）,int PID(int Set_value,int Real_value) /标准PID控制算法,int error;,float P_term, D_term;,int pid_out;,error=Set_value - Real_value;/误差量,P_term =Kp*error; /比例量,I_term+=Ki*error; /积分量,if(I_termPID_MAX) I_term=PID_MAX;/限定积分量上限,else if(I_termPID_MAX) pid_out=PID_MAX; /控制量上限=PID_MAX,else if(pid_outPID_MAX) Up=PID_MAX;/限定积分量上限,else if(UpPID_MAX) Ui=PID_MAX;/限定积分量上限,/else if(UiPID_MAX) Uk=PID_MAX;/控制量上限=PID_MAX,else if(UkPH(上限值)时，则上限报警状态(PHA)为“1”；,当PVPL(下限值)时，则下限报警状态(PLA)为“1”。,为了不使PHA/PLA的状态频率改变，可以设置一定的报警死区(HY)。,2、被控量变化率限制变化率的选取要适中,二、被控量处理 1、被控量超限报警：,65,偏差处理分为：计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入补偿。,三、偏差处理,偏差处理分为：计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入补偿。三、,66,计算偏差,根据正/反作用方式（D/R）计算偏差DV，即：,当D/R=0，代表正作用，此时偏差,DV+=CPV-CSV,当D/R=1，代表反作用，此时偏差,DV-=CSV-CPV,计算偏差根据正/反作用方式（D/R）计算偏差DV，即：,67,偏差报警,对于控制要求高的对象，不仅要设置被控制量PV的上、下限报警，而且要设置偏差报警。当偏差绝对值大于DL时，则偏差报警状态DLA为1.,偏差报警对于控制要求高的对象，不仅要设置被控制量PV的上、下,68,输入补偿,根据输入补偿方式ICM的四种状态，决定偏差输出CDV 。,ICM=0，无补偿，CDV=DVC,ICM=1，加补偿，CDV=DVC+ICV,ICM=2，减补偿，CDV=DVC-ICV,ICM=3，置换补偿，CDV=ICV,输入补偿根据输入补偿方式ICM的四种状态，决定偏差输出CDV,69,非线性特性,非线性特性,70,控制算法的实现,当软开关DV/PV切向DV位置时，则选用偏差微分方式；,当软开关DV/PV切向PV位置时，则选用测量(即被控量)微分方式,控制算法的实现 当软开关DV/PV切向DV位置时，则选用偏差,71,控制量处理,控制量处理,72,输出补偿,根据输出补偿方式OCM的四种状态，决定控制量输出,OCM=0，无补偿,OCM=1，加补偿,OCM=2，减补偿,OCM=3，置换补偿,输出补偿根据输出补偿方式OCM的四种状态，决定控制量输出 O,73,变化率限制,控制量的变化率MR的选取要适中，过小会使操作缓慢，过大则达不到限制的目的。,变化率限制控制量的变化率MR的选取要适中，过小会使操作缓慢，,74,输出保持,当软开关FHNH切向NH位置时，现时刻的控制量u(k)等于前一时刻的控制量u(k-1)，也就是说，输出控制量保持不变。当软开关FHNH切向FH位置时，又恢复正常输出方式。软开关FHNH状态一般来自系统安全报警开关。,输出保持当软开关FHNH切向NH位置时，现时刻的控制量u(,75,安全输出,当软开关FSNS切向NS位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量MS。当软开关FSNS切向FS位置时，又恢复正常输出方式。软开关FSNS状态一般来自系统安全报警开关。,安全输出 当软开关FSNS切向NS位置时，现时刻的控,76,自动/手动切换,一、软自动/软手动,当软开关SA/SM切向SA位置时，系统处于正常的自动状态，称为软自动(SA)；,当软开关SA/SM切向SM位置时，控制量来自操作键盘或上位计算机，称为软手动(SM)。,一般在调试阶段，采用软手动(SM)方式。,二、控制量限幅对控制量MV进行上、下限限处理, 使得MHMVML.,自动/手动切换一、软自动/软手动,77,自动/手动切换,自动方式,微机化控制系统的基本工作方式。,手操方式,在系统调试、测试时，用来调整输出控制值。,自动/手动切换控制的基本功能是：,在手操方式时，能通过一定的手动操作来方便、准确地调整输出值；,能实现手动-自动的无扰动切换。,自动/手动切换自动方式,78,自动/手动切换,三、自动/手动,当开关处于HA位置时，控制量MV通过D/A输出，称为自动状态(HA)状态)；,当开关处于HM位置时，手动操作器对执行机构进行操作，称为手动状态(HM状态)。,四、无平衡无扰动切换,1、无平衡无扰切换的要求,在进行手动到自动或自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与,自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有,位置产生扰动。,2、无平衡无扰切换的措施。,在手动(SM或HM)状态下，应使给定值(CSV)跟踪被控量(CPV)，同时也要把历史数据，,如e(n-1)和e(n-2)清零，还要使u(n-1)跟踪手动控制量(MV或VM)。,从输出保持状态或安全输出状态切向正常的自动工作状态时，可采取类似的措施。,自动/手动切换三、自动/手动,79,比例积分调节(PI),积分饱和现象,蒸汽流,冷液体,换热器,热液体,被调量:温度,冷凝水,由于某种原因,如阀门故障,偏差一时无法消除,而调节器还是要试图校正这个偏差.经过一段时间后,调节器,输出进入深度饱和状态,.,偏差反向,才能退出饱和状态,恢复控制作用,比例积分调节(PI)积分饱和现象蒸汽流冷液体换热器热液体被调,80,8.5 DDC应用系统举例,Page 205：啤酒发酵过程DDC系统,工艺过程,将大麦经去杂、分级后，浸渍发芽成麦芽，麦芽经焙燥后粉碎，加水及糊化的大米进行糖化，糖化后过滤得麦芽汁，加酒花煮沸，分离去除酒花后，经沉淀、冷却、加酵母发酵（主发酵）。然后贮藏（后发酵）再经过滤、灌装、灭菌即为成品,本系统的控制对象,发酵罐,控制要求,严格控制发酵各阶段的温度。,误差允许范围：正负0.5,8.5 DDC应用系统举例Page 205：啤酒发酵过程D,81,系统设计,第一步：熟悉工艺流程，明确控制目标。,被控对象：,发酵罐,被调量：,罐内温度,调节量：,冷剂（淡酒精）的流量,调节器,：计算机（控制算法如：PID功能的实现）,发酵罐,系统设计第一步：熟悉工艺流程，明确控制目标。发酵罐,82,系统设计,第二步：系统硬件方案,发酵罐,冷剂,TT,A/D,计,算,机,D/A,手动,/自动,电气,转换,器,系统设计第二步：系统硬件方案发酵罐冷剂TTA/D计D/A手动,83,系统设计,第三步：系统硬件配置、选型,发酵罐,冷剂,TT,A/D,计,算,机,检测仪器,：铜电阻温度计。,温度变送,：420mA,计算机,：工控机,A/D或D/A,：板卡式。模块式。,另一种形式,：工控机+专用控制设备（PLC等）。上、下位机通信方式。,系统设计第三步：系统硬件配置、选型发酵罐冷剂TTA/D计检测,84,系统设计,第三步：系统硬件配置、选型,发酵罐,冷剂,计,算,机,D/A,手动,/自动,电气,转换,器,1）手/自动切换。冷（热）备份。提高可靠性。,2）选用气动调节阀。电/气信号转换。,系统设计第三步：系统硬件配置、选型发酵罐冷剂计D/A手动电气,85,系统设计,第四步：计算机功能设计,显示当前状态,设定控制数据,报警,数据曲线,人机界面,控制算法,信号采集,信号输出,功能实现,系统设计第四步：计算机功能设计显示当前状态设定控制数据报警数,86,第五章PID控制算法课件,87,第五章PID控制算法课件,88,系统设计,第四步：计算机功能设计举例：控制算法,1）采用,增量型PID算式,。附加,特殊处理,。,2）过程大滞后，采用Smith补偿器。,结合使用,特殊处理,保温段：采用PI控制,降温段：采用PID控制,系统设计第四步：计算机功能设计举例：控制算法1）采用增量型P,89,