PID控制规律及数字PID基本算法.ppt

PID控制规律及数字PID基本算法未经许可不得转载内容仅限参考 知识回顾pp 系统控制的目标系统控制的目标校正环节校正环节执行机构执行机构被控对象被控对象检测单元检测单元控制目控制目标：系：系统准确性、准确性、稳定性、快速性要求定性、快速性要求系系统评价：价：稳态特性、特性、动态特性特性稳态特性：特性：稳态误差（差（误差度）差度），与系，与系统型次及开型次及开环增益相关增益相关动态特性：特性：时域指域指标（超超调量、量、调整整时间等等）；频域指域指标（稳定裕度、剪切定裕度、剪切频率率、中中频宽度、度、带宽等等经典系典系统分析方法：分析方法：时域、域、频域法、根域法、根轨迹等（开迹等（开环分析分析闭环）系系统校正：串校正：串联校正、反校正、反馈校正、复合校正、校正、复合校正、频率特性校正率特性校正系系统校正校正单元由基本元由基本环节构成，包括构成，包括比例比例环节、积分分环节、惯性性环节、一一阶微分微分、二、二阶微分等微分等，其中由比例、，其中由比例、积分、微分分、微分环节构成的构成的PID控制在工控制在工业控制中占有非常重要的地位，控制中占有非常重要的地位，了解了解PID控制控制规律、掌握律、掌握PID控制器控制器设计方法是十分必要的。方法是十分必要的。一、连续PID基本控制规律pp 连续系统校正环节基本控制规律连续系统校正环节基本控制规律1 1、比例控制比例控制2 2、比例积分控制比例积分控制3 3、比例微分控制比例微分控制增大开增大开环增益增益能能够减小减小系系统稳态误差差，但系，但系统的相的相对稳定性会降低，甚至造成定性会降低，甚至造成闭环系系统不不稳定。通常比例控制不定。通常比例控制不单独使用。独使用。通常用来改善系通常用来改善系统的的稳态特性；特性；积分分控制控制提高提高了系了系统的的型次型次，消除或减弱了系，消除或减弱了系统的静的静态误差；但是差；但是积分引分引入了相位滞后，使得系入了相位滞后，使得系统相相对稳定性定性变差；一差；一阶微分微分环节的出的出现，提高提高了系了系统的阻尼程度，的阻尼程度，缓和了控制器和了控制器零极点零极点对系系统稳定性及定性及动态过程的不利影响。程的不利影响。微分控制能反应输入信号的变化趋势，因此在输入信微分控制能反应输入信号的变化趋势，因此在输入信号的量值变得太大之前，可为系统引入一个有效的早号的量值变得太大之前，可为系统引入一个有效的早期修正信号以增加系统的阻尼程度，从而提高系统的期修正信号以增加系统的阻尼程度，从而提高系统的稳定性；但一阶微分的稳定性；但一阶微分的高通特性高通特性，使得该控制器易于，使得该控制器易于放大高频噪放大高频噪声的缺陷。声的缺陷。一、连续PID控制基本规律pp 连续系统校正环节基本控制规律连续系统校正环节基本控制规律4 4、PIDPID控制控制PIDPIDPIDPID控制器的传递函数：控制器的传递函数：控制器的传递函数：控制器的传递函数：PID控制器除了可以控制器除了可以提高系提高系统的型次的型次之外，之外，还提供了两个提供了两个负实零点，与零点，与PI控制器控制器相比，它保留了改善系相比，它保留了改善系统稳态特性的特点，从特性的特点，从频域的角度，域的角度，PID控制器的控制器的积分作分作用于用于系系统的的低低频段段，以，以提高提高系系统的的稳态性能性能，微分作用于微分作用于系系统的的中中频段段，以改善，以改善系系统的的快速性快速性及及相相对稳定性定性。PIDPIDPIDPID控制器的时域表达式：控制器的时域表达式：控制器的时域表达式：控制器的时域表达式：二、连续PID传递函数的离散化pp 各环节的离散化处理各环节的离散化处理 积分环节的离散化处理积分环节的离散化处理 微分环节的离散化处理微分环节的离散化处理积分微分离散化过程相当于脉冲序列调制过程离散化过程相当于脉冲序列调制过程脉冲信号：脉冲信号：脉冲信号：脉冲信号：脉冲序列信号：脉冲序列信号：脉冲序列信号：脉冲序列信号：三、数字PID位置式与增量式算法pp 数字数字PIDPID位置式位置式pp 数字数字PIDPID增量式增量式pp 算法特点算法特点采用位置式算法采用位置式算法时，需要，需要计算算误差累差累积和；采用增量式算法和；采用增量式算法时，仅需要近三次的需要近三次的误差采差采样值，适用于，适用于执行机构需要控制量增量的情况，行机构需要控制量增量的情况，如步如步进电机的控制。机的控制。四、数字PID位置式与增量式算法程序实现pp 数字数字PIDPID位置式算例位置式算例控制对象控制对象 设计数字设计数字PIDPID控制器，实现系统对正弦信号、控制器，实现系统对正弦信号、随机信号的跟踪。随机信号的跟踪。五、小结与数字PID应用中的核心问题pp 小结小结1 1、理解并掌握、理解并掌握PIDPID控制器中比例、积分、微分在调节系统稳态控制器中比例、积分、微分在调节系统稳态特性与动态特性中的作用特性与动态特性中的作用2 2、掌握数字、掌握数字PIDPID位置式、增量式的基本算法与特点位置式、增量式的基本算法与特点3 3、能够利用基本程序语言实现位置式增量式的程序编写、能够利用基本程序语言实现位置式增量式的程序编写pp 后续学习内容后续学习内容1 1、PIDPID参数的整定问题（周三实验介绍关于参数的整定问题（周三实验介绍关于PIDPID工程整定方法及工程整定方法及数字数字PIDPID位置式增量式算例实验）位置式增量式算例实验）2 2、数字、数字PIDPID算法的改进算法的改进3 3、连续系统离散化方法（、连续系统离散化方法（Z Z变换、双线性变换等）变换、双线性变换等）六、参考文献pp 参考文献参考文献1 1、Modern Control System(Eleventh Edition),Modern Control System(Eleventh Edition),电子工业出版社，电子工业出版社，Richard C.DorfRichard C.Dorf2 2、自控控制原理（第五版），科学出版社，胡寿松、自控控制原理（第五版），科学出版社，胡寿松3 3、过程控制工程及其仿真，电子工业出版社，郭阳宽、过程控制工程及其仿真，电子工业出版社，郭阳宽4 4、控制过程系统分析与设计，清华大学出版社，廖晓忠、控制过程系统分析与设计，清华大学出版社，廖晓忠5 5、基于、基于Matlab/SimulinkMatlab/Simulink系统仿真技术与应用，清华大学出版社，薛定宇系统仿真技术与应用，清华大学出版社，薛定宇6 6、先进、先进PIDPID控制及其控制及其MatlabMatlab仿真，仿真，电子工业出版社，刘金琨电子工业出版社，刘金琨PD控制算例 单位负反馈控制系统的开环传递函数为单位负反馈控制系统的开环传递函数为 ，采用，采用P P控制控制 ，观察当比例系数取值分别为，观察当比例系数取值分别为0.80.8、2.42.4、3.53.5时系时系统的阶跃响应。统的阶跃响应。黄色黄色线对应比例系数比例系数为0.8的的阶跃响响应紫色紫色线对应比例系数比例系数为2.4时的的阶跃响响应青色青色线对应比例系数比例系数为3.5时的的阶跃响响应随着比例作用的增强，静态误差随着比例作用的增强，静态误差随着比例作用的增强，静态误差随着比例作用的增强，静态误差减小，响应速度加快，但超调量减小，响应速度加快，但超调量减小，响应速度加快，但超调量减小，响应速度加快，但超调量增加，调节时间也增长，当比例增加，调节时间也增长，当比例增加，调节时间也增长，当比例增加，调节时间也增长，当比例系数增大到一定值时，系统将出系数增大到一定值时，系统将出系数增大到一定值时，系统将出系数增大到一定值时，系统将出现不稳定闭环极点现不稳定闭环极点现不稳定闭环极点现不稳定闭环极点P控制算例 单位负反馈控制系统的开环传递函数为单位负反馈控制系统的开环传递函数为 ，采用，采用PDPD控制控制 ，观察当比例系数取值为，观察当比例系数取值为2 2，微分时间常数分别，微分时间常数分别为为0,0.9,30,0.9,3时系统的阶跃响应。时系统的阶跃响应。黄色黄色线对应比例系数比例系数为2，微分系数，微分系数为0时的的阶跃响响应紫色紫色线对应比例系数比例系数为2，微分系数，微分系数为0.9时的的阶跃响响应青色青色线对应比例系数比例系数为2，微分系数，微分系数为3时的的阶跃响响应随着微分作用的增强，系随着微分作用的增强，系随着微分作用的增强，系随着微分作用的增强，系统的超调量减小，系统的统的超调量减小，系统的统的超调量减小，系统的统的超调量减小，系统的阻尼程度提高，相对平稳阻尼程度提高，相对平稳阻尼程度提高，相对平稳阻尼程度提高，相对平稳性变好，调整时间缩短，性变好，调整时间缩短，性变好，调整时间缩短，性变好，调整时间缩短，快速性变好快速性变好快速性变好快速性变好PI控制算例pp 连续连续PIDPID控制算例控制算例开环传递函数：开环传递函数：原系统原系统PIPI控制控制PIDPID控制控制PI控制器：比例系数控制器：比例系数Kp=3.1815、积分分时间常数常数Ti=1.345PID控制器：比例系数控制器：比例系数Kp=4.7787、积分分时间常常数数Ti=0.807、微分、微分时间常数常数Td=0.269PID PID 参数整定是控制系统设计的核心内容参数整定是控制系统设计的核心内容Matlab/SimulinkMatlab/SimulinkPID控制算例pp 连续连续PIDPID控制算例控制算例开环传递函数：开环传递函数：原系统原系统PIPI控制控制PIDPID控制控制PI控制器：比例系数控制器：比例系数Kp=3.1815、积分分时间常数常数Ti=1.345PID控制器：比例系数控制器：比例系数Kp=4.7787、积分分时间常常数数Ti=0.807、微分、微分时间常数常数Td=0.269PID PID 参数整定是控制系统设计的核心内容参数整定是控制系统设计的核心内容Matlab/SimulinkMatlab/Simulink