05-离散PID控制与整定

微型计算机控制技术数字PID及其整定第5章授课老师：陈良[e-mail]第1部分PID控制综述第2部分PID算法的数字化第3部分PID控制的实际问题第4部分改进型PID第5部分PID参数整定课程内容PID控制概述模拟PID算法dttdeTtdteTteKtudiP)()()(1)()(PID控制概述模拟PID算法dttdeTtdteTteKtudiP)()()(1)()(比例：Proportional积分：Integral微分：DifferentialPID控制概述PID是最常用的反馈控制率。90%以上的工业控制回路是PID，其中最常用的是PI.PID的反馈控制率基于偏差的，过去值(I)当前值(P)未来值(D)PID控制《ThefutureofPIDcontrol》K.J.Åström)()(tdteKi)(teKPdttdeKd)(PID控制概述技术成熟易被人们熟悉和掌握不需要建立数学模型控制效果好PID控制之所以经久不衰，主要有以下优点。PID算法的数字化计算机控制采用数字PID控制算法需要离散化模拟PID算式tkekedttdetjetdtekjn)1()()()()()(00引入采样周期TTkekedttdejeTtdtekjn)1()()()()()(00tTPID算法的数字化采样周期≈控制周期香农采样定理采样信号XS(t)唯一地复原信号X(t)的最低采样频率必须满足Tmax2sPID算法的数字化数字PID-位置型)1()()()()(0kekeTTjeTTkeKkudkjiP数字PID-增量式)2()1(2)()()1()()(kekekeTTkeTTkekeKkudiPPID算法的数字化增量式PID的优点——最常用的数字PID编程简单，占用内存小误动作影响小易于实现手动/自动无扰动切换有利于抑制积分饱和现象数字PID控制的实际问题数字PID在实际应用中，有些具体问题亟待解决。正、反作用问题（具体问题具体分析）积分饱和问题限位问题手自动无扰动切换问题数字PID控制的实际问题手自动无扰动切换的定义背景：控制器的手动操作功能是必不可少的。在自动控制系统投运时，往往先进行手动操作，待系统基本稳定后再切换为自动运行，当自动控制失灵后，必须切换到手动操作。通过控制器的手动/自动双向切换开关，可以方便地进行手自动切换，并要求在切换过程中不带来额外的扰动数字PID控制的实际问题积分饱和现象e(t)y00tt积分作用e(k)0uI(k)积分饱和等待时间kjiIjekku0)()(数字PID控制的实际问题积分饱和的解决办法遇限消弱积分有效偏差法增量式PID积分分离法等等数字PID控制的实际问题遇限削弱积分遇限积分作用切除数字PID控制的实际问题有效偏差法：积分时采用有效偏差，而非实际偏差。逆推有效偏差的方法DIPkjDIKKKkeKjeKkuke10)1()()(*)(*PID算法的改进１２一般PID积分分离PID开始引入积分作用Y(t)t0P积分分离的PID（慢过程：温度、液位）积分的作用：消除余差-A+APID算法的改进积分分离的PIDy曲线2：标准PID曲线3：A过小曲线10tRAPDPIDPDy曲线2：标准PID曲线3：A过小曲线10tRAPDPIDPDPID算法的改进积分分离的PIDPIDAPDAke)(PID算法的改进变速积分PID基本思想：改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应：偏差越大，积分越慢；偏差越小，积分越快。kjiIjeKku0)()()()()(10kfejeKkukjiIf是e(k)的递减函数PID算法的改进变速积分PID的优点用比例作用消除大偏差，用积分作用消除余差，有助于消除积分饱和现象减小超调，改善控制品质适用范围广PID算法的改进１２一般PID积分分离PID开始引入积分作用Y(t)t0P变速积分PID-A+A积分分离PID：切除积分作用变速积分PID：减小积分作用积分分离PID：加入积分作用变速积分PID：增大积分作用对比积分分离与变速积分PID：积分分离采用“开关”控制；变速积分属于线性控制，因而后者调节品质更好PID算法的改进不完全微分PID微分的缺点：当有阶跃信号输入时，微分项急剧增加，引起系统振荡甚至不稳定PID算法的改进不完全微分PIDSTSTKsUdiP11)(SKTSTSTKsUdddiP111)(一阶惯性环节)()()(kukukuDPI)1()1()()()()(0kukekeKjeKkeKkuDdkjiPPID算法的改进不完全微分PID(优点P245)(A)理想微分PID积分项比例项u012345678kT微分项比例项u012345678kT项(B)不完全微分PID微积分分项PID算法的改进微分先行PID（测量值微分）目的：避免因给定值变化导致超调量过大、调节阀动作剧烈只对测量值(被控量)进行微分,而不对偏差微分,也即对给定值无微分作用。PID算法的改进微分先行PID（测量值微分）U(s)Y(s)R(s)11sKTsTddd)11(sTKic微分作用PID算法的改进微分先行PID（测量值微分）标准增量式PID的微分作用改进后的微分作用)2()1(2)([)(kekekeKkudD)2()1(2)()(kykykyKkudDPID算法的改进带死区的PID在控制过程要求平稳的场合，为了避免控制动作过于频繁，消除由此引起的振荡，可以人为的设置一个不灵敏区B，即带死区的PID控制。PID算法的改进带死区的PIDBkekKuBkekuku)()()()()(常规PID作用死区内削弱控制作用死区常规PID带死区的PID控制本质是非线性控制PID参数整定PID参数整定的方法)1()()()()(0kekeTTjeTTkeKkudkjiP比例系数积分系数微分系数iPITTKKPKTTKKdPdPID参数整定PID参数整定（tuning）的方法凑试法（优选法）临界比例度法响应曲线法4:1衰减曲线法基于继电反馈控制基于模式识别基于专家系统搜索PID参数自整定获得约52,300条结果PID参数整定凑试法（经验法）增大比例系数KP一般将加快系统的响应，使系统的稳定性变差减小积分时间Ti(即增大Ki),将使系统的稳定性变差，使有助于消除余差。增大微分时间Td，将使系统的响应加快，但使系统稳定性变差。PID参数整定凑试法整定步骤实行先比例，后积分，最后微分的整定步骤1.首先将比例系数由小变大，直到得到反应较快，超调较小的响应曲线。若系统余差小，可采用纯比例控制。2.如果有较大余差，则要加入积分作用。积分时间从大变小，同时调整比例增益，使系统保持良好的动态性能。3.若使用PI控制仍达不到满意的效果，则可加入微分环节。在整定时，微分时间从小变大，相应调整比例增益和积分时间，逐步试凑，以得到满意的动态性能。PID参数整定KP=2.85KP=1.85PID参数整定KP=2.4KP=2.4Ti=2KP=2.4Ti=1PID参数整定KP=2.4Ti=1Td=0.25KP=2.4Ti=1Td=0.4PID参数整定PID整定口诀:参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4比1PID参数整定优选法（经验法）先把其他参数固定，然后用0.618法对其中某一个参数进行优选，待选出最佳参数后，再换另一个参数进行优选，直到把所有的参数优选完毕为止。最后根据T、KP、TI、TD诸参数优选的结果取一组最佳值即可。PID参数整定临界比例法（稳定边界法）用纯比例控制，给定值r作阶跃扰动，从较大比例开始，逐渐减小，直到被控变量出现临界振荡为止，记下临界周期Tu和临界比例Ku，按以下经验公式计算KP、Ti和Td。TuPID参数整定临界比例法（稳定边界法）根据Ziegler和Nichols提出的经验规则表来整定PID参数，因此该方法又称为Ziegler-Nichols整定法，简称Z-N法控制律KTiTdPPIPID0.50Ku0.46Ku0.63Ku-0.85Tu0.50Tu--0.13TuPID参数整定4:1衰减振荡法Tu该方法仍然先采用纯比例闭环控制，在系统稳定后逐步减小比例度，作给定值阶跃响应，观察过渡曲线，直至衰减比为4。记下衰减周期Tu和相应的比例度Ku，按以下经验公式计算KP、Ti和Td。PID参数整定4:1衰减振荡法参数整定经验规则--0.1Tu-0.5Tu0.3TuKu1.2Ku0.8KuPPIPIDTdTiK控制律--0.1Tu-0.5Tu0.3TuKu1.2Ku0.8KuPPIPIDTdTiK控制律该方法的优点：过程无需做临界稳定振荡PID参数整定响应曲线法在系统处于开环情况下，首先做被控对象的阶跃()曲线，从该曲线上求得对象的纯滞后时间θ、时间常数τ和放大系数K。然后在按表中经验公式计算KP、Ti和Td。UYKUPID参数整定响应曲线法参数整定规则表控制率KPTiTdPKθ/τ--PI1.1Kθ/τ3.3θ-PID0.85Kθ/τ2θ0.5θPID参数整定基于继电反馈控制的PID参数自整定核心思想来源于Ziegler-Nichols整定法用具有继电特性的非线性环节代替Z-N法中的纯比例控制，是系统产生稳定极限环振荡。K.J.Åström等人提出PID参数整定基于继电反馈控制的PID参数自整定整定的步骤：1.人工控制使系统稳定2.按下整定开关，切入继电器控制3.求取临界振荡周期，与极限环幅值，根据Z-N法计算PID参数4.切回PID控制PID参数整定基于继电反馈控制的PID参数自整定的优点实现PID参数的一键整定基于继电反馈控制的PID参数自整定的缺点1.假设被控对象模型为一阶+纯滞后，对于时间常数较大的过程，整定过程漫长2.高频干扰会对采样值带来误差，影响Ku，Tu的精度没有一种整定方法是万能的！！PID参数整定基于模式识别的PID自整定方法PID参数整定基于模式识别的PID自整定方法波形特征：衰减振荡，欠调响应曲线欠调，说明应减小Ti；在欠调的同时有振荡现象，虽然暂时振荡不太强烈，但由于Ti减小后会增强振荡作用，因此要同时减小KpPID参数整定PID参数自整定的商业软件Foxboro的EXACT（760/761/762）控制器采用模式识别技术加上专家规则进行参数的整定；Yokogawa公司的UT系列控制器采用极限环法进行参数的整定；Honeywell公司的UDC系列控制器采用阶跃响应分析和整定规则库来调整控制参数。国内比较著名的有中国科学技术大学自动化系研究的ATLoopPID自动整定软件包。PID参数整定大作业2：PID参数整定软件开发一个单回路PID参数自整定软件掌握单回路控制系统整定的方法了解PID参数对控制品质的影响规律可采用任何PID参数整定方法开发具有图形界面（建议通过Matlab-GUI来实现）3人一组，软件+设计报告（4页）PID参数整定大作业2：PID参数整定PID参数整定大作业3：1人一组，课程报告（6-8页）整定以下的控制系统，撰写报告，内容包括系统分析，所采用的整定方法整定结果研究系统时滞对性能的影响PID参数整定大作业3：