2022年2022年计算机控制技术PID .pdf

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1、计算机控制技术论文关于数字 PID 控制的分析摘要：通过本学期计算机控制技术的学习，我了解了计算机控制系统的概念、特点、 分类及发展趋势， 并且初步掌握了计算机控制系统离散化、模拟化设计的一般方法，对于一些复杂的计算机控制系统的设计方法只是简单了解，现就计算机控制系统中有关数字PID 控制器的设计的内容分析一下，其中包括数字PID 的引入背景、具体概念与控制作用、控制器表达式、控制算法、参数整定参数调节及一些现实意义。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠

2、、 调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。关键词：数字PID、比例、积分、微分、控制器参考书目：计算机控制技术引言：PID 控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自20

3、 世纪 30 年代末期出现以来， 在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单， 参数易于调整， 在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。在应用计算机实现控制的系统中，PID 很容易通过编制计算机语言实现。由于软件系统的灵活性，PID 算法可以得到修正和完善，从而使数字PID 具有很大的灵活性和适用性。在实际工业控制中，大多数被控对象通常都有贮能元件存在，这就造成系统对输入作用的响应有一定的惯性。另外， 在能量和信息的传输过程中，由于管

4、道和传输等原因会引入一些时间上的滞后，往往会导致系统的响应变差，甚至不稳定。因此，为了改善系统的调节品质，通常在系统中引入偏差的比例调节，以保证系统的快速性。引入偏差的积分调节以提高控制精度，引入偏差的微分调节来消除系统惯性的影响，这就形成了按偏差PID 调节的系统。一、数字 PID 的具体概念及控制作用PID 控制器（比例 -积分 -微分控制器） ，由比例单元P、积分单元I 和微分单元D 组成。通过 Kp， Ki 和 Kd 三个参数的设定。PID 控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 尽管不同类型的控制器，其结构、 原理各不相同， 但是基本控制规律只有三个：名师资料总结 -

5、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 比例（ P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。如比例（P）控制、比例-积分（ PI）控制、比例-积分 -微分（ PID）控制等。1.比例（ P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比例调节作用： 比例调节是对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，

6、使输出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KP。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在稳态误差。加大比例系数KP 可以减小稳态误差，但是，KP 过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。2.积分（ I）控制：在积分控制中， 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“ 积分项 ” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大

7、， 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到接近于零。 积分调节作用：积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u(k)，从而减小偏差，直到偏差为零。如果积分时间常数TI 大，积分作用弱，反之为强。增大TI将减慢消除稳态误差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。积分作用常与另两种调节规律结合,组成 PI 调节器或 PID 调节器。3.微分（ D）控制：在微分控制中， 控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率） 成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件 （环节）

8、或有滞后组件， 具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“ 超前 ” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“ 比例 ” 项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“ 微分项 ” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分 (PD) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。微分调节作用： 微分作用反映系统偏差信号的变化率 ,具有预见性 ,能预见偏差变化的趋势,

9、因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前 ,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下 ,可以减少超调 ,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节 ,对系统抗干扰不利。 此外 ,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成 PD 或 PID控制器二、数字 PID 控制器的表达式：1.比例调节器：D(z)=Kp 2.比例积分调节器：111)(zKKzDIP名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -

10、- 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 3.比例积分微分控制器：)1 (1)(11zKzKKzDDIP三、数字 PID 控制算法数字 PID 的控制算法主要有两种，一种是位置式当执行机构需要控制量的全值，此时的 PID 控制算法成为位置式PID 算法，此法一般是用于执行装置无记忆功能的场合，如直流电机的电枢电压控制。另一种是增量式当执行机构不需要控制量的全值，而是其增量，由位置式可以导出增量PID 控制算法。任何一种执行机构都存在一个线性工作区。在此线性区内， 它可以线性地跟踪控制信号，而当控制信号过大，超过这个线性区，就进入饱

11、和区或截止区，其特性将变成非线性特性。从而使系统出现过大的超调和持续振荡，动态品质变坏。 为了克服以上两种饱和现象，避免系统的过大超调，使系统具有较好的动态指标，必须使PID 控制器输出的控制信号受到约束，即对标准的PID 控制算法进行改进，并主要是对积分项和微分项的改进。主要有积分分离PID 算法、不完全微分PID 算法、微分先行PID 算法、带死去PID 算法和抗积分饱和PID算法。四、数字 PID 控制器的及参数整定数字 PID 控制器主要参数是KP、TI、TD 和采样周期T。系统的设计任务是选取合适的PID控制器参数使整个系统具有满意的动态特性，并满足稳态误差要求。确定KP、TI 和

12、TD值是一项重要的工作，控制效果的好坏在很大程度上取决于这些参数的选取是否合适。确定这些控制参数可以通过理论分析方法，也可以来用实验方法，特别是系统被控对象模型参数不准时，通过实验方法确定控制器参数较为有效。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进

13、行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有试凑法、扩充临界比例度法、扩充响应曲线法三种。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID 控制器的参数。五、数字 PI

14、D 的参数调节比例系数的调节：比例系数P 的调节范围一般是：0.1-100. 如果增益值取0.1， PID 调节器输出变化为十分之一的偏差值。如果增益值取100， PID 调节器输出变化为一百倍的偏名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 差值。可见该值越大，比例产生的增益作用越大。初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小，再调节积分或微分系数。过大的P 值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的 P 值又会使系统反应

15、迟钝。合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。积分系数的调节：积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。积分时间设为1 秒，则输出变化100% 所需时间为1 秒。初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。微分系数的调节：微分值是偏差值的变化率。例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。大部分控制系统不需要调节微分时间。因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。如果通过比例、 积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。初调时把这个系数

16、设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。六、数字 PID 控制的现实意义目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。PID 控制器可以用来控制任何可以被测量的并且可以被控制变量。比如，它可以用

17、来控制温度，压强，流量，化学成分，速度等等。一些控制系统把数个PID 控制器串联起来，或是链成网络。这样的话，一个主控制器可能会为其他控制输出结果。一个常见的例子是马达的控制。目前，PID 控制及其控制器或智能PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID 控制器产品， 各大公司均开发了具有PID 参数自整定功能的智能调节器，其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。但仍不可否认PID 也有其固有的缺点：PID 在控制非线性、 时变、 耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID 控制器是最简单的有时却是最好的控制器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -