第六章机电一体化系统的控制技术课件.ppt

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1、第第 6 6 章章 机电一体化系统的机电一体化系统的控制技术控制技术2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技术机电一体化系统的控制技术6.1 常规数字常规数字PID控制算法控制算法6.2 数字数字PID的改进算法的改进算法6.3 数字数字PID参数整定参数整定6.4*机电一体化系统的智能技术机电一体化系统的智能技术思考题思考题与习题与习题2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.1 常规数字常规数字PID控制算法控制

2、算法 6.1.1 PID 控制的基本原理控制的基本原理 6.1.2 数字数字 PID 算法算法 6.1.3 数字数字 PID 控制器的实现控制器的实现 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.1.1 PID 控制的基本原理控制的基本原理v1.比例控制作用比例控制作用 v2.积分控制作用积分控制作用v3.比例积分控制作用比例积分控制作用v4.微分控制作用微分控制作用v5.比例积分微分控制作用比例积分微分控制作用2/5/2023Design of Mechatronical Systems 1.比例控制作用比例控制作用v比例控制比例控制v作用：作用：v能

3、迅速反映误差，从而减小误差，但不能消除稳态误差，比例系数的加大，会引起系统的不稳定。Kp 为控制器的比例系数为控制器的比例系数2/5/2023Design of Mechatronical Systems 1.比例控制作用比例控制作用不能消除稳态误差不能消除稳态误差静差静差2/5/2023Design of Mechatronical Systems 1.比例控制作用比例控制作用v在不同的负荷下，被控参数H 的稳态值是不同的，高负荷对应着较低水位，低负荷对应着较高水位。v比例度2/5/2023Design of Mechatronical Systems 1.比例控制作用比例控制作用v比例度比

4、例度 的物理意义的物理意义v当输出信号作全量程范围变化时，所需输入信号做全量程范围变化的百分数。v也就是说，调节器从全关到全开时，被控参数需要改变全量程范围的百分数为比例度，其表达式为 调节器输出信号调节器输出信号全量程全量程被控参数全量程被控参数全量程2/5/2023Design of Mechatronical Systems 1.比例控制作用比例控制作用图图6.4 比例度对控制过程的影响比例度对控制过程的影响 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 2.积分控制作用积分控制作用v积分作用：积分作用：v积分控制能消除静差，但作用不及时（滞后），波动大

5、（振荡），甚至出现超调现象。KI：积分速度，越大，则积分作用越强。：积分速度，越大，则积分作用越强。TI1/KI：积分时间。：积分时间。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 2.积分控制作用积分控制作用水位偏离给定水位水位偏离给定水位越大越大油缸上下腔压差越大油缸上下腔压差越大调节阀移动速度就调节阀移动速度就越快越快符合积分动作规律符合积分动作规律2/5/2023Design of Mechatronical Systems 2.积分控制作用积分控制作用阀门开度减小阀门开度减小阀门开度增大阀门开度增大H最大最大e最大，最大，B点处，阀门点处，阀门开速开

6、速u(t)最快最快2/5/2023Design of Mechatronical Systems 2.积分控制作用积分控制作用理应关小调节阀，理应关小调节阀，与实际一致与实际一致理应开大调节阀，理应开大调节阀，与实际相反与实际相反导致导致e反向变化加剧反向变化加剧系统振荡超调。系统振荡超调。tu积分能消除稳态误差，积分能消除稳态误差，但其滞后作用也会导致但其滞后作用也会导致振荡，超调增大。振荡，超调增大。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 2.积分控制作用积分控制作用v积分超调的原因：积分超调的原因：v（1）直接原因）直接原因v积分调节器的积分作用不

7、及时，控制过程缓慢，且波动会加大，从而导致系统不易稳定。v（2）根本原因）根本原因v是因为积分控制过程中只考虑被控参数（H）变化的大小和方向，不考虑被控参数（H）变化速度的大小（变化快慢）和方向。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 2.积分控制作用积分控制作用KI 值越大，值越大，积分作用越强积分作用越强TI 值越小，值越小，积分作用越强积分作用越强2/5/2023Design of Mechatronical Systems 2.积分控制作用积分控制作用v比例控制动作及时，但是有静差；v积分控制虽能消除静差，但又容易使控制过程产生振荡，且时间长，被

8、控参数波动幅度也较大。v在实际应用中总是将它们结合起来，取其所长，组成一个以比例控制为主、积分控制为辅（主要用来消除静差）的调节器，这样，既能控制及时，又无静差。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 3.比例积分控制作用比例积分控制作用vPI 控制的动作规律是比例作用和积分作用两者的综合，即 积分时间积分时间TI：因受比例度因受比例度的影响，又称的影响，又称重定时间重定时间，或或再调时间再调时间。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 3.比例积分控制作用比例积分控制作用图图6.10 PI调节器的动态特性调节器的

9、动态特性+t1积分时间积分时间2/5/2023Design of Mechatronical Systems 3.比例积分控制作用比例积分控制作用v如果up=uI，则v e(t)=constv2/5/2023Design of Mechatronical Systems 3.比例积分控制作用比例积分控制作用图图6.11 积分时间对控制过程的影响积分时间对控制过程的影响（a）（b）（c）（d）2/5/2023Design of Mechatronical Systems 3.比例积分控制作用比例积分控制作用v（a）表示）表示 TI 太小，积分作用太强太小，积分作用太强，即消除静态偏差能力强，动态

10、偏差也有所下降，被控参数振荡加剧，稳定性降低。v（b）表示）表示 TI合适合适，经 23 个波后过渡过v程结束。v（c）表示）表示 TI 太大太大，积分作用不明显，消除静态偏差能力弱，过渡过程时间长，动态偏差也增大，但振荡减缓，稳定性提高。v（d）表示）表示 TI，比例积分调节器不起积分作用，这时调节器只起比例调节作用，有静态偏差存在。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 3.比例积分控制作用比例积分控制作用v因积分作用加强也引起振荡，对于滞后大的对象更为明显。因此，调节器的积分时间 TI 应按被控对象的特性来选择，例如，对于管道压力、流量等滞后不大的

11、被控对象，TI 可选得小些；温度被控对象的滞后较大，TI可选得大些。v比例积分调节器兼有比例调节器和积分调节器的优点，因此，得到了广泛的应用。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 4.微分控制作用微分控制作用v4.4.微分控制作用微分控制作用 v微分控制的主要作用是克服被控参数的滞后。为减小滞后，可根据被控参数的变化趋势来进行控制。v有“超前”的作用，因此，能比较有效地改善滞后比较大的被控对象的控制质量。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 4.微分控制作用微分控制作用v微分控制是指调节器的输出与偏差变化速度成

12、正比，简称 D，用数学式表示为 微分时微分时间间2/5/2023Design of Mechatronical Systems 4.微分控制作用微分控制作用v误差v一个阶跃信号v实际微分v，其中比例度为。v理想微分v实际上并不存在2/5/2023Design of Mechatronical Systems 4.微分控制作用微分控制作用T=KDTD-1时间常数时间常数2/5/2023Design of Mechatronical Systems 4.微分控制作用微分控制作用v微分作用的方向总是阻止被控参数的变化，力图使偏差不变。适当加入微分作用，可减小被控参数的动态偏差，有抑制振荡、提高系统稳

13、定性的效果。v但不适当地增加微分作用，会使被控参数产生高频振荡。如果微分作用太弱，就无改善系统控制质量的作用。v微分作用只在动态过程中有效，微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。在系统设计中，往往将微分作用与其他控制作用相结合。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 4.微分控制作用微分控制作用（a）阶跃扰动）阶跃扰动（b）偏差）偏差（c）P控制控制（e）PD控制控制（d）D控制控制（a）TD太大太大（b）TD合适合适（c）TD太小太小（d）TD=02/5/2023Desi

14、gn of Mechatronical Systems 4.微分控制作用微分控制作用vPD 调节器的应用有时也将受到限制，这是因为微分作用只在被控参数发生变化时起作用，而且不允许被控参数的信号中含有干扰成分，因为微分动作对干扰很敏感、反应快，很容易造成调节阀的误动作。v因此，PD 调节器常用于延迟较大的温度调节中。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 5.比例积分微分控制作用比例积分微分控制作用5.比例积分微分控制比例积分微分控制控制量基准，一控制量基准，一般般u0(0)=02/5/2023Design of Mechatronical Systems

15、 5.比例积分微分控制作用比例积分微分控制作用v由 P、I、D 作用的基本原理知：vP 控制作用是对于偏差 e（t）的即时反应，使系统朝着减小偏差的方向变化；vI 控制作用是对偏差 e（t）产生积分累积，使系统消除静差，以求减小偏差，直至偏差为零；vD 控制作用是对偏差 e（t）的变化作出反应，按偏差 e（t）变化趋势进行预测控制，使偏差消灭于萌芽状态之中。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 5.比例积分微分控制作用比例积分微分控制作用（a）偏差）偏差（b）P控制控制（c）I控制控制（d）D控制控制（e）PID控制控制PID控控制制系系统统的的动动态

16、态特特性性 PID控控制制系系统统的的调调节节过过程程 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 5.比例积分微分控制作用比例积分微分控制作用v在 t0时刻，偏差一出现，微分作用立即发生以阻止偏差的变化，比例作用也同时克服偏差，接着积分作用慢慢将残余偏差消除掉。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.1 常规数字常规数字PID控制算法控制算法 6.1.1 PID 控制的基本原理控制的基本原理 6.1.2 数字数字 PID 算法算法 6.1.3 数字数字

17、 PID 控制器的实现控制器的实现 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.1.2 数字数字 PID 算法算法v数字PID位置型控制（6.16）2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.1.2 数字数字 PID 算法算法v数字PID位置型控制示意图vu（k）为全量输出，与过去所有状态有关，它对应于被控对象（如调节阀）每次采样时刻应达到的位置。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.1.2 数字数字 PID 算法算法v数字PID增量型控制（6.17）（6.16）2/5

18、/2023Design of Mechatronical Systems 6.1.2 数字数字 PID 算法算法v数字PID增量型控制v计算u（k），只用到采样时刻 k、k1 和 k2的偏差值 e（k）、e（k1）、e（k2）和向前递推一次的输出值 u（k1），显然，减少了计算机的计算量，从而节省计算机内存和缩短计算时间。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.1.2 数字数字 PID 算法算法v增量型数字 PID控制算法主要有以下优点：v（1）增量型数字 PID控制算法只与最近几次采样的偏差值有关，不需要进行累加，或者说，累加工作由其他元件去完成，

19、故不易产生误差积累，控制效果好。v（2）增量型数字 PID控制算法只输出控制增量，误差动作影响小。v（3）增量型数字 PID控制算法中，没有出现u0项，对于执行机构来说，表示其具有保持作用，故易于实现手动与自动之间的无扰动切换，或能够在切换时平滑过渡。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.1.2 数字数字 PID 算法算法v数字PID控制器的脉冲传递函数形式2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.1 常规数字常规数字PID控制算法控制算法 6.

20、1.1 PID 控制的基本原理控制的基本原理 6.1.2 数字数字 PID 算法算法 6.1.3 数字数字 PID 控制器的实现控制器的实现 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.1.3 数字数字 PID 控制器的实现控制器的实现图图6.19 增量型数字增量型数字PID控制算法流程图控制算法流程图2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技术机电一体化系统的控制技术6.1 常规数字常规数字PID控制算法控制算法6.2 数字数字PID的改进算法的改进算法6.3 数字数字PID参数

21、整定参数整定6.4*机电一体化系统的智能技术机电一体化系统的智能技术思考题思考题与习题与习题2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.2 数字数字PID的改进算法的改进算法 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法 6.2.3 死区非线性数字死区非线性数字PID算法算法 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法v1.积分项的改进算法积分项的改进算法v在常规的位

22、置型数字 PID 算法中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，系统的输出不可能立即跟上输入的变化，系统存在惯性和滞后，在积分项作用下，往往会产生较较大的超调和长时间的波动大的超调和长时间的波动。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法v积分饱和产生原因：v控制器字长的限制。（a）理想情况的控制）理想情况的控制（b）有限制时产生积分饱和）有限制时产生积分饱和退出饱和退出饱和2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法v（1）积分分离法

23、）积分分离法v由于系统积分长期积累积分长期积累，积分项数值很大（若超出字长表达范围，则会饱和），这样导致系统较大超调导致系统较大超调，甚至引起系统振荡。v为避免这种情况，引入逻辑判断功能，使积分项在大偏差时不起作用，而在小偏差时起作用。v这样，即保持了积分作用，又减小了系统超调，改善了系统的性能。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法v积分分离积分分离 PID 算法表达式：算法表达式：2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法图

24、图6.21 积分分离积分分离PID算法积分项处理程序框图算法积分项处理程序框图图图6.22 积分分离法控制积分分离法控制普通普通PID积分分离积分分离PID2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法v（2 2）遇限削弱积分法）遇限削弱积分法v基本思想是：基本思想是：v当控制量进入饱和区后，只执行削弱积分项的运算而不进行增大积分项的累加。tU(k)umaxumin2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法tU(k)umaxumin2/

25、5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法v（3）变速积分的）变速积分的 PID 算法算法（6.16）2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法v变速积分变速积分PIDPID算法与积分项的累加速度与偏差大小相对应，算法与积分项的累加速度与偏差大小相对应，偏差大时积分累加慢，偏差小时积分累加快。以利于尽快偏差大时积分累加慢，偏差小时积分累加快。以利于尽快消除偏差。消除偏差。v当偏差大于（A+B）时，关闭积分器，不再进行累加；v当偏差在 B

26、 和（A+B）这一范围内，适当减弱积分作用，累加部分当前值；v当偏差小于 B 值时，作完全积分，与常规 PID的积分项相同。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法v变速积分 PID算法是一种新型的 PID算法，它使数字 PID积分的性能大大提高，完全可v以消除常规数字 PID算法存在的积分饱和现象，并使超调量大大减小，有很强的适应能力。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法v（4）带死区的）带死区的PID控制算法控制算法v在

27、计算机中人为的设置一个不灵敏死区e0，当偏差的绝对值小于 e0时，其控制输出维持上次的输出；当偏差的绝对值不小于e0 时，则进行正常的PID控制输出。ve0可调，若e0 太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的。若e0 过大，则系统产生很大的滞后。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法带死区的带死区的PID控制系统框图控制系统框图2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.2 数字数字PID的改进算

28、法的改进算法 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法 6.2.3 死区非线性数字死区非线性数字PID算法算法 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法v（1 1）准微分数字）准微分数字PIDPID控制算法控制算法v微分只在误差变化的时间起作用，起作用的时间非常短暂，而执行机构与被控对象由于惯性来不及反应，造成控制质量降低。而且微分对高频干扰对微分很灵敏，即易引起振荡。图图6.25 准微分准微分PID型控制系统框图型控制系统框图 2/5/2023Design o

29、f Mechatronical Systems 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法准微分数字准微分数字 PID位置型算式位置型算式2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法准微分数字准微分数字 PID位置型算式位置型算式准微分数字准微分数字 PID增量型算式增量型算式2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法（a）常规）常规PID控制控制（b）准微分）准微分 PID控制控制2/5/2023Design of Mechatr

30、onical Systems 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法v在第一个采样周期，准微分数字 PID调节器的输出比常规数字 PID调节器的输出小得多。在后来的采样周期里，因为准微分数字PID 调节器仍有微分作用，所以，具有较理想的调节性能。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法v（2 2）微分先行数字）微分先行数字PIDPID控制算法控制算法v对输出量微分，即只对输出量 c（t）微分，不对给定值 r（t）进行微分。v这种微分先行数字 PID 算法适合于给定值频繁升降的场合，可以避免因提降给定值时所

31、引起的超调。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法v图(a)只对输出量微分准微分不完全微分。v图(b)是对e(t)=r(t)-c(t)微分。v偏差微分适用于串级控制的副控回路，因为副控回路的给定值是由主控调节器给定的，所以，也应该对其作微分处理，在副控回路设置偏差微分。（a）输出量微分）输出量微分（b）输出偏差微分）输出偏差微分2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法四点中心差分法构成偏差平均值四点中心差分法构成偏差平均值加权

32、平均，构成近似微分项为：加权平均，构成近似微分项为：消除随机干扰措施消除随机干扰措施PID增量算法增量算法2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.2 数字数字PID的改进算法的改进算法 6.2.1 积分项的改进算法积分项的改进算法 6.2.2 微分项的改进算法微分项的改进算法 6.2.3 死区非线性数字死区非线性数字PID算法算法 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.3 死区非线性数字死区非线性数字PID算法算法v在计算机中人为的设置一个

33、不灵敏死区e0，当偏差的绝对值小于 e0时，其控制输出维持上次的输出；当偏差的绝对值不小于e0 时，则时行正常的PID控制输出。ve0可调，若e0 太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的。若e0 过大，则系统产生很大的滞后。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.2.3 死区非线性数字死区非线性数字PID算法算法带死区的带死区的PID控制系统框图控制系统框图2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技术机电一体化系统的控制技术6.1 常规数字常规数字PID控制算法控制

34、算法6.2 数字数字PID的改进算法的改进算法6.3 数字数字PID参数整定参数整定6.4*机电一体化系统的智能技术机电一体化系统的智能技术思考题思考题与习题与习题2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.3 数字数字PID参数整定参数整定 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择 6.3.2 扩充临界比例度整定法扩充临界比例度整定法 6.3.3 扩充响应曲线整定法扩充响应曲线整定法 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3 数字数字PID参数整

35、定参数整定v确定比例增益 KP、积分时间常数 TI、微分时间常数 TD和采样周期 T，以使系统全面满足各项控制指标，这一过程叫做数字数字数字数字 PIDPIDPIDPID控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定控制器的参数整定。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择v(1)(1)要满足采样定理的要求要满足采样定理的要求2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择v（2 2）系统稳定性的影响。）系统稳定性的影响。v采样周期对系统的稳

36、定性有直接影响，为保证系统稳定性，应满足系统稳定条件下选择最大采样周期值。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择v（3 3）给定值和扰动信号频率的影响。）给定值和扰动信号频率的影响。v如果干扰信号的最高频率已知，作用于系统的扰动信号频率越高，则采样频率也越高、采样周期 T 越小，以使尽快抑制干扰。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择v（4 4）计算机或微处理机精度的影响。）计算机或微处理机精度的影响。v采样周期的选择要考虑计算机或

37、微处理机字长等因素。如果采样周期太小，前后两次采样数值之差有可能由于微处理机精度不高而反映不出来，使积分和微分作用不明显。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择v（5 5）控制回路数的影响。）控制回路数的影响。v控制回路数多时，为了使每个回路的控制算法都有足够的时间完成，则采样周期长；反之，控制回路数少时，采样周期短。多回路控制采样周期应满足 v v式中，N 为回路数；s 为采样时间。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择v（6 6

38、）执行机构的特性。）执行机构的特性。v采样周期的长短要与执行机构的惯性相适应，执行机关的惯性大，则采样周期就要相应的长，否则，也可能由于微处理机精度问题，使积分和微分作用不明显。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择v（7 7）闭环系统的频带范围。）闭环系统的频带范围。v设闭环系统要求的频带为b，则系统采样频率范围为 v s (25 100)b v式中，s 为采样频率。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.

39、3 数字数字PID参数整定参数整定 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择 6.3.2 扩充临界比例度整定法扩充临界比例度整定法 6.3.3 扩充响应曲线整定法扩充响应曲线整定法 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.2 扩充临界比例度整定法扩充临界比例度整定法v整定步骤如下整定步骤如下:v（1 1）选择采样周期）选择采样周期 T T。v首先要合适的采样周期 T。一般采样周期小于被控对象纯滞后时间的十分之一。v（2 2）确定比例度）确定比例度。v若系统采取比例控制，即无积分作用和微分作用，则比例度=1/Kp。2/5/2023Design of

40、 Mechatronical Systems 6.3.2 扩充临界比例度整定法扩充临界比例度整定法v逐渐降低比例度，会使系统产生等幅振荡，相应的振荡周期称为临界振荡周期Tk，则比例度为临界比例度k。记录k和 Tk值，画出扩充临界比例度试验曲线，如图 6.31 所示。图图6.31 扩充临界比例度试验曲线扩充临界比例度试验曲线2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.2 扩充临界比例度整定法扩充临界比例度整定法v（3 3）选择控制度。）选择控制度。v控制度定义为 v控制度仅是表示控制效果的物理概念。一般地，当控制度为 1:1.05 时，数字调节器与模拟

41、调节器的控制效果相当。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.2 扩充临界比例度整定法扩充临界比例度整定法v（4 4）参数整定。）参数整定。v选定控制度后，通过表 6.1 可求得 T、KP、TI和 TD使用扩充临界比例法无需事先知道被控对象的动态特性，就可直接进行参数整定。v（5 5）参数的整定只给出一个参考值，需再经过实际调整，）参数的整定只给出一个参考值，需再经过实际调整，直到获得满意的控制效果为止。直到获得满意的控制效果为止。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.2 扩充临界比例度整定法扩充

42、临界比例度整定法控制度控制规律T/TkKp/KkTi/TkTd/Tk1.05PIPID0.03 0.0140.550.630.880.490.141.2PIPID0.05 0.0430.490.470.910.470.161.50PIPID0.410.090.420.340.990.430.202.0PIPID0.220.160.360.271.050.400.22模拟调节器PIPID0.570.700.830.500.132/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.3 数字数字PID参数整定

43、参数整定 6.3.1 采样周期的选择采样周期的选择 6.3.2 扩充临界比例度整定法扩充临界比例度整定法 6.3.3 扩充响应曲线整定法扩充响应曲线整定法 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.3 扩充响应曲线整定法扩充响应曲线整定法v步骤如下：步骤如下：v断开数字调节器，使系统断开数字调节器，使系统在手动状态下工作。当系统在手动状态下工作。当系统在给定值处达到平衡后，给在给定值处达到平衡后，给一阶跃输入。一阶跃输入。v用仪表记录下被调参数在用仪表记录下被调参数在此阶跃作用下的变化过程曲此阶跃作用下的变化过程曲线（即广义对象的飞升特性线（即广义

44、对象的飞升特性曲线）曲线）,如左图所示。如左图所示。被控对象阶跃响应2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.3 扩充响应曲线整定法扩充响应曲线整定法v在曲线最大斜率处，求得滞在曲线最大斜率处，求得滞后时间后时间 ，被控对象时间常数，被控对象时间常数T Tg g，以及比值，以及比值 R R T Tg g /。v根据所求得的根据所求得的 和和R R的值，的值，查表查表6-26-2，即可求出控制器的，即可求出控制器的T T、K KP P、T Ti i、和、和T Td d。被控对象阶跃响应2/5/2023Design of Mechatronical S

45、ystems 6.3.3 扩充响应曲线整定法扩充响应曲线整定法KpTiTdP1/(R)PI0.9/(R)3PID1.2/(R)20.52/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.3 扩充响应曲线整定法扩充响应曲线整定法v例例 已知某加热炉温度计算机控制系统的过渡过程曲线如图所示,其中=30，Tg=180s，T=10s，试求数字PID控制算法的参数，并求其差分方程。2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.3 扩充响应曲线整定法扩充响应曲线整定法v解：vR=1/Tg=1/180，R=1/18030=1/6。

46、v根据表6.2有vkp=1.2/(R)=7.2vTi=2=60svTd=0.5=15s vki=kpT/Ti=7.210/60=1.2vkd=kpTd/T=7.215/10=10.8vu(k)=u(k-1)+kpe(k)-e(k-1)+kie(k)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)v=u(k-1)+7.2e(k)-e(k-1)+1.2e(k)+10.8e(k)-2e(k-1)+e(k-2)v=u(k-1)+9.2e(k)-28.8e(k-1)+10.8e(k-2)2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.3.3 扩充响应曲线整定法扩充响应曲线

47、整定法2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技术机电一体化系统的控制技术6.1 常规数字常规数字PID控制算法控制算法6.2 数字数字PID的改进算法的改进算法6.3 数字数字PID参数整定参数整定6.4*机电一体化系统的智能技术机电一体化系统的智能技术思考题思考题与习题与习题2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.4*机电一体化系统的智能技术机电一体化系统的智能技术 6.4.1 概述概述 6.4.2 专家控制系统

48、专家控制系统 6.4.3 模糊控制系统模糊控制系统6.4.4 人工神经网络人工神经网络 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.4.1 概述概述2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.4*机电一体化系统的智能技术机电一体化系统的智能技术 6.4.1 概述概述 6.4.2 专家控制系统专家控制系统 6.4.3 模糊控制系统模糊控制系统6.4.4 人工神经网络人工神经网络 2/5/2023Design of Mechatronical Systems

49、 6.4.2 专家控制系统专家控制系统2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技机电一体化系统的控制技术术6.4*机电一体化系统的智能技术机电一体化系统的智能技术 6.4.1 概述概述 6.4.2 专家控制系统专家控制系统 6.4.3 模糊控制系统模糊控制系统6.4.4 人工神经网络人工神经网络 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.4.3 模糊控制系统模糊控制系统2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控

50、制技机电一体化系统的控制技术术6.4*机电一体化系统的智能技术机电一体化系统的智能技术 6.4.1 概述概述 6.4.2 专家控制系统专家控制系统 6.4.3 模糊控制系统模糊控制系统6.4.4 人工神经网络人工神经网络 2/5/2023Design of Mechatronical Systems 6.4.4 人工神经网络人工神经网络2/5/2023Design of Mechatronical Systems 第六章第六章 机电一体化系统的控制技术机电一体化系统的控制技术6.1 常规数字常规数字PID控制算法控制算法6.2 数字数字PID的改进算法的改进算法6.3 数字数字PID参数整定参