数字PID及其参数整定方法ppt课件.ppt
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1、为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第7章章 数字数字PIDPID及其算法及其算法数字数字PIDPID及其算法及其算法主要内容:主要内容:1 1 PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现2 2 数字数字PIDPID调节中的几个实际问题调节中的几个实际问题3 3 几种发展的几种发展的PIDPID算法算法4 4 PIDPID参数的整定方法参数的整定方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.0概述概述比较模拟控制过程与数字控制过程的不同。
2、比较模拟控制过程与数字控制过程的不同。计算机控制系统的优点:计算机控制系统的优点:1 1一机多用;一机多用;2 2控制算法灵活;控制算法灵活;3 3可靠性好;可靠性好;4 4控制品质高;控制品质高;几个概念:几个概念:1 1程程序序控控制制:使使被被控控量量按按照照预预先先规规定定的的时时间间函函数数变变化化所所作作的控制,被控量是时间的函数。的控制,被控量是时间的函数。2 2顺顺序序控控制制:是是指指控控制制系系统统根根据据预预先先规规定定的的控控制制要要求求,按按照照各各个个输输入入信信号号的的条条件件,使使过过程程的的各各个个执执行行机机构构自自动动地地按按预预先规定的顺序动作。先规定的
3、顺序动作。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.0概述概述3 3PIDPID控控制制:调调节节器器的的输输出出是是输输入入的的比比例例、积积分分、微微分分的的函数。函数。4 4直直接接数数字字控控制制:根根据据采采样样定定理理,先先把把被被控控对对象象的的数数学学模模型离散化,然后由计算机根据数学模型进行控制。型离散化,然后由计算机根据数学模型进行控制。5 5最优控制:是一种使控制过程处在某种最优状态的控制。最优控制:是一种使控制过程处在某种最优状态的控制。6 6模糊控制:由于被控对象的不确定性,可采用模糊控制。模糊控
4、制:由于被控对象的不确定性,可采用模糊控制。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现PIDPID调节器的优点调节器的优点:1.1.技术成熟技术成熟 2.2.易被人们熟悉和掌握易被人们熟悉和掌握 3.3.不需要建立数学模型不需要建立数学模型 4.4.控制效果好控制效果好PIDPID调调节节的的实实质质:根根据据系系统统输输入入的的偏偏差差,按按照照PIDPID的的函函数数关系进行运算,其结果用以控制输出。关系进行运算,其结果用以控制输出。PIDPID调调节节的的特特点点
5、:PIDPID的的函函数数中中各各项项的的物物理理意意义义清清晰晰,调调节灵活,便于程序化实现。节灵活,便于程序化实现。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现7.1.1 7.1.1 模拟模拟PIDPID调节原理调节原理PIDPID调调节节器器是是一一种种线线性性调调节节器器,他他将将设设定定值值w w与与实实际际值值y y的偏差:的偏差:e=w-ye=w-y按其比例、积分、微分通过按其比例、积分、微分通过线性线性组合构成控制量。组合构成控制量。为深入学习习近平新时代
6、中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现1.1.比例调节器比例调节器比例调节器的微分方程为:比例调节器的微分方程为:y=Ky=KP Pe(t)e(t)式中:式中:y y为调节器输出;为调节器输出;K Kp p为比例系数;为比例系数;e(t)e(t)为调节器输入偏差。为调节器输入偏差。由上式可以看出比例调节的由上式可以看出比例调节的特点特点:调调节节器器的的输输出出与与输输入入偏偏差差成成正正比比。只只要要偏偏差差出出现现,就就能能及及时时地地产产生生与与之之成成比比例例的的调调节节作作用用
7、,使使被被控控量量朝朝着着减减小小偏偏差差的的方方向向变变化化,具具有有调调节节及及时时的的特特点点。但但是是,K Kp p过过大大会会导导致致动动态态品品质质变变坏坏,甚甚至至使使系系统统不不稳稳定定。比比例例调调节节器器的的特特性性曲曲线线,如下图所示。如下图所示。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现阶跃响应特性曲线阶跃响应特性曲线为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算
8、法的原理及数字实现算法的原理及数字实现2.2.积分调节器积分调节器积积分分作作用用是是指指调调节节器器的的输输出出与与输输入入偏偏差差的的积积分分成成比比例例的的作用,其作用是消除静差。积分方程为:作用,其作用是消除静差。积分方程为:式中:式中:T TI I是积分时间常数,它表示积分速度的大小,是积分时间常数,它表示积分速度的大小,T TI I越大,越大,积分速度越慢,积分作用越弱。积分作用的响应特性曲线,积分速度越慢,积分作用越弱。积分作用的响应特性曲线,如下图所示。如下图所示。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.
9、1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现积分作用响应曲线积分作用响应曲线由图中曲线看出由图中曲线看出积分作用的特点:积分作用的特点:只要偏差不为零就会只要偏差不为零就会产生对应的控制量并依此影响被控量。增大产生对应的控制量并依此影响被控量。增大TiTi会减小积分作会减小积分作用,即减慢消除静差的过程,减小超调,提高稳定性。用,即减慢消除静差的过程,减小超调,提高稳定性。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现3.3.微分调节器微分调节器微微分分调调节节的
10、的作作用用是是对对偏偏差差的的变变化化进进行行控控制制,并并使使偏偏差消失在萌芽状态,其微分方程为:差消失在萌芽状态,其微分方程为:微分作用响应曲线如下图所示。微分作用响应曲线如下图所示。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现可可见见,微微分分分分量量对对偏偏差差的的任任何何变变化化都都会会产产生生控控制制作作用用,以以调调整整系系统统输输出出,阻阻止止偏偏差差变变化化。偏偏差差变变化化越越快快,则则产产生生的的阻止作用越大。阻止作用越大。从从分分析析看看出出,微微
11、分分作作用用的的特特点点是是:加加入入微微分分调调节节将将有有助助于于减减小小超超调调量量,克克服服震震荡荡,使使系系统统趋趋于于稳稳定定。他他加加快快了了系系统统的动作速度,减小调整的时间,从而改善了系统的动态性能。的动作速度,减小调整的时间,从而改善了系统的动态性能。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现7.1.27.1.2PIDPID算法的数字化算法的数字化在模拟系统中,在模拟系统中,PIDPID算法的表达式:算法的表达式:式中:式中:P(t)P(t):调节器
12、输出调节器输出e(t)e(t):调节器的偏差信号调节器的偏差信号KpKp:比例系数比例系数TiTi:积分时间积分时间TdTd:微分时间微分时间为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现PIDPID调节器对阶跃响应特性曲线调节器对阶跃响应特性曲线为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现对前一算式离散化,即为数字式的差分方程(对前一算式离散化,即为
13、数字式的差分方程(7-47-4式):式):式中:式中:T T:采样周期采样周期E(k)E(k):第第k k次采样时的偏差值次采样时的偏差值E(k-1)E(k-1):第第k-1k-1次采样时的偏差值次采样时的偏差值k k:采样序号采样序号P(k)P(k):第第k k次采样时的调节器输出次采样时的调节器输出为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现上上式式中中,输输出出值值与与阀阀门门的的开开度度的的位位置置一一一一对对应应,因因此此称称之为位置式控制算式。之为位置式控制算
14、式。根据递推原理,可得增量式:根据递推原理,可得增量式:式中:式中:KpKp比例系数比例系数Ki=Kp*(T/Ti)Ki=Kp*(T/Ti)积分系数积分系数Kd=Kp*(Td/T)Kd=Kp*(Td/T)微分系数。微分系数。称:(称:(7-77-7)为增量控制式。)为增量控制式。(7-7)为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现增增量量式式PIDPID算算法法只只需需保保持持当当前前时时刻刻以以前前三三个个时时刻刻的的误误差差即可。它与位置式即可。它与位置式PIDPI
15、D相比,有下列优点:相比,有下列优点:(1 1)位位置置式式PIDPID算算法法每每次次输输出出与与整整个个过过去去状状态态有有关关,计计算算式式中中要要用用到到过过去去误误差差的的累累加加值值,因因此此,容容易易产产生生较较大大的的累累积积计计算算误误差差。而而增增量量式式PIDPID只只需需计计算算增增量量,计计算算误误差差或或精精度度不不足足时对控制量的计算影响较小。时对控制量的计算影响较小。(2 2)控控制制从从手手动动切切换换到到自自动动时时,位位置置式式PIDPID算算法法必必须须先先将将计计算算机机的的输输出出值值置置为为原原始始阀阀门门开开时时,才才能能保保证证无无冲冲击击切切
16、换换。若若采采用用增增量量算算法法,与与原原始始值值无无关关,易易于于实实现现手手动动到到自自动动的的无无冲冲击切换。击切换。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现7.1.37.1.3PIDPID程序设计程序设计位置式位置式PIDPID算法程序设计算法程序设计由下式可改写为:由下式可改写为:把上式进一步分为把上式进一步分为P P、I I、D D三项,:三项,:为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功
17、能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现左图为位置式流程框图。左图为位置式流程框图。说明:说明:在在计计算算之之前前,需需要要完完成成采采样数据处理。样数据处理。按按照照上上式式分分解解出出来来的的三三项项,分别进行计算。分别进行计算。将将计计算算出出来来的的数数据据作作为为控控制量输出。制量输出。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能7.1PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现增量式增量式PIDPID算法程序设计算法程序设计由下式:由下式:设:设:则有:则有:为深入学习习近平新时代中国特
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