文档介绍：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。,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,,其中是原来信号的最高频率。从控制性能来考虑,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: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。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。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。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。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。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。,PID算法的表达式为(4-1)式中:为控制器的输出信号;为控制器输入的偏差信号,它等于测量值与给定值之差;为控制器的比例系数;为控制器的积分时间常数;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:(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,不仅需要本次与上次的偏差信号和,而且还要对历次的偏差信号进行累加,即。这样,不仅计算繁琐,而且还要占用很多的内存单元。因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置,如计算机出现故障,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。(4-3)下面讨论PID控制器中三个环节的特性。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:加大比例控制系数K,在系统稳定的情况下,可以减小稳态误差,提高控制精度,但是加大K只是减少稳态误差,却不能完全消除稳态误差。积分环节积分环节不能单独使用。当控制器仅由积分环节构成时,属于不稳定系统,在实际应用中,常采用PI或者PID控制器。对动态性能的影响:积分控制参数Ti通常使系统的稳定性下降。Ti太小系统将不稳定。Ti偏小,振荡次数较多。Ti太大,对系统性能的影响减少。当Ti合适时,过渡特性比较理想。对稳态性能的影响:积分控制参数能消除系统的稳态误差,提高控制系统的控制精度。但是若Ti太大时,积分作用太弱,以至不能减小稳态误差。微分环节微分环节反映偏差的变化率,能在偏差值变得太大之前,在系统中引进一个有效的早期修正信号。因此微分环节有利于增加系统的稳定性,提高快速性,改善动态性能。由于微分环节是对偏差速率的反映,只在暂态过程中才有效,而在信号无变化或变化及其缓慢的稳态将完全失效。所以,单一的微分环节控制