文档介绍：第4章数字PID控制技术
本章主要介绍PID调节器的优点、原理、数字实现,PID算法的积分饱和作用及其抑制方法,PID参数的整定等。
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引言
一、模拟控制系统和数字控制系统的区别
1.  模拟控制系统
其过程控制的方式如图所示(图中调节器多为气动或电动单元组合仪表) :
在数字控制系统中,用数字调节器来代替模拟调节器。
模拟控制系统过程控制方框图
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数字控制系统过程控制方框图
二、计算机控制系统的优点
:由于计算机运算速度快,而被控对象变化一般都比较缓慢,可用一台计算机控制多个回路,节省设备费用;
2. 控制算法灵活:如PID、大林算法、最优控制等;
:由于计算机控制算法是用软件实现的,因此比用硬件组成的模拟调节器具有更高的可靠性,且系统维护简单;
,提高产品的产量和质量;
,改善工人劳动条件。
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三、计算机控制系统中常用的控制算法
1.  程序和顺序控制
程序控制:是被控量按照一定的、预先规定的时间函数变化,被控量是时间的函数。
顺序控制:可以看作是程序控制的扩展,在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量,每次设定值的给出,不仅取决于时间,还取决于对前段控制结果的逻辑判断。
2.  比例积分微分控制(简称PID控制)
即Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写,调节器的输出是其输入的比例、积分微分函数。
3.  复杂规律的控制
如串级控制、前馈控制、多变量解耦控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。
4.  智能控制
可以看作是人工智能、运筹学和控制理论的交叉或汇合。
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数字PID控制规律
 
在模拟系统中,PID算法的表达式为:
式中:P(t)——调节器的输出信号;
e(t)——调节器的偏差信号,等于测量值与给定值之差;
KP——调节器的比例系数;
TI ——调节器的积分时间;
TD ——调节器的微分时间;
PID调节的实质:根据输入的偏差信号,按比例、积分、微分的函数关系进行计算,其运算结果用于输出控制。
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一、PID控制规律的数字实现
(一)优点
PID在数字化的计算机时代能得到广泛应用,主要有以下优点:
1. 技术成熟,结构灵活,不仅可以用常规的PID调节,还可以根据系统的要求,采用各种PID的变种,如PI、PD控制、不完全微分控制、积分分离式PID控制、带死区的PID控制、变速积分PID控制、比例PID控制等;
2.  易被人们熟悉和掌握;
3.  不需要求出数学模型;
4. 控制效果好。
(二)模拟PID调节器
PID控制器是一种线性调节器,其框图如图所示:
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模拟PID调节器方框图
PID控制器把给定值W与实际输出值Y相减,得到控制偏差e,偏差e经比例、积分、微分运算后,通过线性组合构成控制量u,然后用u对对象进行控制。
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1.  比例调节器
是一种简单的调节器,其控制规律为:
u = KPe + u0
KP:比例系数, u0:控制常量,即误差为零时的控制变量;如图所示,比例调节器对误差e是即时响应的,误差一旦产生,调节器立即产生控制,使被控制的过程变量Y向误差减小的方向变化。
(1)问题:对于有些控制对象,比例调节器回存在静差(残存的误差),加大比例系数KP可以减小静差,但当KP过大时,会使动态质量变差,导致系统不稳定。
(2) 优点:反应快。
(3)缺点:不能完全消除静差。
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(PI)调节器
其控制规律是:
Ti:积分常数,Ti越大,积分作用越弱。 积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果,虽然误差不变,但积分器的输出还在增加,直至使误差e=0。积分器的加入相当于能自动调节控制常量u0,消除静差,使系统趋于稳定。
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3. 比例积分微分(PID)调节器
其控制规律是:
Td:微分常数,Td越大,微分作用越强。
积分器虽然能够消除静差,但使系统的响应速度变慢,进一步改进是通过检测误差的变化率来预报误差,并对误差的变化作出响应。
理想的PID调节器对误差的阶跃响应如图所示:
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