(完整版)PID控制算法与策略VIP免费

第四章控制算法与策略按偏差的比例、积分和微分进行控制的控制器（简称为PID控制器、也称PID调节器），是过程控制系统中技术成熟、应用最为广泛的一种控制器。它的算法简单，参数少，易于调整，并已经派生出各种改进算法。特别在工业过程控制中，有些控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数不容易确定，运用控制理论分析综合要耗费很大代价，却不能得到预期的效果。所以人们往往采用PID控制器，根据经验进行在线整定，一般都可以达到控制要求。随着计算机特别是微机技术的发展，PID控制算法已能用微机简单实现。由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正而更加完善［14］。在本章中，将着重介绍基于数字PID控制算法的系统的控制策略。4.1采用周期T的选择采样周期T在微机控制系统中是一个重要参数，它的选取应保证系统采样不失真的要求，而又受到系统硬件性能的限制。采样定理给出了采样频率的下限，据此采样频率应满足，①'2①，其中①是原来信号的最高频率。从控制性能Smm来考虑，采样频率应尽可能的高，但采样频率越高，对微机的运行速度要求越高，存储容量要求越大，微机的工作时间和工作量随之增加。另外，当采样频率提高到一定程度后，对系统性能的改善已不明显［14］。因此采样频率即采样周期的选择必须综合考虑下列诸因素：（1）作用于系统的扰动信号频率。扰动频率越高，则采样频率也越高，即采样周期越小。（2）对象的动态特性。采样周期应比对象的时间参数小得多，否则采样信号无法反映瞬变过程。（3）执行器的响应速度。如果执行器的响应速度比较缓慢，那么过短的采样周期和控制周期将失去意义。（4）对象的精度要求。在计算机速度允许的情况下，采样周期越短，系统调节的品质越好。(5)测量控制回路数。如果控制回路数多，计算量大，则采样周期T越长,否则越小。(6)控制算法的类型。当采用PID算式时，积分作用和微分作用与采样周期T的选择有关。选择采样周期T太小，将使微分积分作用不明显。因为当T小到一定程度后，由于受到计算精度的限制，偏差e(k)始终为零。另外，各种控制算法也需要计算时间。基于以上分析，在主频为100MHz的嵌入式PC/104计算机的基础上，选取采样周期为2ms,PID控制器运算及力传感器的采集和滤波程序在此期间能够完全运行，并有足够时间计算出偏差值，送出控制量。由于要求加载信号的频率为4〜30Hz,2ms的采样频率可以满足控制系统的要求。4.2PID控制器设计在模拟调节系统中，PID算法的表达式为u(t)二K[e(t)+—Ae(t)dt+Tde(t)]PT0DdtI(4-1)式中：u(t)为控制器的输出信号；e(t)为控制器输入的偏差信号，它等于测量值与给定值之差；K为控制器的比例系数；T为控制器的积分时间常数；TPID为控制器的微分时间常数。由于微机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量因此，在微机控制系统中，必须首先对(4-1)式进行离散化处理，离散的PID表达式：“、瓦「“、丄Ty(•、丄丁e(k)—e(k—1)]u(k)二KP[e(k)+T乙e(j"TDT]Ij=0(4-2)这是位置式的PID控制算法，由式(4-2)可以看出，要想计算u(k)，不仅需要本次与上次的偏差信号e(k)和e(k-1)，而且还要对历次的偏差信号进行累加，即工e(j)。这样，不仅计算繁琐，而且还要占用很多的内存单元。因为计j=0算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故。因而产生了增量式PID控制的控制算法。所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Au(k)。Au(k)=u(k)一u(k-1)=K[e(k)一e(k-1)]+K—e(k)PPTI+KTD[e(k)—2e(k—1)+e(k—2)]PT(4-3)下面讨论PID控制器中三个环节的特性。(1)比例环节按负反馈原理构成的控制系统，其最大特点是采用偏差e(t)进行控制，偏差e(t)是进行控制的最原始、最基本的信号。因此，比例环节是构成PID控制器的基本环节。对动态性能的影响：比例控制参数K加大，使系统的动作灵敏，速度加快，K偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当K太大时，系统会趋于不稳定；当K太小时，又会使系统动作缓慢。对稳态性能的影响：加大比例控...