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1、,微型计算机控制技术,授课老师：陈良,第1部分 PID控制综述第2部分 PID算法的数字化第3部分 PID控制的实际问题第4部分 改进型PID第5部分 PID参数整定,PID控制概述,模拟PID算法,PID控制概述,模拟PID算法,PID控制概述,PID是最常用的反馈控制率。90%以上的工业控制回路是PID，其中最常用的是PI.PID的反馈控制率基于偏差的，过去值(I)当前值(P)未来值(D),PID控制 The future of PID controlK.J.strm,PID控制概述,技术成熟 易被人们熟悉和掌握不需要建立数学模型控制效果好,PID控制之所以经久不衰，主要有以下优点。,PI
2、D算法的数字化,计算机控制采用数字PID控制算法需要离散化模拟PID算式,引入采样周期T,PID算法的数字化,采样周期,控制周期,香农采样定理采样信号XS(t)唯一地复原信号X(t)的最低采样频率必须满足,PID算法的数字化,数字PID-位置型,数字PID-增量式,PID算法的数字化,增量式PID的优点最常用的数字PID,编程简单，占用内存小 误动作影响小 易于实现手动/自动无扰动切换 有利于抑制积分饱和现象,数字PID控制的实际问题,数字PID在实际应用中，有些具体问题亟待解决。,正、反作用问题（具体问题具体分析）积分饱和问题 限位问题 手自动无扰动切换问题,数字PID控制的实际问题,手自动
3、无扰动切换的定义,背景：控制器的手动操作功能是必不可少的。在自动控制系统投运时，往往先进行手动操作，待系统基本稳定后再切换为自动运行，当自动控制失灵后，必须切换到手动操作。通过控制器的手动/自动双向切换开关，可以方便地进行手自动切换，并要求在切换过程中不带来额外的扰动,数字PID控制的实际问题,积分饱和现象,积分作用,数字PID控制的实际问题,积分饱和的解决办法,遇限消弱积分 有效偏差法 增量式PID 积分分离法等等,数字PID控制的实际问题,遇限削弱积分,数字PID控制的实际问题,有效偏差法：积分时采用有效偏差，而非实际偏差。,逆推有效偏差的方法,PID算法的改进,积分分离的PID（慢过程：
4、温度、液位）,积分的作用：消除余差,-A,+A,PID算法的改进,积分分离的PID,PID算法的改进,积分分离的PID,PID算法的改进,变速积分PID,基本思想：改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应：偏差越大，积分越慢；偏差越小，积分越快。,PID算法的改进,变速积分PID的优点,用比例作用消除大偏差，用积分作用消除余差，有助于消除积分饱和现象 减小超调，改善控制品质 适用范围广,PID算法的改进,变速积分PID,-A,+A,积分分离PID：切除积分作用变速积分PID：减小积分作用,积分分离PID：加入积分作用变速积分PID：增大积分作用,对比积分分离与变速积分PID：积分分离采用“
5、开关”控制；变速积分属于线性控制，因而后者调节品质更好,PID算法的改进,不完全微分PID,微分的缺点：当有阶跃信号输入时，微分项急剧增加，引起系统振荡甚至不稳定,PID算法的改进,不完全微分PID,PID算法的改进,不完全微分PID(优点P245),PID算法的改进,微分先行PID（测量值微分）,目的：避免因给定值变化导致超调量过大、调节阀动作剧烈只对测量值(被控量)进行微分,而不对偏差微分,也即对给定值无微分作用。,PID算法的改进,微分先行PID（测量值微分）,U(s),Y(s),R(s),微分作用,PID算法的改进,微分先行PID（测量值微分）,标准增量式PID的微分作用改进后的微分作
6、用,PID算法的改进,带死区的PID,在控制过程要求平稳的场合，为了避免控制动作过于频繁，消除由此引起的振荡，可以人为的设置一个不灵敏区B，即带死区的PID控制。,PID算法的改进,带死区的PID,带死区的PID控制本质是非线性控制,PID参数整定,PID参数整定的方法,比例系数积分系数微分系数,PID参数整定,PID参数整定（tuning）的方法,凑试法（优选法）临界比例度法 响应曲线法 4:1衰减曲线法 基于继电反馈控制 基于模式识别 基于专家系统,搜索 PID参数自整定 获得约 52,300 条结果,PID参数整定,凑试法（经验法）,增大比例系数KP一般将加快系统的响应，使系统的稳定性变
7、差减小积分时间Ti(即增大Ki),将使系统的稳定性变差，使有助于消除余差。增大微分时间Td，将使系统的响应加快，但使系统稳定性变差。,PID参数整定,凑试法整定步骤实行先比例，后积分，最后微分的整定步骤,1.首先将比例系数由小变大，直到得到反应较快，超调较小的响应曲线。若系统余差小，可采用纯比例控制。2.如果有较大余差，则要加入积分作用。积分时间从大变小，同时调整比例增益，使系统保持良好的动态性能。3.若使用PI控制仍达不到满意的效果，则可加入微分环节。在整定时，微分时间从小变大，相应调整比例增益和积分时间，逐步试凑，以得到满意的动态性能。,PID参数整定,KP=2.85,KP=1.85,PI
8、D参数整定,KP=2.4,KP=2.4 Ti=2,KP=2.4 Ti=1,PID参数整定,KP=2.4 Ti=1 Td=0.25,KP=2.4 Ti=1 Td=0.4,PID参数整定,PID整定口诀:参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4比1,PID参数整定,优选法（经验法）,先把其他参数固定，然后用0.618法对其中某一个参数进行优选，待选出最佳参数后
9、，再换另一个参数进行优选，直到把所有的参数优选完毕为止。最后根据T、KP、TI、TD诸参数优选的结果取一组最佳值即可。,PID参数整定,临界比例法（稳定边界法）,用纯比例控制，给定值r作阶跃扰动，从较大比例开始，逐渐减小，直到被控变量出现临界振荡为止，记下临界周期Tu和临界比例Ku，按以下经验公式计算KP、Ti和Td。,Tu,PID参数整定,临界比例法（稳定边界法）根据Ziegler和Nichols提出的经验规则表来整定PID参数，因此该方法又称为Ziegler-Nichols整定法，简称Z-N法,PID参数整定,4:1衰减振荡法,Tu,该方法仍然先采用纯比例闭环控制，在系统稳定后逐步减小比例
10、度，作给定值阶跃响应，观察过渡曲线，直至衰减比为4。记下衰减周期Tu和相应的比例度Ku，按以下经验公式计算KP、Ti和Td。,PID参数整定,4:1衰减振荡法参数整定经验规则,该方法的优点：过程无需做临界稳定振荡,PID参数整定,响应曲线法,在系统处于开环情况下，首先做被控对象的阶跃()曲线，从该曲线上求得对象的纯滞后时间、时间常数和放大系数K。然后在按表中经验公式计算KP、Ti和Td。,PID参数整定,响应曲线法参数整定规则表,PID参数整定,基于继电反馈控制的PID参数自整定核心思想来源于Ziegler-Nichols整定法,用具有继电特性的非线性环节代替Z-N法中的纯比例控制，是系统产生
11、稳定极限环振荡。K.J.strm等人提出,PID参数整定,基于继电反馈控制的PID参数自整定,整定的步骤：人工控制使系统稳定按下整定开关，切入继电器控制求取临界振荡周期，与极限环幅值，根据Z-N法计算PID参数切回PID控制,PID参数整定,基于继电反馈控制的PID参数自整定的优点,实现PID参数的一键整定,基于继电反馈控制的PID参数自整定的缺点,假设被控对象模型为一阶+纯滞后，对于时间常数较大的过程，整定过程漫长高频干扰会对采样值带来误差，影响Ku，Tu的精度,没有一种整定方法是万能的！,PID参数整定,基于模式识别的PID自整定方法,PID参数整定,基于模式识别的PID自整定方法,波形特
12、征：衰减振荡，欠调,响应曲线欠调，说明应减小Ti；在欠调的同时有振荡现象，虽然暂时振荡不太强烈，但由于Ti 减小后会增强振荡作用，因此要同时减小Kp,PID参数整定,PID参数自整定的商业软件,Foxboro的EXACT（760/761/762）控制器采用模式识别技术加上专家规则进行参数的整定；Yokogawa公司的UT系列控制器采用极限环法进行参数的整定；Honeywell 公司的UDC系列控制器采用阶跃响应分析和整定规则库来调整控制参数。国内比较著名的有中国科学技术大学自动化系研究的ATLoop PID自动整定软件包。,PID参数整定,大作业2：PID参数整定软件,开发一个单回路PID参数自整定软件 掌握单回路控制系统整定的方法 了解PID参数对控制品质的影响规律 可采用任何PID参数整定方法开发 具有图形界面（建议通过Matlab-GUI来实现）,3人一组，软件+设计报告（4页）,PID参数整定,大作业2：PID参数整定,PID参数整定,大作业3：,1人一组，课程报告（6-8页）,整定以下的控制系统，撰写报告，内容包括 系统分析，所采用的整定方法 整定结果 研究系统时滞对性能的影响,PID参数整定,大作业3：,
