数字PID控制算法.答案课件

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1、计算机控制系统第5章 数字PID控制算法 5.1 准连续PID控制算法 5.1.1 模拟PID调节器 PID 控控制制表表示示比比例例（Proportional）积积分分（Integral）微微分分（Differential）控控制制。设设PID调调节器如图节器如图51所示，其输入输出关系为所示，其输入输出关系为图5-1 PID调节器方框图(5-1)(5-1) 比例系数比例系数积分时间常数积分时间常数微分时间常数微分时间常数 称为比例控制分量，称为比例控制分量，与与 有关部分为积分控制分量有关部分为积分控制分量与与 有关部分为微分控制分量有关部分为微分控制分量通通过过上上述述各各控控制制分分量

2、量的的线线性性组组合合，可可构构成成比比例例（P）控控制制器器、比比例例积积分分（PI）控控制制器器、比比例例微微分分（PD）控控制制器器、比比例例积积分分微微分分（PID）控控制制器等。器等。5.1.2 基本数字PID控制 在在计计算算机机控控制制系系统统中中，控控制制器器是是每每隔隔一一个个控控制制周周期期进进行行一一次次控控制制量量的的计计算算，并并输输出出到到执执行行机机构构。因因此此，要要实实现现式式(51)的的PID控控制制规规律律，就就要要进进行行时时间间离离散散化化处处理理。设设控控制制周周期期为为 T T，在在控控制制器器的的采采样样时时刻刻时时 t=kT t=kT ，对对偏

3、偏差差、积积分分运运算算和和微微分分运运算算作作如如下下近似变换：近似变换：(5-3)(5-3) 离散离散PIDPID算法算法式式(55)通常称为通常称为位置式位置式PID数字调节器数字调节器。上式中令。上式中令k=k1，则得则得式式(55)减去式减去式(56)，得到，得到增量式增量式PID数字调节器数字调节器(5-4)(5-4) (5-5)(5-5) (5-6)(5-6) (5-7)(5-7) 增增增增量量量量型型型型控控控控制制制制算算算算法法法法与与与与位位位位置置置置型型型型控控控控制制制制算算算算法法法法相相相相比比比比较较较较，具有以下具有以下具有以下具有以下优点优点优点优点增量型

4、控制算法不需要做累加，仅与最近几次误增量型控制算法不需要做累加，仅与最近几次误差采样值有关。差采样值有关。增量型控制算法得出的是控制量的增量，误动作增量型控制算法得出的是控制量的增量，误动作影响小。影响小。易于实现从手动到自动的无扰动切换。易于实现从手动到自动的无扰动切换。在实际控制中，增量型控制算法要比位置型控制算法在实际控制中，增量型控制算法要比位置型控制算法应用得应用得更为广泛更为广泛。MATLAB的语句如下，的语句如下，%(55)PIDdigitalcontrollersigmae=sigmae+ekuk=Kp*ek+Ki*sigmae+Kd*(ekek1)ek1=ek上述程序中，上述

5、程序中，uk=u(k)，ek=e(k)，ek1=e(k1)这里为简单起见，假设各变量都是全局变量，并这里为简单起见，假设各变量都是全局变量，并且在主程序初始化时令初值且在主程序初始化时令初值sigmae=0，ek1=0。5.2 数字PID控制的改进5.2.1 积分项的改进 1. 1. 积分分离积分分离PIDPID算法算法图5-2 标准PID控制的积分作用积积分分分分离离PID算算法法的的基基本本思思想想：在在偏偏差差较较大大时时，暂暂时时取取消消积积分分作作用用；当当偏偏差差小小于于某某个个阈阈值值时时，才才将将积积分分作用投入。作用投入。1)根据实际需要，人为地设定一个根据实际需要，人为地设

6、定一个阈值阈值。2)当当|e(k)|，也也即即偏偏差差值值较较大大时时，采采用用PD控控制制，可避免大的超调，又使系统有较快的响应。可避免大的超调，又使系统有较快的响应。3)当当|e(k)|，也也即即偏偏差差值值较较小小时时，采采用用PID控控制制或或PI控制控制，可保证系统的控制精度。，可保证系统的控制精度。位置型位置型PID算式算式(55)的积分分离形式的积分分离形式(5-9)(5-9) 图5-3 积分分离PID控制算法示意图积分分离积分分离PID控制器控制器SIMULINK仿真仿真标准标准PID 控制器控制器积分分离积分分离PID控制器控制器设计研讨：设计研讨：假设被控对象为请分别设计标

7、准PID 、积分分离PID控制器阈值阈值的取值的取值将会影响控制效果。将会影响控制效果。过大，起不到积分分离的作用；过大，起不到积分分离的作用；过过小小，则则被被控控量量y(k)y(k)无无法法跳跳出出积积分分分分离离区区，也也即即偏偏差差e(k)e(k)一一直直处处于于积积分分控控制制区区域域之之外外。长长期期只只用用P控控制或制或PD控制，将使系统产生静差。控制，将使系统产生静差。变速积分的变速积分的PID算式算式 基本思想是设法改变积分项的累加速度改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应；偏差越大，积分越慢，反之则越快。 变速积分变速积分PID与普通与普通PID相比，具有如下优点相比，

8、具有如下优点:(1) (1) 减减减减小小小小了了了了超超超超调调调调量量量量，不不不不易易易易产产产产生生生生过过过过饱饱饱饱和和和和，可可可可以以以以很很很很容容容容易易易易地地地地使使使使系统稳定，具有系统稳定，具有系统稳定，具有系统稳定，具有自适应自适应自适应自适应能力。能力。能力。能力。(2) (2) 积积积积分分分分分分分分离离离离对对对对积积积积分分分分项项项项采采采采用用用用的的的的是是是是所所所所谓谓谓谓“ “开开开开关关关关” ”控控控控制制制制，而而而而变速积分则是缓慢变化，后者更符合调节的理念。变速积分则是缓慢变化，后者更符合调节的理念。变速积分则是缓慢变化，后者更符合

9、调节的理念。变速积分则是缓慢变化，后者更符合调节的理念。2. 2. 遇限削弱积分遇限削弱积分PIDPID控制算法控制算法 遇遇限限削削弱弱积积分分PIDPID控控制制算算法法的的基基本本思思想想：当当控控制制量量进进入入饱饱和和区区，将将执执行行削削弱弱积积分分项项运运算算而而停停止止进进行行增增大大积积分分项项的的运运算算。因因而而在在计计算算u(k)u(k)时时，先先判判断断u(k-1)u(k-1)是是否已超出控制量的限制范围。否已超出控制量的限制范围。 ，则进行积分项的累加；，则进行积分项的累加； ，则只累加负偏差；，则只累加负偏差； ，则只累加正偏差。，则只累加正偏差。这种算法可以避免

10、控制量长时间停留在饱和区。这种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。5.2.2 微分项的改进 1. 1. 不完全微分不完全微分PIDPID控制算法控制算法微分控制分量为微分控制的特点微分控制分量为微分控制的特点1)控控制制仅仅在在第第一一个个周周期期内内起起作作用用，对对于于时时间间常常数数较较大大的的系系统统，其其调调节节作作用用很很小小，不不能能达达到到超超前前控控制制误误差的目的。差的目的。2)ud(k)的的幅幅值值一一般般较较大大（因因T=-0.001);n=length(pro);if n=1breakend;endstep(syso,0:0.001:3);KmKr =Km=19.2

11、000; 从从图中中测得两峰得两峰值之之间的的间隔周期即隔周期即为临界周界周期期Tr =Tm=2.070.757=1.313s(2) 整定整定Kp、Ti 、Td k=10;z=;p=-1,-3,-5;Go=zpk(z,p,k);G=tf(Go);Km=19.2;Tm=1.313;Kp=0.6*KmTi=0.5*TmTd=0.125*Tms=tf(s);Gc=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);sys=feedback(Gc*G,1);step(sys)扩扩充充临临界界比比例例法法是是以以上上述述模模拟拟控控制制器器的的临临界界比比例例法法为为基基础础的的一一种种数数字字PID控控制制器器

12、参参数数整整定定方方法法。整整定定步步骤如下：骤如下：l l选选择择合合适适的的初初始始采采样样周周期期T0，控控制制器器采采用用纯纯比比例例控制。控制。l l渐渐渐渐改改变变比比例例系系数数，使使控控制制系系统统出出现现临临界界振振荡荡，记录记录Kr和和Tr。 l l选选择择控控制制度度Q，控控制制度度Q的的定定义义是是以以数数字字PID控控制制和和模模拟拟PID控控制制所所对对应应的的过过渡渡过过程程误误差差平平方方的的积积分分之之比比，即即式式中中的的下下标标D和和A分分别别表表示示直直接接数数字字控控制制和和模模拟拟连连续续控控制制。通通常常，当当控控制制度度Q为为1.05时时，就就可

13、可认认为为数数字字控控制制与与模模拟拟控控制制效效果果相相当当；当当控控制制度度Q为为2.0时时，数数字字控控制器较模拟控制器的控制质量差一倍。制器较模拟控制器的控制质量差一倍。(5-22)(5-22) 选择控制度选择控制度Q以后，按表以后，按表53选择选择T、Kp、Ti、Td。 表53 扩充临界比例法确定采样周期及数字控制器参数 控制度Q控制规律 1.05 PI PID 0.03 0.014 0.53 0.63 0.88 0.49 0.14 1.20 PI PID 0.05 0.043 0.49 0.47 0.91 0.47 0.16 1.50 PI PID 0.14 0.09 0.42 0

14、.34 0.99 0.43 0.20 2.00 PI PID 0.22 0.16 0.36 0.27 1.05 0.40 0.222.扩充响应曲线法扩充响应曲线法 在在考考虑虑了了控控制制度度后后，数数字字控控制制器器参参数数的的整整定定中中也也可可以以采采用用类类似似模模拟拟控控制制器器的的响响应应曲曲线线法法，称称为为扩扩充充响响应曲线法。应曲线法。 应应用用该该方方法法时时，需需要要预预先先在在对对象象动动态态响响应应曲曲线线上上求求出出等等效效纯纯滞滞后后时时间间，等等效效惯惯性性时时间间常常数数T Tm m，以以及及它它们的比值们的比值Tm/。其余步骤与扩充临界比例法相似。其余步骤与

15、扩充临界比例法相似。 表表54 扩充响应曲线法确定采样周期及数字控制器参数扩充响应曲线法确定采样周期及数字控制器参数控制度控制规律 1.05 PI PID 0.10 0.05 0.84 1.15 3.40 2.00 0.45 1.20 PI PID 0.20 0.16 0.78 1.00 3.60 1.90 0.55 1.50 PI PID 0.50 0.34 0.68 0.85 3.90 1.62 0.65 2.00 PI PID 0.80 0.60 0.57 0.60 4.20 1.50 0.82例：已知被控对象为请试设计PID控制器校正，并用响应曲线法整定PID控制器的Kp、Ti和Td，

16、绘制系统校正后的单位阶跃响应曲线，记录动态性能指标。解：解：（1）求取被控制对象的动态特性参数）求取被控制对象的动态特性参数K、等效纯滞后时间等效纯滞后时间，等效惯性，等效惯性时间常数时间常数T Tm mnum=10;den=conv(1,1,conv(1,3,1,5);G=tf(num,den);step(G);K=dcgain(G)K=0.6667; 在曲线的拐点处作切线后，得到对象待定参数；等效滞后时间=0.293s，等效时间常数T Tm m =2.24-0.293=1.947snum=10;den=conv(1,1,conv(1,3,1,5);k=0.6667;tao=0.293;Tm

17、=1.947;G=tf(num,den);Kp=1.20*Tm/(k*tao);Ti=2*tao;Td=0.5*tao;s=tf(s);Gc=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);GcG=feedback(Gc*G,1);step(GcG)（2）响应曲线法连续PID参数整定：控制器类型比例度%比例系数Kp积分时间Ti微分时间TdPK/TmT/K0PI1.1K/Tm0.9T/K/0.30PID0.85K/Tm1.2T/K20.5（3）数字）数字PID控制器控制器按照控制度和控制规律确定按照控制度和控制规律确定PID控制器参数控制器参数num=10;den=conv(1,1,conv(1,3,

18、1,5);k=0.6667;tao=0.293;Tm=1.947;G=tf(num,den);T=0.05*taoKp=1.15*(Tm/tao)Ti=2*tao;Td=0.5*tao;Ki=Kp*T/TiKd=Kp*Td/T3.归一参数整定法归一参数整定法 在在数数字字PID控控制制中中，要要整整定定四四个个参参数数T T、K Kp p、T Ti i、T Td d，为为了了减减少少在在线线整整定定参参数数的的数数目目，根根据据大大量量实实际际经经验验的的总总结结，设设定定了了一一些些约约束束条条件件，以以减减少少独独立立变变量量的的个个数数。例例如如取取 式中式中T Tr r是纯比例控制时临

19、界振荡时的振荡周期。是纯比例控制时临界振荡时的振荡周期。(5-24)(5-24) 只只有有一一个个参参数数K Kp p需需要要整整定定，使使得得问题明显得到简化。问题明显得到简化。 (5-25)(5-25) 4.凑试法确定凑试法确定PID参数参数 在在凑凑试试时时，可可参参考考小小节节所所述述的的PIDPID参参数数对对控控制制过过程程的的影影响响趋趋势势，对对参参数数实实行行下下述述先先比比例例，后后积积分分，再再微分微分的整定步骤。其具体步骤如下。的整定步骤。其具体步骤如下。 1) 1) 首首先先只只整整定定比比例例部部分分。先先将将Ki、Kd设设为为0 0，逐逐渐渐加加大大比比例例参参数

20、数Kp（或或先先取取大大，然然后后用用0.6180.618黄黄金金分分割割法法选选择择Kp）观观察察系系统统的的响响应应，直直到到反反应应快快、超超调调小小的的响响应应曲曲线线。如如果果系系统统没没有有静静差差或或静静差差很很小小已已小小到到允允许许的的范范围围内内，且且响响应应曲曲线线已已属属满满意意，则则只只须须用用比比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。例调节器即可，最优比例系数可由此确定。 2)如如果果在在比比例例调调节节的的基基础础上上系系统统的的静静差差不不能能满满足足设设计计要要求求，则则须须加加入入积积分分环环节节。同同样样Ki先先选选小小，然然后后逐逐渐渐加加大大（或或先先

21、取取大大，然然后后用用0.618黄黄金金分分割割法法选选择择Ki），使使在在保保持持系系统统良良好好动动态态性性能能的的情情况况下下，静静差差得得到到消消除除，得得到到较较满满意意的的响响应应曲曲线线。在在此此过过程程中中，可可根根据据响响应应曲曲线线的的好好坏坏反反复复改改变变比比例例系系数数与与积积分分系系数数，以以期得到满意的控制过程与整定参数。期得到满意的控制过程与整定参数。 3)若若使使用用比比例例积积分分调调节节器器消消除除了了静静差差，但但动动态态过过程程经经反反复复调调整整仍仍不不能能满满意意，则则可可加加入入微微分分环环节节，构构成成比比例例积积分分微微分分调调节节器器。这这

22、时时可可以以加加大大Kd以以提提高高响响应应速速度度，减减少少超超调调；但但对对于于干干扰扰较较敏敏感感的的系系统统，则则要要谨谨慎慎，加加大大Kd可可能能反反而而加加大大系系统统的的超超调调量量。在在整整定定时时，可可先先置置微微分分系系数数Kd为为零零，在在第第二二步步整整定定的的基基础础上上增增大大Kd，同同时时相相应应地地改改变变比比例例系系数数和和积积分分系系数数，逐逐步步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。5.3.4 PID控制参数的自整定法 大大多多数数生生产产过过程程是是非非线线性性的的，因因此此，调调节节器器参参数数与与系系统统所所处处

23、的的稳稳态态工工况况有有关关。显显然然，工工况况改改变变时时，调调节器参数的节器参数的“最佳最佳”值不同值不同 此此外外，大大多多数数生生产产过过程程的的特特性性还还随随时时间间而而变变化化。一般来说，过程特性的变化将导致调节性能的恶化。一般来说，过程特性的变化将导致调节性能的恶化。 上述两点都意味着需要上述两点都意味着需要适时地适时地调整调节器参数。调整调节器参数。 变变参参数数PIDPID控控制制器器、自自适适应应PID控控制制器器、变变结结构构PIDPID控制器、智能控制器、智能PIDPID控制器控制器 参参数数自自整整定定技技术术的的本本质质是是设设法法辨辨识识出出过过程程的的特特性性

24、，然后按照某种规律进行参数整定然后按照某种规律进行参数整定1.自校正调节器自校正调节器 由由递递推推式式参参数数估估计计器器和和调调节节器器参参数数调调整整机机构构两两部部分组成分组成图5-12 自校正调节器 控控制制器器的的输输出出信信号号与与辨辨识识信信号号发发生生器器的的输输出出信信号号一一起起送送给给被被控控对对象象，在在线线辨辨识识出出对对象象的的模模型型（参参数数），然然后后再再根根据据模模型型参参数数及及所所需需的的控控制制性性能能指指标标计计算算出出相相应的控制器参数。假定对象为一阶线性模型应的控制器参数。假定对象为一阶线性模型 然然后后，利利用用调调节节量量及及被被调调量量的

25、的测测量量值值，应应用用最最小小二二乘乘估估计计法法对对被被控控对对象象参参数数K K、T T和和值值进进行行估估计计。一一旦旦求求出出对对象象参参数数K K、T T和和值值，调调整整机机构构就就能能按按照照既既定定的的整整定定规规则则（根根据据规规定定的的闭闭环环系系统统性性能能指指标标建建立立的的对对象象参参数数与与调调节节器器参参数数的的“最最佳佳”值值间间的的关关系系），求求出出调节器参数调节器参数“最佳最佳”值，修改调节器参数。值，修改调节器参数。(5-26)(5-26) 自自校校正正调调节节器器需需要要相相当当多多的的被被控控对对象象的的先先验验知知识识，特特别别是是有有关关对对象

26、象时时间间常常数数的的数数量量级级，以以便便选选择择合合适适的的采采样样周周期期或或数数字字滤滤波波器器的的时时间间常常数数。另另外外，从从系系统统的的稳稳定定性性、响响应应速速度度、超超调调量量和和稳稳态态精精度度等等方方面面来来考考虑虑，各参数在自整定过程中的不同阶段应是变化的。各参数在自整定过程中的不同阶段应是变化的。2.极限环法（继电型自整定）极限环法（继电型自整定） 极极限限环环法法的的基基本本思思想想是是，在在控控制制系系统统中中设设置置测测试试模式和控制模式两种模式：模式和控制模式两种模式： 在在测测试试模模式式下下，用用一一个个滞滞环环宽宽度度为为h h，幅幅值值为为d d的的

27、继继电电器器代代替替控控制制器器，利利用用其其非非线线性性，使使系系统统处处于于等等幅幅振振荡荡（极极限限环环）。测测取取系系统统的的振振荡荡周周期期和和振振幅幅，以以便便能利用临界比例法的经验公式；能利用临界比例法的经验公式； 在在控控制制模模式式下下，控控制制器器使使用用整整定定后后的的参参数数，对对系系统统的的动动态态性性能能进进行行调调节节。如如果果对对象象特特性性发发生生变变化化，可可重重新新进进入入测测试试模模式式，再再进进行行测测试试，以以求求得得新新的的整整定定参参数。数。图5-13 继电型PID自整定控制结构a)继电特性 b)继电型PID自整定控制结构 整定步骤如下：整定步骤

28、如下： 1) 1) 在在控控制制模模式式下下，通通过过人人工工控控制制使使系系统统进进入入稳稳定定状状态态，然然后后将将整整定定开开关关S S拨拨向向测测试试模模式式，接接通通继继电电器，使系统处于等幅振荡。器，使系统处于等幅振荡。 2) 2) 测出振荡幅度测出振荡幅度A和振荡周期和振荡周期Tr，并根据公式，并根据公式 求求出出临临界界比比例例度度K。“比比例例度度”是是工工业业控控制制界界的的术语，为术语，为PIDPID调节器的比例系数的倒数调节器的比例系数的倒数。这里。这里(5-27)(5-27) 3)与与扩扩充充临临界界比比例例法法一一样样，根根据据Tr和和Kr值值，利利用表用表53中的

29、经验公式，求出控制器的各整定参数。中的经验公式，求出控制器的各整定参数。 继继电电型型自自整整定定方方法法简简单单、可可靠靠，需需要要预预先先设设定定的的参参数数是是继继电电特特性性的的参参数数h h、d d。该该方方法法的的缺缺点点是是，被被控控对对象象须须能能在在开开关关信信号号作作用用下下产产生生等等幅幅振振荡荡，从从而而限限制制了了其其使使用用范范围围。另另外外，对对一一些些干干扰扰因因素素多多且且较较复复杂杂的的系统，则要求振荡幅度足够大。系统，则要求振荡幅度足够大。5.4 数字PID控制器的工程实现 数数字字PID控控制制器器的的工工程程实实现现可可分分为为六六个个部部分分：给给定

30、定值值处处理理、被被控控量量处处理理、偏偏差差处处理理、控控制制算算法法实实现现、控制量处理以及自动手动切换控制量处理以及自动手动切换，如图，如图514所示。所示。图5-14 数字PID控制器模块5.4.1 给定值处理 给给定定值值处处理理包包括括选选择择给给定定值值SVSV和和给给定定值值变变化化率率限限制制SRSR两两部部分分，如如图图5-155-15所所示示。图图中中的的CL/CRCL/CR为为选选择择内内给给定定状状态态或或外外给给定定状状态态的的软软开开关关；CAS/SCCCAS/SCC为为选选择择串串级控制或级控制或SCCSCC两级控制的软开关。两级控制的软开关。 图5-15 给定

31、值处理 1. 1. 内给定状态内给定状态 当当软软开开关关CL/CRCL/CR切切向向CLCL位位置置时时，为为内内给给定定状状态态。这这时时选选择择操操作作员员设设置置的的给给定定值值SVLSVL，系系统统处处于于单单回回路路控控制制的的内内给给定定状状态态。利利用用在在回回路路操操作作显显示示器器上上或或屏屏幕幕操操作作画画面面上上的的给给定定值值按按键键可可以以根根据据需需要要随随时时改改变变给给定定值。值。 2. 2. 外给定状态外给定状态 当当软软开开关关CL/CRCL/CR切切向向CRCR位位置置时时，给给定定值值来来自自于于上上位位机机、主主回回路路或或运运算算模模块块，系系统统

32、处处于于外外给给定定状状态态。可可以实现以下两种控制方式：以实现以下两种控制方式： (1) (1) SCCSCC控控制制 当当软软开开关关CAS/SCCCAS/SCC切切向向SCCSCC位位置置时时，控控制制器器接接收收上上位位机机给给出出的的给给定定值值SVSSVS，以以实实现现SCCSCC二二级级控制。控制。 (2) (2) 串串级级控控制制 当当软软开开关关CAS/SCCCAS/SCC切切向向CASCAS位位置置时时，控制器的给定值控制器的给定值SVCSVC由主回路的调节模块给出。由主回路的调节模块给出。 3. 3. 给定值变化率的限制给定值变化率的限制 给给定定值值的的突突变变会会对对

33、控控制制系系统统产产生生大大的的扰扰动动，使使比比例例、微微分分发发生生饱饱和和。为为实实现现平平稳稳控控制制，需需对对给给定定值值的的变变化化率率SRSR加加以以限限制制。SRSR的的选选取取应应适适当当，太太小小会会使使响响应应变慢，过大则达不到限制的目的。变慢，过大则达不到限制的目的。 综综上上所所述述，给给定定值值处处理理部部分分共共有有3 3个个输输入入量量（SVLSVL、SVCSVC、SVSSVS），2 2个个开开关关量量（CL/CRCL/CR、CAS/SCCCAS/SCC），1 1个个变变化化率率（SRSR）。为为了了让让控控制制算算法法程程序序调调用用这这些些量量，需需要要给给

34、每每个个回回路路的的控控制制模模块块供供一一段段内内存存数数据据区区，用用于于存存放放以上变量。存放的格式如图以上变量。存放的格式如图5-165-16所示所示图5-16 给定值处理数据区5.4.2 被控量处理 对于被控量的处理主要是出于对于被控量的处理主要是出于安全考虑的上下限安全考虑的上下限报警报警，其原理如图，其原理如图517所示。所示。图5-17 被控量处理 设设上上限限值值为为PH，上上限限报报警警状状态态为为PHA；下下限限值值为为PL，下限报警状态为，下限报警状态为PLA，被控量为，被控量为PV，则，则 当当PVPH时，时，PHA为为“1”； 当当PVDL，则则偏偏差差报报警警状状

35、态态DLA为为“1”。 3. 非线性特性非线性特性 非非线线性性特特性性可可设设置置非非线线性性增增益益K，非非线线性性区区A至至A，如如图图519所所示示，其其目目的的是是为为了了实实现现非非线线性性PID控制或带死区的控制或带死区的PID控制。控制。图5-19 非线性特性 当当=时时，则则为为带死区的带死区的PID控制；控制； 当当1时时，则则为非线性为非线性PID控制；控制； 当当K=1时时，正正常常的的PID控制。控制。 4.输入补偿输入补偿 输输入入补补偿偿的的方方式式ICM决决定定了了偏偏差差DVC与与输输入入补补偿量偿量ICV之间的关系。之间的关系。 当当 ICM=0， 表表 示

36、示 不不 考考 虑虑 输输 入入 补补 偿偿 ， 即即CDV=DVC： 当当ICM=1，表表示示加加补补偿偿，此此时时CDV=DVCICV； 当当ICM=2，表表示示减减补补偿偿，此此时时CDV=DVCICV； 当当ICM=3，表示置换补偿，此时，表示置换补偿，此时CDV=ICV。5.4.4 PID计算 控控制制策策略略的的实实现现指指的的是是在在自自动动状状态态下下，由由前前面面得得到到的的偏偏差差，根根据据各各种种控控制制算算法法的的差差分分方方程程计计算算出出控控制制量量，并并进进行行上上、下下限限限限幅幅。以以PIDPID控控制制算算法法为为例例，当当图图5-205-20中中的的软软开

37、开关关DV/PVDV/PV切切向向DVDV位位置置时时，选选用用偏偏差差微微分分方方式式；当当切切向向PVPV位位置置时时，则则选选用测量值（被控量）微分方式。用测量值（被控量）微分方式。 图5-20 PID计算5.4.5 控制量处理 在在实实际际输输出出由由PID计计算算得得到到的的控控制制量量之之前前，一一般般还还要要经经过过如如图图521所所示示的的控控制制量量处处理，以扩展控制功能，实现理，以扩展控制功能，实现安全平稳操作安全平稳操作。图5-21 控制量处理 1.输出补偿输出补偿 由由输输出出补补偿偿方方式式OCM的的状状态态，决决定定控控制制量与输出补偿量与输出补偿OCV之间的关系：

38、之间的关系： 当当OCM=0，表示无输出补偿，表示无输出补偿， 当当OCM=1，表示加补偿，表示加补偿， 当当OCM=2，表示减补偿，表示减补偿， 当当OCM=3，表示置换补偿，表示置换补偿， 2.变化率限制变化率限制 MR的的设设置置是是为为了了限限制制控控制制量量变变化化率率，使使生生产产过过程程平平稳稳操操作作。MR应应选选取取得得适适中中，过过小小会使操作减缓，过大则达不到限制的目的。会使操作减缓，过大则达不到限制的目的。 3.输出保持输出保持 当当软软开开关关FH/NH切切向向NH位位置置时时，现现时时刻刻的的控控制制量量u(k)u(k)等等于于前前一一采采样样时时刻刻的的控控制制量

39、量u(k-1)u(k-1),也也即即输输出出控控制制量量保保持持不不变变；当当软软开开关关FH/NH切切向向FH位位置置时时，即即为为正正常常输输出出方方式式。软软开开关关FH/NH的的状状态态一一般般来来自自系系统统的的安安全全报报警开关。警开关。 4.安全输出安全输出 当当软软开开关关FS/NS切切向向NS位位置置时时，现现时时刻刻的的控控制制量量等等于于预预置置的的安安全全输输出出量量MS。当当软软开开关关FS/NS切切向向FS位位置置时时，又又恢恢复复正正常常的的输输出出方方式式。软软开开关关FS/NS状状态态一一般般也也来来自自系系统统的的安安全全报警开关。报警开关。 控控制制量量处

40、处理理数数据据区区需需要要存存放放输输出出补补偿偿量量OCV和和补补偿偿方方式式OCM，变变化化率率限限制制值值MR，软软开开关关FH/NH和和FS/NS，安安全全输输出出量量MS，以以及控制量及控制量CMV。5.4.6 自动手动切换 在在控控制制系系统统正正常常运运行行时时，系系统统处处于于自自动动状状态态；而而在在调调试试阶阶段段或或出出现现故故障障时时，系系统统则则处处于于手手动动状状态态。因因此此，一一定定要要有有自自动动/ /手手动动切切换处理功能，其框图如图换处理功能，其框图如图522所示。所示。图5-22 自动手动切换5.4.7 无扰动切换 图5-22 自动手动切换 无无扰扰动动

41、切切换换指指的的是是在在进进行行手手动动到到自自动动或或自自动动到到手手动动的的切切换换之之前前，不不需需要要由由人人工工进进行行手手动动输输出出控控制制信信号号与与自自动动输输出出控控制制信信号号之之间间的的平平衡衡操操作作，就就可可以以保保证证切切换换时时不不会会对对执执行行机机构构的的现现有有位位置置产产生生扰扰动动。为为此此，应应采采取取以以下下措措施施（参参见见图图5-5-2222）: : (1) (1) 手手动动到到自自动动 为为了了实实现现手手动动到到自自动动的的平平衡衡无无扰扰动动切切换换，在在手手动动（SMSM或或HMHM）状状态态下下，尽尽管管并并不不进进行行控控制制算算法

42、法的的运运算算，但但应应在在每每个个采采样样周周期期都都让让存存放放在在给给定定值值数数据据区区的的给给定定值值（CSVCSV）跟跟踪踪存存放放在在被被控控量量数数据据区区的的被被控控量量（CPVCPV），同同时时将将历历史史数数据据如如e(k1)、e(k2)等等清清零零，并并将将u(k1)跟跟踪踪手手动动控控制制量量（MVMV或或VMVM）。这这样样，一一旦旦切切向向自自动动时时，由由于于给给定定值值等等于于被被控控量量，偏偏差差为为零零，而而u(k1)又又等等于于切切换换瞬瞬间间的的手手动动控控制制量量，就就可可保保证证控控制制算算法法的的连连续续性性。当当然然，这这一一切都应有相应的硬件

43、电路配合切都应有相应的硬件电路配合。 (2)自自动动到到手手动动当当从从自自动动（SA或或HA）切切向向软软手手动动（SM）时时，只只要要计计算算机机应应用用程程序序工工作作正正常常，就就能能自自动动保保证证无无扰扰动动切切换换。当当从从自自动动（SA或或HA）切切向向硬硬手手动动（HM）时时，通通过过手手操操器器电电路路也也能能保保证证无无扰动切换。扰动切换。 从从输输出出保保持持状状态态或或安安全全输输出出状状态态切切向向正正常常的的自自动动工工作作状状态态时时，同同样样需需要要进进行行无无扰扰动动切切换换，可可采采取取如上所述的类似措施。如上所述的类似措施。 自自动动手手动动切切换换数数

44、据据区区需需要要存存放放软软手手动动控控制制量量SMV，软软开开关关SA/SM状状态态，控控制制量量上上限限值值MH和和下下限限值值ML，控控制制量量MV，切切换换开开关关HA/HM状状态态，以以及手操器输出及手操器输出VM。5.4.8 PID控制块参数表 完完整整的的PID控控制制模模块块数数据据区区除除了了上上述述各各部部分分外外，还还有有被被控控量量量量程程上上限限RH和和量量程程下下限限RL，工工程程单单位位代代码码、采采样样（控控制制）周周期期等等，如如图图523所所示示。该该数数据据区区是是PID控控制制模模块块存存在在的的标标志志，可可把把它它看看作作是是数数字字PID控控制制器

45、器的的实实体体。只只有有正正确确地地填填写写PID数数据据区区，才能实现才能实现PID控制。控制。 采采用用上上述述数数字字控控制制器器，不不仅仅可可以以组组成成单单回回路路控控制制系系统统，而而且且通通过过增增加加各各种种补补偿偿模模块块和和各各种种功功能能运运算算模模块块的的组组合合，还还可可以以组组成成串串级级、前前馈馈、纯纯滞滞后后补补偿等各种复杂控制系统偿等各种复杂控制系统来满足生产过程控制的需求。来满足生产过程控制的需求。图5-23 PID控制模块数据区 5.5 MATLAB在数字PID控制器设计中的应用 5.5.1 PID控制算法的M文件编写 设单位反馈系统的被控对象为设单位反馈

46、系统的被控对象为 , ,则标准则标准PID控制仿真程序如下：控制仿真程序如下：% PID Controller% PID Controllerclear all;clear all;close all;close all;%PID Controller%PID ControllerG=tf(1,1,3,3,1);G=tf(1,1,3,3,1);Kp=1;Kp=1;Ti=1;Ti=1;Td=0.5;Td=0.5;Gc=tf(Kp*Td,Kp,Kp/Ti,1 0);Gc=tf(Kp*Td,Kp,Kp/Ti,1 0);Gc=feedback(G*Gc,1);Gc=feedback(G*Gc,1);s

47、tep(Gc); step(Gc); 图5-24 PID控制仿真曲线图5-25 PI、PID控制算法仿真曲线5.5.2 利用Simulink设计数字PID控制器 图5-26 积分分离PID控制Simulink框图按照例按照例4-194-19的方法，采用零阶保持器，将对象的方法，采用零阶保持器，将对象 转换成转换成又又令令Ts=1Ts=1。PIDPID参参数数为为：Kp=1.5Kp=1.5、Ki=0.1Ki=0.1、Kd=0.4Kd=0.4，阈阈值值=0.1=0.1（即即图图中中模模块块SwitchSwitch的的阈阈值值），仿仿真真结结果果如如图图5-275-27所所示示，响响应应曲曲线线1 1是是积积分分分分离离PIDPID控控制制的的，而而响响应应曲曲线线2 2则则是是标标准准PIDPID控控制制的，此时模块的，此时模块SwitchSwitch的阈值设为的阈值设为1010，其他参数均不变。，其他参数均不变。 图5-27 积分分离PID控制Simulink仿真曲线第5章完