现场总线课件第一章数字PID控制算法概要学习教案.pptx

《现场总线课件第一章数字PID控制算法概要学习教案.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现场总线课件第一章数字PID控制算法概要学习教案.pptx（37页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、会计学1现场现场(xinchng)总线课件第一章数字总线课件第一章数字PID控制算法概要控制算法概要第一页，共37页。“广义广义(gungy)对象对象”的概念的概念第2页/共37页第二页，共37页。本节教学要求本节教学要求目的：掌握基本的目的：掌握基本的PID控控制算法、各种变形的制算法、各种变形的PID控控制算法，以及模拟算法的数制算法，以及模拟算法的数字离散化方法。（参考字离散化方法。（参考(cnko)教材教材2.32.5节、节、4.2节）节）第3页/共37页第三页，共37页。工业工业(gngy)(gngy)自动化常用控制算自动化常用控制算法法n nPID类（包括：单回路类（包括：单回路P

2、ID、串级、前馈、均匀、比值、分串级、前馈、均匀、比值、分程、选择程、选择(xunz)或超驰控制或超驰控制等），等），n n特点：主要适用于特点：主要适用于SISO系系统、基本上不需要对象的动态统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方模型、结构简单、在线调整方便。便。nAPC类（先进控制方法，包括：解耦控制、类（先进控制方法，包括：解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等），内模控制、预测控制、自适应控制等），n特点：主要适用于特点：主要适用于MIMO、大纯滞后、大纯滞后、有约束系统，需要有约束系统，需要(xyo)动态模型、结构动态模型、结构复杂、在线计算量大。复杂、在线计算量大

3、。第4页/共37页第四页，共37页。数字数字(shz)PID(shz)PID控制算法控制算法n n为什么在工业为什么在工业(gngy)过程过程控制中大都（将近控制中大都（将近90%以上）以上）采用采用PID控制器？控制器？“PID控控制制器器作作为为工工业业控控制制中中的的主主导导控控制制器器结结构构，其其获获得得成成功功应应用用的的关关键键在在于于，大大多多数数过过程程可可由由低低阶阶动动态态环环节节（一一阶阶或或二二阶阶惯惯性性加加纯纯滞滞后后，简简记记作作：FOPDT及及SOPDT）近近似似逼逼近近，而而针针对对此此类类过过程程，PID控控制制器器代表了一个代表了一个(y)实用而廉价的解

4、。实用而廉价的解。”第5页/共37页第五页，共37页。PID控制器的发展控制器的发展(fzhn)背景背景第6页/共37页第六页，共37页。最基本最基本(jbn)(jbn)的控制器的控制器第7页/共37页第七页，共37页。111 1：基本：基本(jbn)PID(jbn)PID控制算控制算法法第8页/共37页第八页，共37页。比例比例(bl)(bl)（P P）控制算法）控制算法第9页/共37页第九页，共37页。比例比例(bl)(bl)（P P）控制算法）控制算法一般来说，上述第二个条件并不能够对所有设一般来说，上述第二个条件并不能够对所有设定值得到满足；当然，定值得到满足；当然，u0u0可以根据设

5、定值变化进可以根据设定值变化进行相应调整，但至少行相应调整，但至少(zhsho)(zhsho)有必要首先知道被有必要首先知道被控过程的稳态增益。控过程的稳态增益。因此，对于比例控制，可以在满足闭环稳定性因此，对于比例控制，可以在满足闭环稳定性要求的前提下，取最高的比例增益，以减小稳态要求的前提下，取最高的比例增益，以减小稳态误差。此外，如果选取误差。此外，如果选取u0u0恰好在控制信号操作范恰好在控制信号操作范围的中间，则可以使得可能出现的最大稳态误差围的中间，则可以使得可能出现的最大稳态误差最小化，因此，在大多数控制器中，取最小化，因此，在大多数控制器中，取u0=50%u0=50%。第10页

6、/共37页第十页，共37页。比例比例(bl)积分（积分（PI）控制算法）控制算法第11页/共37页第十一页，共37页。比例比例(bl)微分（微分（PD）控制算法）控制算法第12页/共37页第十二页，共37页。比例比例(bl)微分（微分（PD）控制算法）控制算法第13页/共37页第十三页，共37页。比例比例(bl)带的定义带的定义第14页/共37页第十四页，共37页。不完全不完全(wnqun)微分微分第15页/共37页第十五页，共37页。基本基本(jbn)PID(jbn)PID控制算法小结控制算法小结P：PID：PI：第16页/共37页第十六页，共37页。112 2：变形：变形(bin xng)

7、(bin xng)的的PIDPID控制算法控制算法一一、微微分分先先行行(xinxng)PID控控制算法制算法PI-D算法算法二二、比比例例先先行行(xinxng)PID控控制算法制算法I-PD算法算法三三、带带设设定定值值滤滤波波的的PID控控制制算法算法 部部分分比比例例先先行行(xinxng)PID算法算法第17页/共37页第十七页，共37页。变形变形(binxng)的的PID控制算法控制算法n n微分先行的必要性：微分先行的必要性：n n 微分动作是建立在对未来时刻微分动作是建立在对未来时刻 误差误差大小的估计基础之上的。当设定值不变时，大小的估计基础之上的。当设定值不变时，微分不起作

8、用；而设定值调整时，属于阶跃微分不起作用；而设定值调整时，属于阶跃突变，因而微分也不具有预测作用，而且还突变，因而微分也不具有预测作用，而且还会给过程造成冲击。故一般过程调节会给过程造成冲击。故一般过程调节(tioji)(tioji)系统（定值控制、扰动抑制为主），系统（定值控制、扰动抑制为主），取微分动作仅仅作用于测量值。取微分动作仅仅作用于测量值。n n 对纯滞后对象，微分效果不理想也是同对纯滞后对象，微分效果不理想也是同样的道理。样的道理。第18页/共37页第十八页，共37页。变形变形(binxng)的的PID控制算法控制算法一、微分一、微分(wi fn)先行（先行（PI-D）算法：）算

9、法：第19页/共37页第十九页，共37页。变形变形(binxng)的的PID控制算法控制算法二、比例先行二、比例先行(xinxng)(xinxng)（I-PDI-PD）算法算法:第20页/共37页第二十页，共37页。变形变形(binxng)的的PID控制算法控制算法n n比例先行算法的等效(dn xio)形式第21页/共37页第二十一页，共37页。变形变形(binxng)的的PID控制算法控制算法三、部分比例三、部分比例(bl)先行先行PID算算法：法：第22页/共37页第二十二页，共37页。变形变形(binxng)的的PID控制算法控制算法第23页/共37页第二十三页，共37页。设定值跳变设

10、定值跳变(tio bin)时的响应时的响应第24页/共37页第二十四页，共37页。113 3：PID PID 时域、频域分析时域、频域分析(fnx)(fnx)一、频域响应一、频域响应(xingyng)(xingyng)特性：特性：已知已知PIDPID控制器的传递函数为：控制器的传递函数为：假设(jish)：，则根据可画出PID控制器的频域响应曲线。第25页/共37页第二十五页，共37页。PID控制器的频域响应控制器的频域响应(xingyng)特性特性第26页/共37页第二十六页，共37页。控制器的频域响应控制器的频域响应(xingyng)特性特性n n典型（数字典型（数字典型（数字典型（数字(

11、shz)(shz)）预测控制器的频域响应特性）预测控制器的频域响应特性）预测控制器的频域响应特性）预测控制器的频域响应特性第27页/共37页第二十七页，共37页。PID控制器的时域响应控制器的时域响应(xingyng)特性特性二、时域响应二、时域响应(xingyng)(xingyng)特性：特性：已知已知PIDPID控制器的时域表达式为：控制器的时域表达式为：取单位(dnwi)阶跃偏差输入：第28页/共37页第二十八页，共37页。模拟模拟(mn)控制器的离散化方法控制器的离散化方法n n基本(jbn)PID的离散表达式第29页/共37页第二十九页，共37页。数字数字(shz)离散化方法举例离散

12、化方法举例第30页/共37页第三十页，共37页。数字离散数字离散(lsn)化方法总结化方法总结n n设 为延迟算子(sun z)，表示延迟一拍，则有：(对比式：)上式即可实现上式即可实现(shxin)微分运算微分运算第31页/共37页第三十一页，共37页。数字数字(shz)离散化方法举例离散化方法举例n n问题：求解问题：求解(qi ji)(qi ji)一阶惯性环节的离散差分方程实一阶惯性环节的离散差分方程实现：现：其中，为输入信号(xnho)，为滤波器输出信。解：将上式化作时域形式，取采样周期为 ，有第32页/共37页第三十二页，共37页。数字离散数字离散(lsn)化方法化方法 宗旨宗旨宗旨

13、宗旨(zngzh)(zngzh)：采用有理函数逼近：采用有理函数逼近：采用有理函数逼近：采用有理函数逼近：后向差分：后向差分：后向差分：后向差分：.应用应用应用应用:不完全微分项不完全微分项不完全微分项不完全微分项,惯性滤波算法等惯性滤波算法等惯性滤波算法等惯性滤波算法等.前向差分：前向差分：前向差分：前向差分：.应用应用应用应用:抗积分饱和算法抗积分饱和算法抗积分饱和算法抗积分饱和算法 中的积分项中的积分项中的积分项中的积分项.以上两种方法要求采样周期以上两种方法要求采样周期(zhuq)相相对系统的时间常数要足够的小对系统的时间常数要足够的小,即属于即属于“准准连续连续”数字控制算法数字控制

14、算法.第33页/共37页第三十三页，共37页。PID控制算法的局限性控制算法的局限性工业中的难控过程工业中的难控过程(guchng)(guchng)或对象或对象:n大时延过程(guchng)（传输延迟过大）;n时变对象（如变增益过程(guchng)等）;n多变量（强）耦合过程(guchng);n高阶振荡对象n严重非线性过程(guchng)（如PH值中和反应）;n 一般不能用二阶或者一阶惯性加纯滞后对象近似描述的过程(guchng)均属于难控过程(guchng)。第34页/共37页第三十四页，共37页。第一章：思考题第一章：思考题1.1.已知水槽水位比例控已知水槽水位比例控制系统如右图所示，制系

15、统如右图所示，假设系统处于初始假设系统处于初始无偏差平衡状态，无偏差平衡状态，此时此时(c(c sh)sh)将输出将输出手阀开度增大一些，手阀开度增大一些，试分析系统动态响试分析系统动态响应过程，并判断系应过程，并判断系统能否过度到另一统能否过度到另一稳定平衡状态；若稳定平衡状态；若能，是否存在稳态能，是否存在稳态偏差？说明理由。偏差？说明理由。第35页/共37页第三十五页，共37页。第一章：思考题第一章：思考题2.什么是比例先行、微分先行PID控制算法，二者之间的关系如何？它们与标准PID控制算法相比(xin b)，如何改善系统的调节品质？3.试写出基本PID控制算法的数字差分方程描述形式。第36页/共37页第三十六页，共37页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第37页/共37页第三十七页，共37页。