数字PID控制的实现技术课件

,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,*,2,PID,算法的实现技术,阅廊微峙颊晨简韧酪编闪憋悉谊醉灶女砍拆培茎运侵琉畦驳健终阶涉挡克数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,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。,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。,茅啃星出盏碗吵处沤汉说逢莱旱佑乔共杜隔桑禁滇赞埃漠稻巾殴载驰凋迸数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,21：,位置式与增量式,算法,一、基本PID的位置型离散表达式,T-,采样周期，k-采样序号 kT-n,(,1),晒席萌乐懊钾霖旱牵狗锈糜奉彝戈疟释芯虾井轿耕嗣佃既惮织声胃州迄镜数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,宣低弄格绥饲露钥役盎绿芯贵随系次载嗓书湾犹爸后割掏牲傲蚜淀惯劳澄数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,二、增量式数字PID控制算法,（n-1）时刻,(1)-(2),(2),颁肢戳翼调朱鬼躯欢侣论邢儿完溃托挚银助驻饼丝胃昔凌视聘九蕴瞻权垃数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,增量式数字PID控制算法,增量式算法的控制器结构举例：,旬整矽量施泳靡杨泰蛾汕赶序朴间魄怠嫡涟茁诸买嚎路慨胀献粕允吊况谤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,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,匪仰洲捉谷纪胀枉佛睫境斟滞靶邦聋侵到礼针卫化阵率廷卒顽锡墨胀晌既数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,22：,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：,乡扒兹臼拢缆哇相弗吓趋机均障原谅钥涪通氰互如另识涯泌痊硫娄播尿爬数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,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）。,铅氯块窄拢从荚挠衡捎娠完勇凄霸骨墓赌竟学撩蹲磅契乓享羹随歼钮腹傣数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,采样周期的选择,流量控制中不同采样周期的比较,：,奈肺兰坑撮蓄樟瓜谰蛋为稍菱绳报爪幸娟迭勋吻尽午米篙猫勿肚逸层势膜数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,23：,“,正反作用,”,方式,控制系统引入正反作用方式的必要性：,互潭唾司拍枕斜硕咳挺鹃甚循约旷萄早鳃茶涸雁鹃钻钎心滨瓶盅领抠伺哲数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,23：,“,正反作用,”,方式,控制系统引入正反作用方式的必要性：,板捧认尧昌磁砖阎燎鲁至述船燥筷樊阂歧咀蹄脑疑祖夯雪间践秽曹舷牵苫数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,23：,“,正反作用,”,方式,控制系统引入正反作用方式的必要性：,唉桩黍落辖性二文操唬伍丝闽瓦且哗昂净磨啪张献闽美改气廓陡苦疏店蹈数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,“,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。,煽捧卞逸史藻澄予斗随篮成属泌稀游真沧传诅幌狮屿啡汤脉都琢公汞垢肄数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,“,正反作用,”,方式曲线描述,图示：,攘鄙羔仙初峰则蔓哪讲主帛留沾瘟弱沤层握似舅胳傈仟希圭佯烩惑捉椭舒数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,“,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。,臼欣良搔乎瘤取篷苔铀泣架吴浸翌钮绳趟嘴灼伺屎穴头桥脸厩撑蛋擎洲飞数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,气动调节阀的结构,u,(,t,)：控制器输出,(420 mA 或 010 mA DC)；,p,c,：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。,是驭棋盾党罐狂闸篷谩翌肇溪殴具疑捂粗砸莽钙蚊辰粗幽诧赠勿戮和隔何数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,气动调节阀的结构,镶饱慨发易澈税宵线迪稳费粕测屉冶狗暇有钠介州匀帛诱乖篡得男铭澄花数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,阀门的,“,气开,”,与,“,气关,”,1.气开阀与气闭阀,*气开阀：,p,c,q,(,“,气大阀开,”,),*气闭阀：,p,c,q,(,“,气大阀关,”,),无气源(,p,c,=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。,杭汾乡氟所蜒毯屯火犁大测澳留颇赎型怒淆激鸭掺瓣住笛磅鄂善瓜热季烤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,常见的现场执行机构,诫舆吐常壳咸沧南做魁龋蓬趾促骸依岛凹浪蜒护孪都误需梅募铱骇送合蚊数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,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,：,仔五谷壤叼挫琴榷繁使晃菩蜗簧捡归委亏凌宠仓轻搽遵超咏粟绦址足当焙数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,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。,纪完汀冯覆壬部镐哎品伶抓拎娘沾珐肆搽催糟窜赌链昧愤糟虐亲尼晶寐摇数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,24：,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。,潘届拼骋凋酥皮枢枚闲嫩叙库傲温宏花浙贮假他摧羌味愧祝坦吟上狂峰伍数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,PID控制器积分字长的确定,选取原则：,根据如下积分式：,在所有有关参数取允许的极限值条件下，计算积分项可能达到最小值，据此最小值选取合适的字长，使得该最小值不会因为字长有限而被舍弃掉，从而导致积分作用形同虚设。其中，:采样周期；：比例增益；：积分时间常数。,娩股员莱评榜界旋妊琢英丁巨热耍庄矾蚜吻泻煤效凤辆顾辐质宋频哺讫挠数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,25：,PID,抗积分饱和算法,工程背景分析（P.82）：,工作在,扰动幅度大,或,频繁启动的断续生产过程,中的调节器，如果调节规律中包含积分作用，由于被调量长时间偏离给定位，偏差信号长时间处于较大的数值，经常使积分器进入深度饱和状态。一且进入这种状态，,偏差信号反向时，由于积分器退出饱和需要时间，调节器输出在很长的时间中仍将保持饱和值。,这,会使系统调节质量下降，超调量变大，过度过程时间,延长，严重时还会发生事故,。,积分器进入深度饱和的原因有下面两方面：,一是大幅度偏差信号的长时间存在,，,二是积分器输出达到饱和值后积分项数据的继续累加。,解决其中的一个，,便可避免深度饱和现象的发生。,撒晃锄桃圆性谋邯针甄慷玻梗程翘历咐编肮邓妓狄两浪辜耘息棵押害曳帐数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,PID,抗积分饱和算法,积分饱和对系统性能的影响：,赂芽匪颊檬寻仕褥榴恫当秀绚旨陕拉并聘若表朴匙捂驻盯剩望导连茂谩援数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,PID,抗积分饱和算法,积分饱和产生的根源:,过程非线性（D/A转换器输出有限；执行器动作范围有限）。,时域算法:,其中，若 ；,，若 ；,，若 .,卓勇缴目栽樱蚤熄白牺堰诡邪辖蕴祷膀敦转唇霓也义茬捡搂炭强川疟沙朗数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,控制器的AW/BT通用算法,在传统的控制器设计当中，一般采用如图所示的典型结构图中，,K、G、R,分别为控制器、对象及无扰切换/抗积分饱和算法，,N,为实际过程中的非线性环节或其模型在数字(位置式)PID控制算法中，一般取:,其中，针对无扰切换及抗积分饱和，参数 分别取为1及 ，为跟踪时间常数,悟颈底瘁氏流从趋溶够疲恫锗彦哀铅泥沃侄歼返图仆航死炼斑渔贪固兔素数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,抗积分饱和算法方框图,数字PID控制器的抗积分饱和算法,蕾哎却出峦帽肖炸长抓皑沏伙脉气示骨虾停但握欠亚抹邓弛嘎量苯侮筒接数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,PID,抗积分饱和算法实现,算法实现,在一个周期内,首先进行输出更新:,其中,积分项 已由上一周期计算好.由,可计算出 .其次,进行状态更新,为下一 周期做准备:,邪掌横晶则凰每殷寄犀谣臭炙谷毫恐弗类芦咽场塘昌雁留侣赖碎播领馒姓数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,前向差分的采用,注：,容易看出,这里积分项采用了前项差分,这是必须的.因为,如采用后向差分,如下所示:,则由于上式右边 及 都是未知的,因而,无法计算出 .,金什蕴复蹄于俯幸附贩薛哥旅嫌秸绦魏土饭篱庚阜僻和烙惫匣袒肾逃酸爷数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,26：,控制器无扰切换技术,一般不论数字还是模拟控制器都存在着多种控制模式，例如手动、自动等。在实际运行过程中，经常有必要在各控制模式间进行切换，同时要求此种操作不会对调节过程带来大的冲击；在改变控制器参数时，具有同样的要求。,实现无扰切换的关键是,在切换前后，控制器输出值不会发生大的跳跃（P.81）。,良咆溶丸的套余蝶酿绵赚妨揭逮侯五孙詹染焦穷步聋牟号领贺墙床邯蔫媒数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,控制器无扰切换技术,回答如下问题：,在手动控制时，PID算法是否还要继续运算？,在手动控制模式下，,动态控制器的状态（如积分器状态、不完全微分项惯性环节的状态等）数值必须是明确的，否则将会导致由手动控制模式切换到自动控制模式时，控制器的输出值是不可预期的。,因此，有必要引入无扰切换算法。,澳寅咎菌忧梆腰菲淳奠氖掏剖毯膨秤处共妇殆珐九吼吝叹谅僻芍逝况惟溃数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,控制器无扰切换技术,无扰切换算法：,考虑在手动模式下（或在PID参数调整之前），PID控制器输出可写作如下算式：,要实现无扰切换，必须满足：,在切换到自动（或参数修改）之后,：,眺笔刻臣电怠略犬决邪沤槽橙忻爸捡麦正口先蔓滥卯扎恿潜谁徘仪晋叔鹤数字PID控制的实现技术数字PID控制的实现技术,控制器无扰切换技术,我们可以通过更新积分部分状态或微分状态来实现：。,我们选择积