20第五章PID调节器的数字化实现

第五章PID调节器的数字化实现一、授课时间：年月日第20次二、教学目的：1、掌握PID调节器的优点2、掌握PID调节器的作用三、教学的重点及难点：重点：PID调节器的作用。难点：PID调节器的作用。四、教学内容及过程：5.1PID调节器5.1.1PID调节器的优点1．技术成熟PID调节是连续系统理论中技术最成熟，应用最广泛的一种控制方法。2．生产技术人员及操作人员都比较熟悉它，并在实践中积累了丰富的经验，特别是一些工作时间较长的工程技术人员。3．不需要建立数学模型目前，有许多工业对象得不到或很难得到精确的数学模型，因此，应用直接数字控制方法比较困难或根本不可能，所以，必须用PID算法。4．控制效果好虽然计算机控制是断续的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于是连续变化的。因此，用数字PID完全可以代替模拟调节器，并得到比较满意的效果。5.1.2PID调节器的作用1．比例调节器比例调节器的微分方程为Y=Kpe(t)(5-1)式中：Y为调节器输出；Kp为比例系数；e(t)为调节器输入偏差。由上式可以看出，调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例调节器的特性曲线如图5-1所示。图5-1阶跃响应特性曲线比例调节作用的大小，除了与偏差有关，主要取决于比例系数。比例系数越大，调节作用越强，动态特性也越好。反之，比例系数越小，调节作用越弱。但对于多数惯性环节，Kp太大时，会引起自激振荡。比例调节器的主要缺点是存在静差，因此，对于扰动较大，惯性较大的系统，若采用单纯的比例调节器，就难于兼顾动态和静态特性，因此，需要用调节规律比较复杂的调节器。2．比例积分调节器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。积分方程为(5-2)式中：Ti是积分时间常数，它表示积分速度的大小，Ti越大，积分速度越慢，积分作用越弱。若将比例和积分两种作用结合起来，就构成PI调节器，调节规律为(5-3)图5-3调节器的输出特性曲线由图5-3可以看出，对于PI调节器，当有一阶跃作用时，开始瞬时有一比例输出y1，随后在同一方向，在y1的基础上输出值不断增大，这就是积分作用y2。由于积分作用不是无穷大，而是具有饱和作用，因此经过一段时间后，PI调节器的输出趋于稳定值KiKpe(t)，其中，系数KiKp是时间t趋于无穷时的增益，称之为静态增益。由此可见，这样的调节器，既克服了单纯比例调节有静差存在的缺点，又避免了积分调节器响应慢的缺点，静态和动态特性均得到了改善。3．tteTyd)(1iPI调节器虽然动作快，可以消除静态误差，但当控制对象具有较大的惯性时，用PI调节器就无法得到很好的调节品质。这时，若在调节器中加入微分作用，即在偏差刚刚出现，偏差值尚不大时，根据偏差变化的趋势(速度)，提前给出较大的调节作用，这样可使偏差尽快消除。微分调节器的微分方程为（5-4）式中TD为微分时间常数。微分作用响应曲线如图5-4所示。从图中可以看出，在t=t0时加入阶跃信号，此时输出值y变化的速度很大：当tt0时，其输出值y迅速变为0。微分作用的特点是，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，不管其数值多大，根本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时产生一个很大的调节作用。它一般不单独使用，需要与比例调节器配合使用，构成PD调节器。PD调节器的阶跃响应曲线如图5-5所示。图5-4微分作用响应特性曲线图5-5PD调节器的阶跃响应曲线从图中可以看出，当偏差刚一出现的瞬间，PD调节器输出一个很大的阶跃信号，然后，按指数下降，以致最后微分作用完全消失，变成一个纯比例环节。通过改变微分时间常数TD，可以调节微分作用的强弱。4．比例积分微分调节器为了进一步改善调节品质，往往把比例、积分、微分三种作用组合起来，形成PID调节器。理想的PID微分方程为（5-5）PID调节器对阶跃信号的响应曲线如图5-6所示。由图可以看出，对于PID调节器，在阶跃信号作用下，首先是比例和微分作用，使其调节作用加强，然后再进行积分，直到最后消除静差为止。因此，采用PID调节器，无论从静态还是从动态的角度来说，调节品质均得到了改善，从而使得PID调节器成为一种应用最为广泛的调节器。图5-6PID调节器对阶跃信号的响应特性曲线直接数字控制系统即DDC系统，是目前广为应用的一种微型计算机控制系统，DDC系统是通过用数字控制器取代模拟调节器，并配以适当的装置(如A／D、D／A转换器等)实现对工业生产过程进行控制。因此，数字控制器是DDC系统的核心。五、课堂小结：1、PID调节器的优点2、PID调节器的作用六、布置作业：P120第2题，第4题一、授课时间：年月日第21次二、教学目的：1、掌握数字PID控制器的设计2、掌握PID数字控制器的实现三、教学的重点及难点：重点：PID控制规律的离散化。难点：PID数字控制器的实现。四、教学内容及过程：复习上节课内容1、PID调节器的优点2、PID调节器的作用导入新课5.2数字PID控制器的设计图5-7示出了用计算机实现数字控制器的框图。图中，W(s)为反映控制规律的调节器的传递函数。输入函数x(t)为连续信号，由于计算机只能对数字量进行控制，因此连续信号x(t)需经采样器进行采样，采样后的x(t)变成脉冲信号序列x*(t)。设置的保持器h(t)使x*(t)变成近似于x(t)的信号xh(t),xh(t)就是计算机控制器的输出信号，输出信号通过调节器进行控制。图5-7用计算机实现数字控制器的框图图中D(z)表示数字控制器的脉冲传递函数，可以用计算机来实现。按图5-7所示的原理，得到数字控制器的实现方法，该方法称为模拟控制规律的离散化设计法。该方法的实现步骤是：先根据连续系统控制理论得出的控制规律，再进行离散化得到计算机能实现的控制算式，然后编成程序在计算机上实现。本章通过对连续系统中技术成熟、应用广泛的比例、积分、微分控制即PID控制规律的离散化，PID算式的程序实现来介绍这种设计方法。进行数字控制器设计，还有另一种方法，称为直接设计法，该方法是，根据系统的性能要求，运用离散系统控制理论，直接进行数字控制器的设计。5.2.1PID控制规律的离散化在连续控制系统中，模拟调节器最常用的控制规律是PID控制，其控制规律形式如下：(5-6)式中:e(t)是调节器输入函数，即给定量与输出量的偏差；u(t)是调节器输出函数；Kp是比例系数；Ti是积分时间常数；TD是微分时间常数。因为式(5-6)表示的调节器的输入函数及输出函数均为模拟量，所以计算机是无法对其进行直接运算的。为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。取T为采样周期，k为采样序号，k=0，1，2，…，i，…，k，因采样周期T相对于信号变化周期是很小的，这样可以用矩形法算面积，用向后差分代替微分，(5-7)(5-8)于是式(5-6)可写成(5-9)式中:u(k)是采样时刻k时的输出值；e(k)是采样时刻k时的偏差值；e(k-1)是采样时刻k-1时的偏差值。式(5-9)中的输出量u(k)为全量输出。它对应于被控对象的执行机构(如调节阀)每次采样时刻应达到的位置，因此，式(5-9)称为PID位置控制算式。这即是PID控制规律的离散化形式。应指出的是，按式(5-9)计算u(k)时，输出值与过去所有状态有关，计算时要占用大量的内存和花费大量的时间，为此，将式(5-9)化成递推形式：(5-10)用式(5-9)减去式(5-10)，经整理后可得(5-11)按式(5-11)计算在时刻k时的输出量u(k)，只需用到采样时刻k的偏差值e(k)，以及向前递推一次及两次的偏差值e(k-1)、e(k-2)和向前递推一次的输出值u(k-1)，这大大节约了内存和计算时间。应该注意的是，按PID的位置控制算式计算输出量u(k)时，若计算机出现故障，输出量的大幅度变化，将显著改变被控对象的位置(如调节阀门突然加大或减小)，可能会给生产造成损失。为此，常采用增量型控制，即输出量是两个采样周期之间，控制器的输出增量Δu(k)。由式(5-11)，可得：(5-12)式(5-12)称为PID增量式控制算式。式(5-11)和式(5-12)在本质上是一样的，但增量式算式具有下述优点：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，误动作影响小。(2)在进行手动/自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。5.2.2PID数字控制控制生产过程的计算机要求有很强的实时性，用微型计算机作为数字控制器时，由于其字长和运算速度的限制，必须采用一些方法来加快计算速度。常用的方法有：简化算式法、查表法、硬件乘法器法。现仅进行算式简化。式(5-11)是PID位置控制算式。按照这个算式，微型计算机每输出u(k)一次，要作四次加法、两次减法、四次乘法和两次除法。若将该式稍加合并整理可写成如下形式：(5-13)式中,系数a0、a1、a2可先进行计算，然后代入式(5-13)再进行计算机程序运算，微型计算机每输出u(k)一次，只需作三次乘法、两次加法、一次减法。按式(5-13)编制位置式数字控制器的程序框图如图5-8所示。图5-8位置式数字控制器程序框图五、课堂小结：1、数字PID控制器的设计2、PID数字控制器的实现六、布置作业：P105第一题，第三题一、授课时间：年月日第22次二、教学目的：1、掌握数字PID控制器参数的整定2、掌握采样周期的选择三、教学的重点及难点：重点：数字PID控制器参数的整定。难点：数字PID控制器参数的整定。四、教学内容及过程：复习上节课内容1、数字PID控制器的设计2、PID数字控制器的实现5.3数字PID控制器参数的整定5.3.1采样周期的选择从Shannon采样定理可知，只有当采样频率达到系统信号最高频率的两倍或两倍以上时，才能使采样信号不失真地复现原来的信号。由于被控对象的物理过程及参数变化比较复杂，因此系统有用信号的最高频率是很难确定的。采样定理仅从理论上给出了采样周期的上限，实际采样周期要受到多方面因素的制约。从系统控制质量的要求来看，希望采样周期取得小些，这样更接近于连续控制，使控制效果好些。从执行机构的特性要求来看，由于过程控制中通常采用电动调节阀或气动调节阀，因此它们的响应速度较低。如果采样周期过短，执行机构来不及响应，仍然达不到控制的目的。所以，采样周期不能过短。从系统的快速性和抗干扰的要求出发，要求采样周期短些；从计算工作量来看，则又希望采样周期长些，这样可以控制更多的回路，保证每个回路有足够的时间来完成必要的运算。因此，选择采样周期时，必须综合考虑。一般应考虑如下因素：(1)采样周期应比对象的时间常数小得多，否则，采样信号无法反应瞬变过程。(2)采样周期应远小于对象扰动信号的周期，一般使扰动信号周期与采样周期成整数倍关系。(3)当系统纯滞后占主导地位时，应按纯滞后大小选取T，尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整数倍。(4)考虑执行器的响应速度，如果执行器的响应速度比较慢，那么过小的采样周期将失去意义。(5)在一个采样周期内，计算机要完成采样、运算和输出三件工作，采样周期的下限是完成这三件工作所需要的时间(对单回路而言)。由上述分析可知，采样周期受各种因素的影响，有些是相互矛盾的，必须视具体情况和主要的要求作出折衷的选择。表5-2给出了一些常见控制参数的经验采样周期，可供我们参考。需说明的是，表中给出的是采样周期T的上限。随着计算机技术的发展和成本的下降，一般可以选取更短一点的采样周期。采样周期越短，控制精度越高，数字控制系统更接近连续控制系统。表5-2常用被控参数的经验采样周期5.3.2PID控制器参数的整定参数的整定有两种方法：理论设计法和实验确定法。用理论设计法确定PID控制器参数的前提是被控对象要有准确的数学模型，这在一般工业过程中是很难做到的。因此，主要采用的还是实验确定法。这里主要介绍实验确定法。1.试凑法试凑法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入的响应，根据各控制参数对系统性能