离散PID控制与整定.ppt

1、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 第第1 1部分部分 PIDPID控制综述控制综述第第2 2部分部分 PIDPID算法的数字化算法的数字化第第3 3部分部分 PIDPID控制的实际问题控制的实际问题第第4 4部分部分 改进型改进型PIDPID第第5 5部分部分 PIDPID参数整定参数整定课程内容课程内容PID控制概述 模拟模拟PIDPID算法算法PID控制概述 模拟模拟PIDPID算法算法比例：比例：Proportional积分：积分：Integral微分：微分：DifferentialPID控制概述 v PID是最常用的反馈控制率。90%以上的工业控制回路是PI

2、D，其中最常用的是PI.v PID的反馈控制率基于偏差的，过去值过去值(I)当前值当前值(P)未来值未来值(D)PID控制控制 The future of PID controlK.J.strmPID控制概述 v技术成熟 v易被人们熟悉和掌握v不需要建立数学模型v控制效果好PID控制之所以经久不衰，主要有以下优点优点。PID算法的数字化 计算机控制采用数字数字PID控制算法控制算法需要离散化模拟PID算式引入采样周期TPID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TPID算法的数字化 数字数字数字数字PID-PID-PID-PI

3、D-位置型位置型位置型位置型数字数字数字数字PID-PID-PID-PID-增量式增量式增量式增量式PID算法的数字化 增量式PID的的优点优点最常用的数字PIDv 编程简单，占用内存小v 误动作影响小 v 易于实现手动/自动无扰动切换v 有利于抑制积分饱和积分饱和现象数字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。v 正、反作用问题（具体问题具体分析）v 积分饱和问题积分饱和问题v 限位问题v 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手自动无扰动切换的定义的定义背景：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

4、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积分饱和现象积分作用数字PID控制的实际问题积分饱和积分饱和的解决办法v 遇限消弱积分v 有效偏差法v 增量式PIDv 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PID算法的改进 积分分离积分分离的的PID PID（慢过程：温度、液位）积分的作用：消除余差消除余差-A+AP

5、ID算法的改进 积分分离积分分离的的PIDPIDPID算法的改进 积分分离积分分离的的PIDPIDPID算法的改进 变速积分变速积分PIDPID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。f是e(k)的递减函数PID算法的改进 变速积分变速积分PIDPID的的优点优点v 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 v 减小超调，改善控制品质v 适用范围广PID算法的改进 变速积分变速积分PIDPID-A+A积分分离PID：切除切除积分作用变速积分PID：减小减小积分作用积分分离PID：加入加入积分作用变速积分PID：增大

6、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 不完全微分不完全微分PIDPID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 不完全微分不完全微分PIDPID一阶惯性环节PID算法的改进 不完全微分不完全微分PID PID(优点优点优点优点P245)P245)P245)P245)(A)理想微分理想微分理想微分理想微分PIDPID积积分分项项 比比 例例 项项 u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 微微 分分 项项 比比 例例 项项 u 0 1 2 3 4 5 6 7

7、 8 kT项项 (B)不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPID微微积积分分分分项项PID算法的改进 微分先行微分先行PID PID（测量值微分）（测量值微分）目的：避免因给定值变化给定值变化导致超调量过大、调节阀动作剧烈只对测量值测量值(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 微分先行微分先行PID PID（测量值微分）（测量值微分）U(s)Y(s)R(s)微分作用PID算法的改进 微分先行微分先行PID PID（测量值微分）（测量值微分）标准增量式标准增量式PID的微分作用的微分作用改进后的改进后的微分作用PID算法的改进 带死区的带死区的PI

8、DPID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，可以人为的设人为的设置一个不灵敏区置一个不灵敏区B B，即带死区的PID控制。PID算法的改进 带死区的带死区的PIDPID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 PIDPID参数整定参数整定的方法的方法比例系数积分系数微分系数PID参数整定 PIDPID参数整定（参数整定（tuningtuning）的方法）的方法v 凑试法（优选法）v 临界比例度法临界比例度法v 响应曲线法响应曲线法v 4:14:1衰减曲线法衰减曲线法v 基于继电反馈控制基于继电反馈控制v

9、基于模式识别v 基于专家系统搜索 PID参数自整定参数自整定 获得约 52,300 条结果 PID参数整定 凑试法（经验法）凑试法（经验法）v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v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。v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 凑试法凑试法整定步骤整定步骤实行先比例，后积分，最后微分的整定步骤1.1.首首先先将将比比例例系系数数由由小小变变大大，直直到到得得到到反反应应较较快快，超超调调较较小小的的响响应应曲曲线线。若若系系统统余余差差小小，可可采采用用纯纯比比例例控控制制。

10、2.2.如如果果有有较较大大余余差差，则则要要加加入入积积分分作作用用。积积分分时时间间从从大大变变小小，同同时时调调整整比比例例增增益益，使使系系统统保保持持良良好好的的动动态态性性能能。3.3.若若使使用用PIPI控控制制仍仍达达不不到到满满意意的的效效果果，则则可可加加入入微微分分环环节节。在在整整定定时时，微微分分时时间间从从小小变变大大，相相应应调调整整比比例例增增益益和和积积分分时间，逐步试凑，以得到满意的动态性能。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=2.4 KP=2.4 Ti=2KP=2.4 Ti=1PID参数整

11、定 KP=2.4 Ti=1 Td=0.25KP=2.4 Ti=1 Td=0.4PID参数整定 PID整定口诀整定口诀:参数整定找最佳，从小到大顺参数整定找最佳，从小到大顺序查，序查，先是比例后积分，最后再把微分加先是比例后积分，最后再把微分加，曲，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，曲线偏离回复慢，积分时间往下降积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间，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，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

12、想曲线动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低两个波，前高后低4 4比比1 1 PID参数整定 优选法（经验法）优选法（经验法）先把其他参数固定，然后用先把其他参数固定，然后用0.618法对其中某法对其中某一个参数进行优选，待选出最佳参数后，再一个参数进行优选，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。最后根据优选完毕为止。最后根据T、KP、TI、TD诸诸参数优选的结果取一组最佳值即可。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）临界比例法（稳定边界法）用用纯纯比比例例控控制制，给给

13、定定值值r作作阶阶跃跃扰扰动动，从从较较大大比比例例开开始始，逐逐渐渐减减小小，直直到到被被控控变变量量出出现现临临界界振振荡荡为为止止，记记下下临临界界周周期期Tu和和临临临临界界界界比比比比例例例例K Ku u，按按以以下下经经验验公公式式计算计算KP、Ti和和Td。TuPID参数整定 临界比例法（稳定边界法）临界比例法（稳定边界法）根据根据Ziegler和和Nichols提出的经验规则表来整定提出的经验规则表来整定PID参数，因此该方法又称为参数，因此该方法又称为Ziegler-Nichols整整定法，简称定法，简称Z-N法法控制律KTiTdPPIPID0.50Ku0.46Ku0.63K

14、u-0.85Tu0.50Tu-0.13TuPID参数整定 4:14:1衰减振荡法衰减振荡法Tu该该方方法法仍仍然然先先采采用用纯纯比比例例闭闭环环控控制制，在在系系统统稳稳定定后后逐逐步步减减小小比比例例度度，作作给给定定值值阶阶跃跃响响应应，观观察察过过渡渡曲曲线线，直直至至衰衰减减比比为为4。记记下下衰衰减减周周期期Tu和和相相应应的的比比例例度度Ku，按按以以下下经经验验公公式式计算计算KP、Ti和和Td。PID参数整定 4:14:1衰减振荡法衰减振荡法参数整定经验规则该方法的优点：过程无需做临界稳定振荡过程无需做临界稳定振荡PID参数整定 响应曲线法响应曲线法在系统处于在系统处于开环开

15、环情况下，首先做被控对象的阶情况下，首先做被控对象的阶跃跃()曲线，从该曲线上求得对象的曲线，从该曲线上求得对象的纯滞后时纯滞后时间间、时间常数、时间常数和放大系数和放大系数K。然后在按表中。然后在按表中经验公式计算经验公式计算KP、Ti和和Td。PID参数整定 响应曲线法响应曲线法参数整定规则表控制率KPTiTdPK/-PI1.1K /3.3-PID0.85K /2 0.5 PID参数整定 基于继电反馈控制的基于继电反馈控制的PID参数自整定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.st

16、rm等人提出等人提出PID参数整定 基于继电反馈控制的基于继电反馈控制的PID参数自整定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基于继电反馈控制的PID参数自整定的优点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基于继电反馈控制的PID参数自整定的缺点参数自整定的缺点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！没有一种整定方法是万能的！PID参数整定 基于模式识别的基于模式识别的PIDPID自整定方法自整定方法PID参数整定 基于模式识别的基于模式识别的PIDPID自整定方法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Kp PID参数整定 PIDPID参数自整定的商业软件参数自整定的商业软件Foxboro的E