微型计算机控制技术第6章 数字控制器的模拟化设计.ppt

第6章数字控制器的模拟化设计
概述
PID控制及作用
PID算法的数字实现及程序设计
PID算法的改进
PID参数的整定方法
概述
计算机控制系统用数字调节器来代替模拟调节器。
调节过程如下:
被控参数采样,模拟量转换成数字量;
计算机运行控制算法进行处理;
运算结果转换成模拟量输出,通过执行机构进行控制。
A/D
计算机
D/A
被控对象
测量元件
图6-1 计算机控制系统
计算机控制系统的优点
(1)一机多用。
(2)控制算法灵活,便于在线修改控制方案。
(3)可靠性高。
(4)可改变调节品质,提高产品的产量和质量。
数字调节器的常用控制方法
(1)程序控制和顺序控制
(2)PID控制
(3)直接数字控制
(4)最优控制
(5)模糊控制
PID控制及作用
PID——比例Proportional、积分Integral、微分Differential。
PID调节的实质:对输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系进行运算,其运算结果用以输出控制。
模拟式PID调节器控制系统框图如下所示。
P
I
u(t)
被控对象
D
图6-2 PID控制系统框图
+
+
+
+
_
r(t)
e(t)
c(t)
比例调节器(P)
比例积分调节器(PI)
比例积分微分调节器(PID)
PID控制及作用
比例调节器(P)
控制规律:
图6-3所示,比例调节器即时、成比例地对偏差e作出响应,即偏差一旦产生,调节器立即产生成比例的控制作用。
比例作用的强弱取决于比例系数Kp的大小。
t
t
KPe
e(t)
u(t)
u0
t0
t0
1
图6-3 P调节器的阶跃响应
特点:控制简单,反应快;可能存在静差。
增大Kp可以减小静差,但Kp值过大会引起闭环振荡,导致系统不稳定。理论上,无穷大Kp值消除静差。
比例积分调节器(PI)
积分调节的主要目的是消除静差。
控制规律为:
t
t
KP
e(t)
u(t)
u0
t0
t0
1
TI
KP
图6-4 PI调节器的阶跃响应
如图6-4所示。
PI调节器对偏差的阶跃响应有两部分:比例部分;积分累积部分。
只要偏差不为零,则积分环节就累积输出,以减小偏差,直至使偏差为零。
积分作用取决于积分时间常数TI 。TI 大,则积分作用弱,反之则强。
积分作用会减慢响应速度。
比例积分微分调节器(PID)
微分调节作用是按偏差变化的趋势进行控制,使偏差消灭于萌芽状态。
PID调节器的控制规律:
左图所示。在偏差e阶跃变化的瞬间t=t0处,其响应有一冲击式尖脉冲,由微分环节引起。
它对偏差的任何变化都产生一控制作用ud,以调整系统输出,阻止偏差的变化。偏差变化越快,ud越大,反馈校正量则越大。
加入微分作用有助于减小超调,加快系统的响应速度,减小调整时间,从而改善系统的动态性能。
t
t
KP
e(t)
u(t)
u0
t0
t0
1
TI
KP
图6-5 PID调节器的阶跃响应
PID算法的数字实现及程序设计
在计算机控制系统中,控制规律的实现是由计算机软件完成的,系统中数字控制器的设计实际上是计算机算法的设计。
本节主要讨论PID调节规律的数字实现方法及程序设计。