5.4数字控制装置设计.ppt

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1、沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4数字控制装置设计数字控制装置设计演讲：范鹏翔指导：于 金12/21/20221沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学1、名词解释模拟量模拟量：在时间上或数值上都是连续的物理量称为模拟量，一般模拟量输入输出分别用AI/AO表示。模拟量指控制系统量的大小是一个在一定范围内变化的连续数值，比如温度，从0-100度，压力从0-10MPA，液位从1-5米，电动阀门的开度从0-100%，等等，这些量都是模拟量。数字量数字量：数字量是物理量的一种。一类物理量的变化在时间上和数量上都是离散的。它们的变化在时间上是不

2、连续的，总是发生在一系列离散的瞬间。同时，它们的数值大小和每次的增减变化都是某一个最小数量单位的整数倍，而小于这个最小数量单位的数值没有任何物理意义。这一类物理量叫做数字量。前前 沿沿12/21/20222沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学前前 沿沿 自动化控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，以驱动执行器，达到自动控制的目的。在传统的模拟控制系统中，控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，而在计算机控制系统中，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上，这种通过程序实现

3、对被控对象的控制和调节，称做数字调节。2、原理介绍12/21/20223沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学3、用数字控制器代替模拟调节器的原因1）模拟调节器调节能力有限，数字控制器则能实现复杂）模拟调节器调节能力有限，数字控制器则能实现复杂 控制规律；控制规律；3）数字控制器具有灵活性，通过改变控制程序可以实现）数字控制器具有灵活性，通过改变控制程序可以实现控制参数和控制方式的修改；控制参数和控制方式的修改；4）计算机除实现数字控制外，还能实现监控、数据采集、）计算机除实现数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等功能。数字显示等功能。2）计算机具有分时控制能

4、力，可实现多回路控制；）计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制；前前 沿沿12/21/20224沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学4、数字控制器的设计方法分类数字控制器数字控制器D(z)的设计方法的设计方法连续设计法连续设计法（间接设计法）（间接设计法）W域频率特性法域频率特性法Z域根轨迹法域根轨迹法离散设计法离散设计法（直接设计法）（直接设计法）解析设计法解析设计法前前 言言这种方法是一种直接数字设计方法，这种方法是一种直接数字设计方法，不仅更具有一般性，而且稳定性好、不仅更具有一般性，而且稳定性好、精度高。相对而言有时称为精确法。精度高。相对而言有时称为精确

5、法。需要注意的是，该法的精确性仅限于需要注意的是，该法的精确性仅限于线性范围内以及采样点上才成立。线性范围内以及采样点上才成立。将计算机控制系统近似的看成模拟系统，将计算机控制系统近似的看成模拟系统，用连续系统的理论来进行动态分析和设计，用连续系统的理论来进行动态分析和设计，再将计算结果转变成数字计算机的控制算再将计算结果转变成数字计算机的控制算法。一般用拉氏变换来进行分析。法。一般用拉氏变换来进行分析。12/21/20225沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4.1数字控制器的连续设计法数字控制器的连续设计法5.4.2数字控制器数字控制器D(z)在计算机系统中

6、的实现方法在计算机系统中的实现方法5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计5.4数字控制装置设计数字控制装置设计5.4.4 PID数字控制器参数的整定数字控制器参数的整定12/21/20226沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学 是被控对象的传递函数，H0(s)是零阶保持器，是数字控制器。设计问题是：根据已知的系统性能指标和来设计数字控制器。5.4.1数字控制器的连续设计法数字控制器的连续设计法 连续化设计的基本思想连续化设计的基本思想D(s)当系统采样频率足够高时，系统特性接近连续变化的拟系统，当系统采样频率足够高时，系统特性接近连续变化的拟系统，因而可

7、以忽略采样器和保持器，将整个系统看成是连续变化因而可以忽略采样器和保持器，将整个系统看成是连续变化的模拟系统，从而用的模拟系统，从而用s域的方法设计校正域的方法设计校正D(s)，在使用，在使用s域到域到z域的域的离散方法求得离散传递函数离散方法求得离散传递函数D（z）12/21/20227沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4.1数字控制器的连续设计法数字控制器的连续设计法连连续续设设计计法法的的步步骤骤设计假想的连续控制器设计假想的连续控制器D（s）将将D(s)离散化为离散化为D(z)设计由计算机实现的控制算法设计由计算机实现的控制算法控制系统性能检验控制系统

8、性能检验实验验证实验验证搞定搞定NN12/21/20228沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学零极点匹配法零极点匹配法保持器等价法保持器等价法z变换法变换法(脉冲响应不变法脉冲响应不变法)向后差法向后差法向前差法向前差法双线性变换法双线性变换法及修正双线性变换法及修正双线性变换法5.4.1数字控制器的连续设计数字控制器的连续设计等效离散等效离散D(z)D(s)离散化方法离散化方法(2)连续控制器的离散化方法连续控制器的离散化方法数值积分法数值积分法12/21/20229沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学各种离散方法的选择依据各种离散方法

9、的选择依据 最常用的表征控制器特性的主要指标最常用的表征控制器特性的主要指标：零极点个数；系统的频带；稳态增益；零极点个数；系统的频带；稳态增益；相位及增益裕度；阶跃响应或脉冲响应形状；相位及增益裕度；阶跃响应或脉冲响应形状；频率响应特性。频率响应特性。5.4.1数字控制器的连续设计数字控制器的连续设计12/21/202210沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学n3.匹配Z变换法：n2.双线性变换法：n1.向后差分法：5.4.1数字控制器的连续设计数字控制器的连续设计主要离散公式主要离散公式（5-1）（5-2）（5-3）（5-4）12/21/202211沈阳航空航天

10、大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学实质：将连续域中的微分实质：将连续域中的微分 用一阶向后差分替换用一阶向后差分替换 做做z变换，得变换，得 s与与z之间的变换关系之间的变换关系 图图5-3向后差分向后差分(矩形积分矩形积分)法法比较比较1.向后差分法5.4.1数字控制器的连续设计数字控制器的连续设计12/21/202212沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学 （零极点匹配法）：它是从Z域与S域的映射关系出发，将S平面上的零、极点s=a直接映射到z域上的零、极点 ，T为采样周期，此映射关系可表示为n匹配Z变换这种映射关系还应保证映射前后的增益相同n

11、映射后 ，（当 ）n即n这种离散方法应对于具有因式分解形式的传递函数时最好2.匹配Z变化法5.4.1数字控制器的连续设计数字控制器的连续设计12/21/202213沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学实质：将梯形面积实质：将梯形面积近似代替积分近似代替积分进行进行z变换，得变换，得 s与与z之间的变换关系之间的变换关系 比较比较图图5-9 梯形积分法梯形积分法3.双线性变换法（突斯汀-Tustin变换法）5.4.1数字控制器的连续设计数字控制器的连续设计12/21/202214沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学 用微机实现数字控制算法的

12、基本思想是把D(z)再次变换为差分方程，然后利用计算机软件或数字硬件加以实现，虽然用软件和硬件都能实现数字控制器D(z)，但在一般几点一体化产品应用中，软件实现D(z)具有简单易行、调整控制算法灵活、可以使产品具有更多柔性特点，所以得到较多采用。5.4.2数字控制器数字控制器D(z)在计算机系统中的实现方法在计算机系统中的实现方法12/21/202215沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4.2数字控制器数字控制器D(z)在计算机系统中的实现方法在计算机系统中的实现方法1、直接程序设计法、直接程序设计法2、串行程序设计法、串行程序设计法3、并行程序设计法、并行程

13、序设计法12/21/202216沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学经上式可求出可以看出，每计算一次 ，要进行 次数据传递，因为本次采样周期内输出的计算值 ，下一次采样周期就变为 。同理 将变为 E(k-1)，所以其余的 和 都要进行递推一次，变成E(k-j-1)和U(k-j-1)，以便下一个采样周期用。5.4.2数字控制器数字控制器D(z)在计算机系统中的实现方法在计算机系统中的实现方法1、直接程序设计法、直接程序设计法（5-5）数字控制器D(z)可表示为把上式进行反z变换，写成左式差分方程形式12/21/202217沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大

14、学沈阳航空航天大学2、串行程序设计法、串行程序设计法数字控制器的串行程序设计数字控制器的串行程序设计5.4.2数字控制器数字控制器D(z)在计算机系统中的实现方法在计算机系统中的实现方法窜行程序设计也叫迭代程序设计法。如果数字控制器的传递函数D(z)中的零点、极点均已知的情况下，则D(z)可以写成如下形式则根据控制理论可知这种形式是传递函数串联的方式，其方块图如下12/21/202218沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学这种计算这种计算 的方法叫做串行程序设计法。的方法叫做串行程序设计法。它每算一次它每算一次 需要进行（需要进行（m+n）次加）次加减法、（减法、（

15、m+n+1）此乘法和）此乘法和n次数据传送。次数据传送。需要传递的有需要传递的有 、共共n个数据个数据首先计算反拉氏变换反拉氏变换5.4.2数字控制器数字控制器D(z)在计算机系统中的实现方法在计算机系统中的实现方法（5-6）由由12/21/202219沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4.2数字控制器数字控制器D(z)在计算机系统中的实现方法在计算机系统中的实现方法3、并行程序设计法、并行程序设计法并行程序设计每计算一次并行程序设计每计算一次U ，就要进行（，就要进行（2n-1）次加减法、）次加减法、2n次乘法次乘法和（和（n+1）次数据传送。）次数据传送。

16、1、就计算效率而言，穿行程序设计法最佳。、就计算效率而言，穿行程序设计法最佳。2、直接程序设计法具有独特的优点是、直接程序设计法具有独特的优点是:在求在求！#￥%&*（）（）。3、串行法和并行法法在高阶数字控制器设计时，可以简化程序设计，、串行法和并行法法在高阶数字控制器设计时，可以简化程序设计，只要设计出一阶或二阶的只要设计出一阶或二阶的D(z)子程序，通过反复调用子程序即可实现子程序，通过反复调用子程序即可实现D(z)。这样设计程序占用内存少，容易读，调试方便。但又因串和并行。这样设计程序占用内存少，容易读，调试方便。但又因串和并行法需要把高阶函数分解成一阶或二阶的环节，因此也有一定的弊端

17、。法需要把高阶函数分解成一阶或二阶的环节，因此也有一定的弊端。4、当、当D(z)表较复杂，且不易分解时，或不可分解，此时直接成学程序表较复杂，且不易分解时，或不可分解，此时直接成学程序设计法最有优势。设计法最有优势。4、以上三种求数字控制器、以上三种求数字控制器D(z)输出差分方程方法的比较输出差分方程方法的比较12/21/202220沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计按反馈控制系统偏差的比例按反馈控制系统偏差的比例(proportional)、积分、积分(integral)和微分和微分(differential)

18、规律进行控制的调节器，简规律进行控制的调节器，简称为称为PID调节器。调节器。调节器输出信号；调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差；调节器的比例系数；调节器的积分时间；调节器的微分时间。（5-7）1、PID控制器的离散化控制器的离散化12/21/202221沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学把（5-8）、（5-9）代入（5-7）得离散的PID表达式5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计计算机是采样控制，其只能根据采样时刻的偏差来计算空置量。因此，在计计算机是采样控制，其只能根据采样时刻的偏差来计算空置量。因此，在计算机控制系统中，必须先对式（算机

19、控制系统中，必须先对式（5-7）进行离散化处理，用数字形式的差分）进行离散化处理，用数字形式的差分方程来代替连续的微分方程。此时积分与微分项可用求和及增量表示。方程来代替连续的微分方程。此时积分与微分项可用求和及增量表示。（5-8）（5-9）（5-10）采样周期；采样周期；第第K次采样时的偏差值；次采样时的偏差值；第（第（k-1）时的偏差值）时的偏差值 ；采样序号采样序号 ；第第k此采样调节器的输出；此采样调节器的输出；微分项微分项积分项积分项比例项比例项12/21/202222沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计

20、P、I、D三项可组合使用，也可分别单独使用（微分作用一般不单三项可组合使用，也可分别单独使用（微分作用一般不单独使用），常用的组合有独使用），常用的组合有P控制、控制、PI控制、控制、PD控制、控制、PID控制。控制。2、各种控制器组合算法及适用场合介绍、各种控制器组合算法及适用场合介绍数字数字P控制算法控制算法PI控制算法控制算法数字数字PID控制算法控制算法数字数字PD控制算法控制算法a、位置型、位置型PID的位置控制算法的位置控制算法b、增量型、增量型PID控制算法控制算法c、速度型、速度型PID控制算法（了解就行）控制算法（了解就行）12/21/202223沈阳航空航天大学沈阳航空航天

21、大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计数字数字P控制算法控制算法根据控制理论可知，在没有积分环节的系统中采用比例控制，对于阶跃输入根据控制理论可知，在没有积分环节的系统中采用比例控制，对于阶跃输入的系统响应具有恒值稳态误差（静差），且误差值随的系统响应具有恒值稳态误差（静差），且误差值随Kp的增大而变小，但应的增大而变小，但应注意注意Kp过大时会引起系统振荡，影响稳定性。若系统中包含有一个以上的积过大时会引起系统振荡，影响稳定性。若系统中包含有一个以上的积分环节时，采用比例控制可使系统节约响应误差为零。分环节时，采用比例控制可使系统节约响应误差为

22、零。PI控制算控制算法法在控制算法中引入积分项有利于消除稳态误差，在机电伺服控制中在控制算法中引入积分项有利于消除稳态误差，在机电伺服控制中管饭采用的就是管饭采用的就是PI控制。但积分作用导致控制器相位滞后，每增加控制。但积分作用导致控制器相位滞后，每增加一个积分环节像位滞后一个积分环节像位滞后90，对系统的稳定性有影响。积分作用还，对系统的稳定性有影响。积分作用还存在着几分饱和的问题，即当系统输入给定值产生大幅度变化时，存在着几分饱和的问题，即当系统输入给定值产生大幅度变化时，在较长时间内误差在较长时间内误差e(t)保持相同符号，使得积分项有较大的积累值，保持相同符号，使得积分项有较大的积累

23、值，造成系统输出在达到给定值后仍需要继续变化，再经过相当一段时造成系统输出在达到给定值后仍需要继续变化，再经过相当一段时间才能回到正常控制状态。它有赖于控制算法的改进。间才能回到正常控制状态。它有赖于控制算法的改进。（5-11）（5-12）12/21/202224沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学微分的作用是根据偏差的变化趋进行控制，有利于改善高阶系统的微分的作用是根据偏差的变化趋进行控制，有利于改善高阶系统的品质，同时产生相位超前，每引入一个微分环节，相位就超前品质，同时产生相位超前，每引入一个微分环节，相位就超前90，有利于改进稳定性。但微分作用对噪声信号非常

24、敏感，存在有较大有利于改进稳定性。但微分作用对噪声信号非常敏感，存在有较大噪声影响的系统一般不采用，或在引入微分作用时先对输入信号进噪声影响的系统一般不采用，或在引入微分作用时先对输入信号进行滤波。另外，微分作用常随偏差发生阶跃变化，引起执行机构的行滤波。另外，微分作用常随偏差发生阶跃变化，引起执行机构的剧烈动作，也许注意。剧烈动作，也许注意。它称作完全微分它称作完全微分PID控制控制,式式(5-10)是基本的控制公式，因为该式的输出量是基本的控制公式，因为该式的输出量与执行机构位置相对应，故被称为与执行机构位置相对应，故被称为位置型位置型PID的位置控制算法的位置控制算法。但因。但因(5-1

25、0)式计算繁琐，需要调用的参数过多，耗内存，因此有如下改动：式计算繁琐，需要调用的参数过多，耗内存，因此有如下改动：5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计数字数字PD控制算法控制算法数字数字PID控制算法控制算法可递推出（可递推出（k-1）次的）次的PID输出表达式输出表达式（5-13）（5-14）数字数字PID控制算法控制算法12/21/202225沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计用式用式(5-14)减去式减去式(5-10)可得：可得：（5-15）从式（从式（5-15）可看出，要计算第）可看出，要计

26、算第k次输出值次输出值P(k)，只需要知道，只需要知道P(k-1)、E(k)、E(k-1)、E(k-2)。在很多控制系统中，机构是采用步进电机、伺服电机或。在很多控制系统中，机构是采用步进电机、伺服电机或多圈电位器进行控制的，所以，只需要给一个增量即可，由（多圈电位器进行控制的，所以，只需要给一个增量即可，由（5-15）式可得）式可得到：到：（5-16）式中，式中，同式（同式（5-15）式（式（5-16）表示第）表示第k次输出地量次输出地量P(k)，等于，等于k次和（次和（k-1）次调节）次调节器的输出差值，即在第（器的输出差值，即在第（k-1）的基础上增加（或减少）的量，所）的基础上增加（或

27、减少）的量，所以式（以式（5-16）叫做增量型叫做增量型PID控制算法控制算法。12/21/202226沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学C、速度型、速度型PID控制算法（了解就行）控制算法（了解就行）（5-16）12/21/202227沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学a 位置式控制b 增量式控制5.4.3 PID数字控制器数字控制器的设计的设计位置与增量数字位置与增量数字PID控制算法实现方式比较控制算法实现方式比较12/21/202228沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学增量型算法具有如下优点增量型

28、算法具有如下优点计算机输出增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；计算机输出增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，即值等于阀门的原始开度，即P(k-1)，才能保证手动，才能保证手动/自动无扰动切换，这将自动无扰动切换，这将给程序设计带来困难。而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的给程序设计带来困难。而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动

29、无扰动切换。在位置控制算式自动无扰动切换。在位置控制算式中，不仅需要对中，不仅需要对E(j)进行累加，而且计算机的任何故障都会引起进行累加，而且计算机的任何故障都会引起P(k)大幅度大幅度变化，对生产产生不利。变化，对生产产生不利。不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计12/21/202229沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学增量型算法不足之处：增量型算法不足之处：积分截断效应大，有静态误差；积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。溢出的影响大。因此，应该根据被控

30、对象的实际情况加以选择。一般为，因此，应该根据被控对象的实际情况加以选择。一般为，在以晶闸管或伺服电机作为执行器件，或对控制精度要求高在以晶闸管或伺服电机作为执行器件，或对控制精度要求高的系统中，应当采用位置型算法，而在以步进电机或多圈电的系统中，应当采用位置型算法，而在以步进电机或多圈电位器做执行器件的系统中，则应采用增量式算法。位器做执行器件的系统中，则应采用增量式算法。5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计12/21/202230沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计4、PID算法的程序设计算法的程序

31、设计一般采用MCS-51汇编语言进行PID程序设计，对于一些大系统，也常采用其它高级语言。程序设计有两种运算方法：定点运算和浮点运算。定点运算速度比较快，但精度低一些；浮点运算精度高，但运算速度比较慢。因此需结合被控对象的特性及系统的控制要求来进行运算方法的选择。一般情况下，当速度要求不高时，可采用浮点运算。如果系统要求速度比较快，则需采用定点运算的方法。但由于大多数被控对象的变化速度与计算机工作速度相比差异甚远，所以用浮点运算一般都可以满足要求。下面主要介绍一下位置型和增量型两种下面主要介绍一下位置型和增量型两种PID控制程序控制程序12/21/202231沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈

32、阳航空航天大学沈阳航空航天大学PID位置型程序设计位置型程序设计返回返回5.4.3 PID数字控制器的设计数字控制器的设计设微分项输出：设微分项输出：得离散化的位置式得离散化的位置式PID编程算式编程算式:微分系数。微分系数。1、位置式、位置式PID算法的程序设计算法的程序设计设比例项输出：设比例项输出：积分系数；积分系数；设积分项输出：设积分项输出：存储带数据区存储带数据区)()()()(kPkPkPkPDIp+=位置式位置式PID程序设计流程图程序设计流程图12/21/202232沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学2、增量型、增量型PID运算控制程序的设计运算

33、控制程序的设计PID增量型程序设计增量型程序设计输入输入y（k）和）和r（k）返回返回12/21/202233沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学 通过调整控制台参数（通过调整控制台参数（Kc、Ti、Td,），），使控制器的特性使控制器的特性与被控过程的特性相匹配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以满足某种反映控制系统质量的性能指标。能指标。5.4.4数字PID参数的整定1 1、参数整定的基本概念、参数整定的基本概念、参数整定的基本概念、参数整定的基本概念12/21/202234沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.

34、4.4数字PID参数的整定表（表（5-1）三参数对控制器性能影响）三参数对控制器性能影响12/21/202235沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学2 2、数字、数字、数字、数字PIDPID的参数整定的参数整定的参数整定的参数整定除了除了Kp、Ti、Td 外，还需要确定系统的采样周期（控制周期）外，还需要确定系统的采样周期（控制周期）TA、理论整定方法：、理论整定方法：依赖于被控对象的数学模型；依赖于被控对象的数学模型；仿真寻优方法仿真寻优方法B、工程整定方法：、工程整定方法：近似的经验方法，不依赖模型。近似的经验方法，不依赖模型。扩充临界比例带法，扩充临界比例带法

35、，扩充响应曲线法扩充响应曲线法5.4.4数字PID参数的整定12/21/202236沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学3、采样周期的选择、采样周期的选择对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取较短的采样周期；对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取较短的采样周期；反之，则长一些。反之，则长一些。过程纯滞后较明显，采样周期可与纯滞后时间大致相等过程纯滞后较明显，采样周期可与纯滞后时间大致相等。5.4.4数字PID参数的整定12/21/202237沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学选取采样周期时应考虑的几个因素选取采样

36、周期时应考虑的几个因素 采样定理采样定理 ，经验公式，经验公式 随动系统和抗干扰的性能，随动系统和抗干扰的性能，T T小些小些 快速系统，快速系统，T T应小应小 考虑执行器的响应速度考虑执行器的响应速度 考虑计算机所承担的工作量及调节器成本，考虑计算机所承担的工作量及调节器成本，T T大大 考虑对象所要求的调节品质考虑对象所要求的调节品质(PID)，T不能取得太小不能取得太小5.4.4数字PID参数的整定12/21/202238沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学PID参数对系统性能的影响加快调节，减少稳加快调节，减少稳态误差态误差作用作用缺点缺点稳定性下降，甚至

37、造成系统的不稳稳定性下降，甚至造成系统的不稳定定因为有误差，积分因为有误差，积分调节就进行，直至调节就进行，直至无差无差.消除稳态误消除稳态误差，提高无差度。差，提高无差度。加入积分调节可使系统稳定加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律分作用常与另两种调节规律结合，组成结合，组成PI调节器或调节器或PID调节器。调节器。反映系统偏差信号变化率，反映系统偏差信号变化率，具有预见性能预见偏差变具有预见性能预见偏差变化的趋势，因此能产生超化的趋势，因此能产生超前的控制作用。可以减少前的控制作用。可以减少超调，减少调节时间。超调，减少调节时间。

38、微分作用微分作用对噪声干扰有放大作用，对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统因此过强的加微分调节，对系统抗干扰抗干扰不利。微分作用不能单独不利。微分作用不能单独使用，需要与另外使用，需要与另外两种调节结合，两种调节结合，组成组成PD或或PID控制控制.45.4.4数字PID参数的整定图像图像12/21/202239沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学1、对于一阶惯性环节，负荷变换不大，工艺要求不高，可采用比、对于一阶惯性环节，负荷变换不大，工艺要求不高，可采用比例控制。例如，压力、液位控制。例控制。例如，压力、液位控制。2、对于一阶惯性环节与纯滞后环节串

39、联的对象，负荷变化不大，、对于一阶惯性环节与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，控制精度要求高，可采用比例积分控制控制精度要求高，可采用比例积分控制3、对于纯滞后较大，负荷变化较大，控制要求高的场合，可采用、对于纯滞后较大，负荷变化较大，控制要求高的场合，可采用比例微分控制，如蒸汽温度控制，比例微分控制，如蒸汽温度控制，PH值控制值控制4、当对象为高阶又有滞后特性时，控制要求高，则采用、当对象为高阶又有滞后特性时，控制要求高，则采用PID控制，控制，并运用多种控制级联手段并运用多种控制级联手段5、控制规律的选择、控制规律的选择5.4.4数字PID参数的整定12/21/202240沈阳航空航天大

40、学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学 它是模拟调节器中使用的临界比例带法（也称稳定边界法）的它是模拟调节器中使用的临界比例带法（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整定的实验经验方法。按该方法整定扩充，是一种闭环整定的实验经验方法。按该方法整定PID参数的步参数的步骤如下：骤如下：（1）选择一个足够短的采样周期）选择一个足够短的采样周期 T 。所谓足够短，具体地说就是。所谓足够短，具体地说就是采样周期选择为对的纯滞后时间的采样周期选择为对的纯滞后时间的1/10以下。以下。（2）将数字）将数字PID控制器设定为纯比例控制，并逐步减小比例带控制器设定为纯比例控制，并逐步减小比例带（），

41、使闭环系统产生临界振荡。此时的比例带和振荡周期称为临界），使闭环系统产生临界振荡。此时的比例带和振荡周期称为临界比例带比例带 和临界振荡周期和临界振荡周期 。5.4.4数字PID参数的整定6、扩充临界比例带法、扩充临界比例带法12/21/202241沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学（3）选定控制度。所谓）选定控制度。所谓控制度控制度，就是以模拟调节器为基准，将就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的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采用评价函数通常采用 （最小的误差平方积分）表示。最小的误差平

42、方积分）表示。控制度控制度=（9-22）实际应用中并不需要计算出两个误差的平方积分，控制度仅表实际应用中并不需要计算出两个误差的平方积分，控制度仅表示控制效果的物理概念。例如，当控制度为示控制效果的物理概念。例如，当控制度为1.05时，就是指时，就是指DDC控制与模拟控制效果基本相同；控制度为控制与模拟控制效果基本相同；控制度为2.0时，是指时，是指DDC控制比模拟控制效果差。控制比模拟控制效果差。（4）根据选定的控制度查表）根据选定的控制度查表5-2，求得，求得 的值。的值。（5）按求得的整定参数投入运行，在投运中观察控制效果，再）按求得的整定参数投入运行，在投运中观察控制效果，再适当调整参

43、数，直到获得满意的控制效果。适当调整参数，直到获得满意的控制效果。5.4.4数字PID参数的整定12/21/202242沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学表表5-2按扩充临界比例带法整定按扩充临界比例带法整定5.4.4数字PID参数的整定12/21/202243沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学 参数整定找最佳，从小到大顺序查参数整定找最佳，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，前高后低理想曲线两个波，前高后低4比比1（扩充响应曲线法）（扩充响应曲线法）一看二调多分析，调节质量不会低一看二调多分析，调节质量不会低5.4.4数字PID参数的整定12/21/202244沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学12/21/202245