第四章離散PID控制器ppt課件

1、三、離散PID控制器n1. PID控制的基本形式nPID控制實(shí)質(zhì)上是一種誤差控制n時(shí)域：021( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )1:(1)1tpdipidpidddide tu tKe te t dtTTdtE sU sKE sKK sE ssK sKK sU sD sE ssT sKTT ss或者實(shí)用型n其中：Kp，Ki ,Ti，Td分別為：比例系數(shù)、積分系數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)，微分時(shí)間常數(shù)，n 是濾波器時(shí)間常數(shù)，消除高頻的噪聲 n n n分別稱為：比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)dT,dpipdpiTTKKKKKTTn離散化：n實(shí)用型：01111 21()()(

2、) ()() ( )( )( )( )( )(1)(1)(1)( )( )( )1kdpjidpipidTTu kTKe kTe jTe kTe kTTTTT E zz E zE zTE zU zKTzTKzKKzU zD zE zz11( )11, /DpidDddTTzD zKT zT zTTTTTTTT 2. PID控制輸出形成n(1) 位置式 n 缺陷：隱藏全部的歷史數(shù)據(jù)e(kT-jT) n 如有問題，故障擾動(dòng)太大。n(2) 增量式u(kT)= u(kT)- u(kT-T)n =Kpe(kT)+Kie(kT)+Kde(kT)-e(kT-T)0()()()()()kdjiTTu kTK

3、e kTe jTe kTe kTTTT 其中e(kT)=e(kT)-e(kT-T) e(kT-T)=e(kT-T)-e(kT-2T) 誤差的誤差(3) 速度式（目的均衡采樣周期與輸出大小，實(shí)際工程中很少使用）()()u kTv kTT3. PID系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響nPID控制的性能關(guān)鍵在于合理的選擇PID參數(shù)即Kp，Ki，Kdn(1) Kp增大速度 振蕩超調(diào)量穩(wěn)定性 Kp過大振蕩增多，調(diào)節(jié)時(shí)間變長可能出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象n(2) Ki(Ti)引入穩(wěn)定性，速度 Ki太大(Ti太小)系統(tǒng)將不穩(wěn)定，振蕩次數(shù)增多， Ki 太小，對系統(tǒng)性能的影響減小， Ki 消除靜差n(3) Kd合適引入速度，穩(wěn)定性，超調(diào)

4、調(diào)節(jié)時(shí)間縮短nTd過大或過小導(dǎo)致超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間加大4. PID控制器的幾種改進(jìn)形式n(1) 對輸出量微分n(作用，克服輸入突變對系統(tǒng)和輸出量的擾動(dòng)）1:1 0.1ddT sDT s實(shí)用的 r PIuDyn(2) 對偏差微分對給定值和輸出量同時(shí)進(jìn)行微分） r PIuDyn(3) 對輸出量的比例微分 r PDuIy n(4) 不完全微分PID控制1( )11( )( )( )( )( )( )( )fftpdoifGsT sde tu tKe te t dtTTdtdu tu tTu tdt其中 =+_+_( )U t( )U tRC等效差分后解得： 或：()()(1) ()()()(1)(

5、)ffu kTu kTTu kTu kTu kTTu kTTTT n(5) 積分分離的PID控制n 為了避免長時(shí)間的積分，控制量進(jìn)入深度飽和，積分分離的PID控制是一種有效實(shí)用方法000()()() ()()1 | ()| | 0 | ()| | kpeidjeu kTK e kTK Ke jTK e kTe kTTe kTEKe kTEn(6) 帶死區(qū)的PID控制0| ()| |()0 PIDe kTee kT時(shí) 輸出不變5. 微分項(xiàng)的平滑算法n在數(shù)字控制中，微分環(huán)節(jié)對整體系統(tǒng)性能帶來很大的好處，但起動(dòng)和輸入、輸出發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊n如：微分環(huán)節(jié)( )( )() ()()()()()

6、dddU sT sE sTukTe kTe kTTTe kTr kTy kTn當(dāng)起動(dòng)和輸入、輸出變化時(shí),e(kT)與e(kT-T)相差很大。這時(shí)ud(kT)很大；對于慣性較大的系統(tǒng)，經(jīng)過一個(gè)T后，即e(kt+T)與 e(kT)相差很小，這時(shí)ud(k t +T)0。n平滑方法之一：取四點(diǎn)以t0為中心進(jìn)行平滑濾波.n方法： 其中t0=(kT-1.5T)n平滑微分輸出0000()( )()( )()41.50.5( )(2 )( )(3 ) 0.51.5 ()3 ()3 (2 )(3 )6dddTe kTe te kTTe tukTTTe te kTTe te kTTTTTe kTe kTTe kT

7、Te kTTT6. 手動(dòng)到自動(dòng)無擾切換n實(shí)現(xiàn)方法n當(dāng)手動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)已穩(wěn)定，相當(dāng)于tn即z1n所以從 到 的穩(wěn)態(tài)增益為1n當(dāng)處于自動(dòng)時(shí)：n為PI調(diào)節(jié)器，K為手自動(dòng)匹配系數(shù)，為動(dòng)態(tài)常數(shù)，由于積分器的存在，即可以實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。()u kT()u kT11()()1()111 (1)Ke kTu kTKe kTzzz7. 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定n(1) 擴(kuò)充臨界比例度法選擇PID參數(shù)n a. 純比例控制，選擇T調(diào)節(jié)Kpn b. 加大Kp，使系統(tǒng)振蕩，確定臨界振蕩的Ks和振蕩周期Tsn c. 選擇控制度即數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)性能的相當(dāng)程度）n定義：控制度n 為1.05時(shí)數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)性能相當(dāng)nd.

8、 查表確定PID參數(shù)n如 一組值，Kp=0.63Ks，Ti=0.49Ts， n Td=0.14Ts2020minminDAe dte dtn(2) 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法選擇PID參數(shù)na. 確定系統(tǒng)飛升曲線n 其中：為純遲后時(shí)間，n Tm為系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)nb. 確定與Tm ，求出比值nc. 查表決定PID參數(shù)0ty(t)mTmTn(3) PID一參數(shù)的整定法n可以寫成n可以理解成為三次不同時(shí)刻誤差的加權(quán)求和再放大n加權(quán)系統(tǒng)d0，d1，d2有固定關(guān)系012()()()(2 )pu kTKd e kTd e kTTd e kTT0121(12)diddTTdTTTdTTdT n1) 確定Ts，純比例控制

9、臨界振蕩周期， 可以通過實(shí)驗(yàn)或模型仿真求得n2) 可以通過經(jīng)驗(yàn)確定T, Ti , Tdn 如 T =0.1Tsn Ti=0.5Tsn Td=0.125Tsn3) 現(xiàn)場調(diào)整Kp根據(jù)性能指標(biāo)的要求，這種方法也是實(shí)現(xiàn)PID自整定的基礎(chǔ)。n1. 控制原理n 實(shí)際工程系統(tǒng)中大純滯后的現(xiàn)象十分普遍，系統(tǒng)中出現(xiàn)大純滯后對象，系統(tǒng)很難穩(wěn)定，很難實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制指標(biāo)，過去的模擬控制方法也很難解決這一類問題，在數(shù)字控制中也出現(xiàn)了較多的控制算法，Smith預(yù)估器一種常用的方法。四、大純滯后補(bǔ)償控制n大純滯后對象的典型傳遞函數(shù)：n 補(bǔ)償方法：( )( )spH sGs en要使反饋環(huán)節(jié)中真實(shí)反映控制器輸出的情況不產(chǎn)生大

10、的滯后 ，那么 n即將真實(shí)的對象輸出信號(hào)進(jìn)行恰當(dāng)補(bǔ)償后再送入反饋端，便于運(yùn)算控制器合理掌握實(shí)際的控制信息。n便于將補(bǔ)償環(huán)節(jié)控制器中實(shí)現(xiàn)，將其進(jìn)行等效前移。se( )( )( ), ( )( )(1)sspppGs eG sGsG sGse閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖為控制器等效的閉環(huán)傳遞函數(shù)為( )( )( )1( )( )sppD s Gs esD s Gs等效的閉環(huán)系統(tǒng)框圖為從圖中可以看出，在反饋通道中串入了一個(gè)純超前環(huán)節(jié) 的控制系統(tǒng)，即對輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)純超前環(huán)節(jié)形成反饋信號(hào) 后再進(jìn)入調(diào)節(jié)器。 在時(shí)間上超前于輸出信號(hào)，即將要對實(shí)際信號(hào)預(yù)估而產(chǎn)生，使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生超前的控制作用，所以Smith補(bǔ)償器又稱為Smith預(yù)估器。se( )y t( )()y ty t2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)算法(1) 計(jì)算系統(tǒng)的偏差( )( )( )e kr ky k(2) 計(jì)算Smith預(yù)估器的輸出( )y k對于一個(gè)典型的純滯后系統(tǒng)( )( )1sspmKG sGs eeT s為對象的增益；為被控對象的時(shí)間常數(shù)；為純滯后時(shí)間；KmT由于一般的控制系統(tǒng)都是低通特性，可以寫成221111()411sseesss這時(shí)預(yù)估器的等效結(jié)構(gòu)為經(jīng)過Z變換得112( )(1)( )2( )(1)