新型PID控制.pptx

,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,#,单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,PID:Proportional-Integrel-Derivative,；,PID,控制是最基本和最常用的控制方法；,PID,控制的原理及结构最简单；,PID,控制的历史最悠久，先后有机械式、液动式、气动式、电子式、数字式等；,PID,控制的适应面广，生命力强，至今仍为工程应用的主流（,80,）；,对,PID,控制的改进从未间断，新型,PID,控制不断涌现。,第五章 新型,PID,控制策略,连续或离散时间系统：,微分,对象,比例,积分,r,e,u,y,P,：误差越大，调节作用越强，属有差调节,I,：消除稳态误差（无静差）,D,：反映误差变化趋势，提前进行调节，进一步 改善响应性能,5.1 PID,控制算法的基本作用,一、,PID,控制算法表达式：,二、,PID,控制器三个环节的作用：,三、,PID,控制器的参数整定方法：,参数整定,PID,控制中的一个至关重要问题。,影响控制系统的控制质量。,影响控制系统的稳定性和鲁棒性。,参数整定方法,常规,PID,参数整定方法,智能,PID,参数整定方法,离线整定方法,在线整定方法,注：,鲁棒性（,robustness,）,指系统的参数和结构变化或受 到扰动时仍能保持良好性能的能力。,步骤：,（,1,）先将切除,PID,控制器中的积分与微分作用，取比例增益,K,C,较小值，并投入闭环运行；,（,2,）将,K,C,由小到大变化，对应于某一,K,C,值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；,（,3,）设等幅振荡时振荡周期为,T,cr,、控制器增益,K,cr,，再根据控制器类型选择以下,PID,参数,。,控制规律,K,c,T,i,T,d,P,0.5,K,cr,PI,0.45,K,cr,0.83,T,cr,PID,0.6,K,cr,0.5,T,cr,0.12,T,cr,PID,工程整定法（,1,）,临界比例度法,被控对象,采用,PI,控制算法：,临界比例度法的局限性：,生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。,响应曲线法,PID,参数整定步骤：,（,1,）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线；,（,2,）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似模型与模型参数；,（,3,）根据控制器类型与对象模型，选择,PID,参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。,PID,工程整定法（,2,）,响应曲线法,典型自衡工业对象,的阶跃响应,对象的近似模型：,对应参数见左图，而增益为：,y,min,y,max,为CV的测量范围；,u,min,u,max,为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。,“,广义对象”动态特性的阶跃响应测试法,被控对象,连续,PID,控制,特点：,适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶,+,纯滞后”来近似,。,整定公式：,PID,工程整定法（,3,）,Ziegler-Nichols参数整定法,特点：,适合于纯滞后不显著的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为“,S”,型曲线,。,初始整定参数：,T,s,为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。,参数调整：,将上述,PID,控制器投入“,Auto”,（自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢且无超调，则适当加大,K,C,，例如增大到原来的两倍；反之，则减小,K,C,值。,PID,工程整定法（,4,）,PID参数整定法（1/4准则）,对于无显著纯滞后的自衡对象,根据反馈信息自动在线调整,PID,参数,K,P,、,K,I,、,K,D,（适时变参数型）,根据响应过程自动整定（自动设计）,PID,参数,K,P,、,K,I,、,K,D,（相对固定参数型）,PID,控制器,对象,PID,参数,的,调整计算,对象信息,或性能评价,图,5-2,新型,PID,控制,r,e,u,y,与其他控制方法的结合,自适应控制，智能控制，,解耦控制，内模控制 状态反馈等,常见类型,下页例,四、,改进,PID,控制的基本思路,优化控制结构,积分分离，抗积分饱和微分先行，,2,自由度控制等,例：变参数,PI,与固定参数,PI,控制的比较,调整,K,对性能的影响,:,K,则 快速性,平稳性,K,则平稳性,快速性,（见下页图）,PI,控制器,对象,调整,规则,变参数,PI,控制,r,e,u,y,仿真结果,:,定参数,PI,当,K,取不同值时的响应,K=1,K=2,K=0.6,time,y,定参数,PI,K=1,变参数,PI,变参数,PI,与定参数,PI,的性能比较,time,u,作业,1,：,参数自适应,PID,控制,(,基于对象参数辨识，计算量大）,非参数自适应,PID,(,基于响应过程的特征参数,如阶跃响应的超调、上升时间、时滞、误差等，或临界振荡的增益、频率等，计算量小，但最优性差）,智能,PID,控制,（利用模糊推理、专家经验、模式识别、神经元网络等工具调整,PID,参数，优点是不依赖数学模型，自动学习、推理和调整，鲁棒性强）,5.2,新型,PID,控制的常见类型,一、自校正,PID,控制,基于改进的,Ziegler-Nichols,参数整定方法,1.,被控对象的模型,ARX,模型,2.,实时参数估计算法,RFFLS,3.,数字,PID,算法,增量式,4.PID,参数设计,改进的,Ziegler-Nichols,整定方法,闭环特征方程：,等幅振荡条件,：（,1,）实根,=-1,；（,2,）复根在单位圆上。,条件（,1,）：,条件（,2,）：,满足条件（,1,）时：,Ku,满足条件（,2,）时：,Ku,与,对于条件（,1,）和条件（,2,）有：,其他自校正,PID,控制的仿真举例：,已知参数,未知参数,二、智能,PID,控制,1.,模糊自适应整定,PID,控制,Kp,、,Ki,、,Kd,与,e,、,ec,的模糊关系。,在运行中根据模糊控制原理来对,3,个参数进行在线修改。,将系统误差,e,和误差变化率,ec,变化范围定义为模糊集上的论域,其模糊子集为,e,、,ec,和,Kp,、,Ki,均服从正态分布，因此可得出各模糊子集的隶属度。,e,ec,N,Z,P,N,N,N,N,Z,N,P,P,P,P,P,P,Kp,整定原则,当响应在上升过程中（,e,为,P,），增大,Kp,；,当超调时（,e,为,N,），降低,Kp,；,当误差在零附近时（,e,为,Z,），分,3,种情况：,（,1,）,ec,为,N,时，超调越来越大，此时，降低,kp;,（,2,）,ec,为,Z,时，为了降低误差，增大,Kp,；,（,3,）,ec,为,P,时，正向误差越来越大，增大,Kp,；,e,ec,N,Z,P,N,Z,Z,Z,Z,P,P,P,P,Z,Z,Z,Ki,整定原则,采用积分分离策略，即误差在零附近时，增大,kp,；,否则，,Kp,取,0,。,仿真实例,采样时间为,1ms,，采用,z,变换进行离散化，离散化后的被控对象为：,位置指令为幅值为,1.0,的阶跃信号,先运行模糊推理系统设计程序,chap8_4a.m,，,实现模糊推理系统,fuzzpid.fis,的设计，并将此模糊推理系统调入内存中，然后运行模糊控制程序,chap8_4b.m,。,2.,专家,PID,控制,PID,专家控制的实质是利用专家经验来设计,PID,参数。专家,PID,控制是一种直接型专家控制器。,知识库,信息获,取与处理,推理机 构,被控对 象,传感器,控制,规则库,专家控制器,典型的二阶系统阶跃响应,图中，,、,、,、,、,区域，误差,朝绝对值减小,的方向变化。此时，可,采取保持等待,措施，相当于实施开环控制；,、,、,、,、,区域，误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差的大小分别实施,较强或一般,的控制作用，以抑制动态误差。,根据误差及其变化，可设计专家,PID,控制器，该控制器可分为以下五种情况进行设计：,（,1,）当 时，说明误差的绝对值已经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大（或最小）输出，以达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。此时，它相当于实施开环控制。,（,2,）当 或 时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，或误差为某一常值，未发生变化。,此时，如果 ，说明误差也较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出为,如果，说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，可考虑控制器实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化，控制器输出为,（,3,）当 、或者,时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态。此时，可考虑采取保持控制器输出不变。,（,4,）当 、时，说明误差处于极值状态。如果此时误差的绝对值较大，即 ，可考虑实施较强的控制作用。,如果此时误差的绝对值较小，即,，可考虑实施较弱的控制作用。,（,5,）当 时，说明误差的绝对值很小，此时加入积分，减少稳态误差。,仿真实例,求三阶传递函数的阶跃响应,其中对象采样时间为,1,ms,。,采用专家,PID,设计控制器。在仿真过程中，取,0.001,，,程序中的五条规则与控制算法的五种情况相对应。,仿真程序：,chap8_5.m,5.3,内模,PID,控制,一、,PID,控制器的基本形式,理想形式,对于模拟元件实现的工业,PID,内模控制的等效变换,图中虚线方框为等效的一般反馈控制器结构,图中虚线方框为内模控制器结构,二、基于内模的,PID,控制器,用,IMC,模型获得,PID,控制器的设计方法,反馈系统控制器 为,即,因为在 时,，,得：,可以看到控制器 的零频增益为无穷大。因此可以消除由外界阶跃扰动引起的余差。这表明尽管内模控制器 本身没有积分功能，但由内模控制的结构保证了整个内模控制可以消除余差。,可以将 写为,当模型已知时，将上式和实际的,PID,算式，对应系数相等，求解即可得基于内模控制原理的,PID,控制器各参数,。,对上式中含有的滞后项进行近似,Pade,近似和,Taylor,近似。,例：,设计一阶加纯滞后过程的,IMC,PID,控制器。,对纯滞后时间使用一阶,Pade,近似,分解出可逆和不可逆部分,构成理想控制器,加一个滤波器 这时不需要使 为有理，因为,PID,控制器还没有得到，容许 的分子比分母多项式的阶数高一阶。,由：,展开分子项 ,选,PID,控制器的传递函数形式为 ,比较式，用 乘以 式,得：,与常规,PID,控制器参数整定相比，,IMC,PID,控制器参数整定仅需要调整比例增益。比例增益与 是反比关系，大，比例增益小，小，比例增益大。,作业,2,：,作业,3,：,r,e,u,控制器,C,对象,P,1,自由度控制系统,y,1,自由度系统：,u=Ce,只能优化一种性能，或在多种性能要求之间折衷。,什么是,1,自由度与,2,自由度控制器,?,5.4 2,自由度,PID,控制器,控制器,C,对象,P,2,自由度控制系统的一般结构,r,u,y,2,自由度系统：,u=C r -y,T,=C,1,r C,2,y,可同时优化,2,种性能。,C,1,对象,P,2,自由度控制系统的标准结构,r,u,y,C,2,等价关系：,（自证）,C,1,=D,1,+D,2,C,2,=D,1,r,e,u,D,1,对象,P,y,D,2,2,自由度控制系统的其他常见结构：,F,1,对象,P,r,u,y,F,2,r,u,G,1,对象,P,y,G,2,C,1,=F,1,C,2,=F,1,+F,2,C,1,=G,1,G,2,C,2,=G,1,例：,1,自由度与,2,自由度控制的性能比较,PID,控制器,对象,r,e,u,y,d,1,自由度控制,1,自由度控制的仿真结果（抗扰最佳）：,y,time,d=-0.51(t-25),r,前馈滤波,2,自由度控制,PID,控制器,对象,u,y,d,time,y,2,自由度控制的仿真结果：,d=-0.51(t-25),作业,4,：,思考题,：,1.,新型,PID,与常规,PID,的主要区别在哪里,?,2.,新型,PID,的常见类型各有何特点,?,3.2,自由度控制器相对于,1,自由度有何优点？,