计算机控制策略ppt培训课件

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1、第5章 计算机控制策略,关于计算机控制系统控制策略的研究应该说是计算机控制技术研究的核心问题之一，随着计算机技术、自动控制技术、信息技术的飞速发展和学科之间的交叉和融合，许多新型的控制策略不断出现。,5.1 PID 控制算法,PID调节器之所以经久不衰，主要有以下优点。1. 技术成熟 2. 易被人们熟悉和掌握 3. 不需要建立数学模型 4. 控制效果好,PID控制器（亦称为PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。其特点是原理简单、易于实现、适用面广等。,我们不是简单地将模拟PID 算法数字化，我们利用计算机的逻辑判断和运算功能，使PID 控制更加灵活，以满足各种生产过程的要求。利用计算机

2、还可以实现一些复杂的控制算法。,5.1.1 PID控制规律的特点,图5-1 连续生产过程PID控制系统框图,比例控制器（Proportional）,比例控制器是最简单控制器，其控制规律为,比例控制器对于偏差是即时反应的，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。比例控制器虽然简单快速，但对于具有自平衡性（即系统阶跃响应终值为一有限值）的被控对象存在静差。加大比例系数可以减小静差，但当过大时，会使动态性能变差，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。,比例积分控制器（PI）,为了消除在比例控制中存在的静差，可在比例控制的基础上加上积分控制作用，构

3、成比例积分控制器，其控制规律为（5.3）其中 称为积分时间。图5-3显示PI控制器对阶跃响应的波形。,从响应波形可以看出，PI控制器对偏差作用有两个部分：一是按比例变化的成分；另一个是带有累积的成分（即呈一定斜率变化的部分），这就是积分控制部分的作用。只要偏差存在，积分将起作用，将偏差累积对控制量产生影响，并使偏差减小，直至偏差为零，积分作用才会停止。因此，加入积分环节将有助于消除系统的静差，改善系统的稳态性能。,比例积分微分控制器（PID）,PID控制器的控制规律为（5.4）式中 称为微分时间。理想的PID控制器对偏差阶跃变化的响应如图5-4所示，它在偏差变化的瞬间 处有一个冲击式的瞬态响应

4、，这就是由微分环节引起的。,微分对偏差的任何变化都产生控制作用，以调整系统的输出，阻止偏差的变化。偏差变化越快，控制量就越大，反馈校正量就越大。故微分作用的加入将有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定。微分作用可以加快系统的动作速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。,5.1.2 数字PID控制算法,在工业过程控制中，模拟PID控制器有电动、气动、液动等多种类型。这类模拟调节仪表是用硬件来实现PID控制规律的。那么将计算机引入控制领域，我们可以利用计算机软件来实现PID控制算法，它不仅可以实现模拟调节仪表的功能，而且可以延伸出更多的灵活的控制算法，我们统称为数字PID 控制。,在连续生

5、产过程控制系统中，通常采用如图5-1所示的PID控制。其对应的传递函数表达式为：（5.6）对应的控制算法表达式为：（5.7）其中， 为比例增益， 为积分时间常数， 为微分时间常数， 为控制量， 为被控量与给定量的偏差。,为了便于计算机实现PID算法，我们必须将式5.2改写为离散（采样）式，则可以将积分运算利用部分和代替，微分运算用差分方程表示。即：（5.8）（5.9）其中， 为采样周期， 为采样周期的序号（ ）， 和 分别为第 和第 个采样周期时的偏差。,将式（5.8）和式（5.9）代入式（5.7）可得相应的差分方程：（5.10）其中 为第 个采样时刻的控制量。如果采样周期 与被控对象时间常数

6、比较相对较小，那么这种近似是合理的，并与连续控制的效果接近。,1. 位置型算法模拟调节器的调节动作是连续的，任何瞬间的输出控制量都对应于执行机构（如调节阀）的位置。由式（5.10）可知，数字控制器的输出控制量也和阀门位置对应，故称此式为位置型算式（简称位置式）。相应的算法流程框图如图5-5(见课本)。,2增量型算法根据式（5.5）我们不难得到第 个采样周期时刻的控制量 ，即（5.11）将式（5.10）与式（5.11）相减，可以得到第个采样时刻控制量的增量，（5.12）,由于式（5.12）中， 对应于第 个采样时刻阀门位置的增量，故称此式为增量型算式。因此第 个采样时刻实际控制量为 （5.13）

7、 为了编写程序方便，我们将式（5.12）改写为（5.14） 其中,增量型仅仅是算法设计上的改进，它并没有改变位置型算法的本质。即它仍然反映执行机构的位置开度。如果我们希望输出控制量的增量，则必须采用具有保持位置功能的执行机构。例如：采用步进电机作为执行机构，可以将输出变换成驱动脉冲，驱动步进电机从历史位置正转或反转若干的角度，这相当于式（5.13）的功能。这种控制方式在系统出现故障或系统切换时，引起的冲击较小，对系统执行机构的磨损小。,5.1.3 数字PID控制算法的改进,1针对微分作用的改进PID控制中，微分作用是扩大稳定域，改善系统动态性能，因此一般不要轻易去掉微分作用。采用计算机控制我们

8、可以很方便地得到理想微分作用，但实践表明，理想微分的效果并不理想。尤其是对于具有高频扰动的生产过程，若微分作用过于灵敏，容易引起控制过程振荡。另外，计算机控制系统中，计算机对每个控制回路输出的时间都很短暂，而驱动执行机构动作需要一定的时间，如果输出较大，执行机构还没有达到预期的开度，输出将会失真。,(1)带微分限制环节的PID控制由于理想微分项不能克服高频扰动，通常在计算机控制系统中利用一个一阶惯性加微分作用代替理想微分项。这种改进有两种形式，控制器结构如图5-7所示。,图5-7 实际微分PID控制器框图,(2)针对给定值突变的微分项变形为了避免伴随给定值的阶跃变化而引起系统操作量剧烈变化，通

9、常采用以下变形，以减少控制量频繁变化。（5.27）将式（5.27）代入增量式（5.12）中的微分项，得到（5.28）,在式（5.28）中，第一项是与给定值变化相关的，第二项是与输出值变化相关的，显然，当给定值频繁变化时，引起微分项输出频繁变化的是第一项，如果将这一项去掉，那么就可以很好地抑制控制量输出的频繁变化。有些参考书上也将这种方案称为微分先行算法，即微分作用不是对偏差，而是仅对输出信号进行微分，可以起缓冲滤波作用，避免执行机构在给定量发生突变时产生剧烈冲击。,2针对积分作用的改进,（1）抗积分饱和在自动控制系统中，当给定值突变、负载突变或系统启动和停机时，会使系统的偏差较大，在积分项的作

10、用下，往往会产生较大的超调，并出现长时间的波动。这不是自动控制所希望看到的。,让我们一起来分析一下产生超调的原因：当系统出现较大偏差时，通过位置型PID算法，计算机得到的控制量会急剧增大或减小，以致超过了D/A转换器所能表示的数的范围，从而使执行机构工作在极限状态（例如：调节阀的全开或全关）。,此时虽然PID计算得到的控制量在不断变化，但由于执行机构已经处于极限状态，所以不会出现相应动作，从而使控制作用减缓，这样就会使偏差在更长的时间内保持正值，因而积分项有较大的累积值。当输出量超过给定值后，偏差开始变为负值，但由于积分累计值很大，需要经过相当的一段时间才能使执行机构离开极限位置。这样使控制效

11、果变得缓慢。,遇限削弱积分法的基本思想是一旦控制量进入饱和区 ，则停止进行增大积分的运算。具体方法：在计算控制量时，先判断一下上一个采样时刻的控制量是否已经超出限制范围，如果已经超出限制范围，就根据偏差的符号，判断系统的输出是否已进入超调区域，由此决定是否将相应的偏差计入积分项。即若， 则只累加负偏差；若， 则只累加正偏差。这样可以避免控制量长时间停留在饱和区。,（2）积分分离控制在前面的分析中，可以知道，当系统有较大的扰动或给定值有大幅度改变时，积分作用会对系统的动态性能造成影响，特别是对具有大滞后的被控对象，如:对温度、成分等的控制系统，这种现象更为严重。为此，我们介绍解决积分饱和问题的另

12、一种方法积分分离措施，其主要思想是当偏差较大时，取消积分作用；当偏差较小时，使用积分作用。当 时，采用P或PD控制；当 时，采用PI或PID控制。,（3）消除积分不灵敏区在PID数字控制器增量式（5.12）或式（5.14）中，积分作用的输出为（5.29）由于计算机字长的限制，当运算结果小于字长所能表示的精度时，计算机就作为“零”将此数丢掉。从式（5.29）可知，当计算机的运算字长较短、控制系统采样周期T较短、积分时间常数较长时，就会出现 小于字长所能表示的精度而丢失，此时就没有积分作用，称为积分不灵敏区。,5.1.4 PID参数的整定,所谓PID控制器参数整定，实质上是通过调整 ， ， ，使控

13、制器的特性与被控过程的特性相匹配，以满足某种反映控制系统质量的性能指标。与模拟PID控制器不同的是，数字PID控制的参数整定，除了需要确定 ， ， 外，还需要确定系统的采样周期。因为数字PID的控制品质不仅取决于被控对象的动态特性和PID参数，而且与采样周期的大小有关。,1采样周期的确定根据香农定理，对一个具有有限频谱的连续信号进行采样，如果采样频率大于或等于信号所含最高频率的两倍，则对信号进行采样所得的一连串采样信号可以完全复现原来的信号。即 （5.32）式中 为采样角频率； 为信号最高角频率。所以由式（5.32）得到采样周期的上限值为 （5.33）,采样定理没有给出采样周期的下限值，但这并

14、不意味采样周期选得越小越好。因为采样周期越小，计算机的计算负担越重，不利于充分发挥计算机的功能；另外采样周期太小，两次采样的偏差变化不大，数字控制器的输出值变化很小，控制作用也不明显。实际上，通常按一定的原则，结合使用经验来选择采样周期T。所以采样周期的选取应该在这样的区间里：,表5-1 数字PID控制系统采样周期选择参考,2按简易工程整定法整定参数,（1）扩充临界比例度法 选择一个足够短的采样周期。具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。 用选定的采样周期使系统工作。这时，数字控制器去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐渐减小比例度，直到系统发生持续等幅振荡。记下

15、使系统发生振荡的临界比例度 及系统的临界振荡周期 。选择控制度。所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将数字控制系统的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积 表示。,根据选定的控制度，查表5-2，求得 、 、 、 的值。,（2）扩充响应曲线法数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图5-8所示。在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间，被控对象时间常数以及它们的比值 。由求得的和 以及它们的 ，查表5-3，即可得数字控制器的 、 、 及采样周期。,表5-3 按扩充响应曲线法整定参数,5.2 数字控制器的直接设计,前一节讨论模拟PID调节器的数字设计方法，也称为数字控制器的间接设计方法，因为它是立足于连续系统的设计，并在计算机上采用数字模拟的方法实现，其优点是可以充分运用工程设计者熟悉的各种连续系统的设计方法和经验。,