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1、PI D控制原理与控制算法5.1 PID控制原理与程序流程5.1.1 过程控制的基本概念过程控制一一对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。一、模拟控制系统图5-1-1基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。二、微机过程控制系统微型计算机传感器变送器图5-1 -2微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程 序即可。三、数字
2、控制系统DDC示印录警 显打记报微型计算机JL 业 对 象图5-1-3DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称 为直接数字控制。DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。5.1.2 模拟PID调节器一、模拟PID控制系统组成图5 1 4模拟PID控制系统原理框图二、模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节
3、器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。1、PID调节器的微分方程I t 则Kp e(t)、比Tdde(t)dt5- 1设有一温度控制系统，温度测量范围是。600C,温度采用PID控制，控制式中 e(t) r(t) c(t)2、PID调节器的传输函数D(S)Kp 1 TdSE(S)TS三、PID调节器各校正环节的作用1 比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，
4、 TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。5.1.3数字PID控制器、模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式e(t) r(t) c(t)e( n) r(n) c(n)de(t) dTe(n) e(n 1) Toe(t)dtnne(i)T T e(i)iOiO、数字PID控制器的差分方程u(n1 Koe(n)UP( n) Ui( n)TnTde(LiOIUd( n) Uoe(n) efn 1)Uo式中uP( n)KP e(n)称为比例项T
5、 口称为积分项Ui (n) Ko e(i)Ti iOuD( n) KP e(n) e(n 1)称为微分项T三、常用的控制方式1 、P控制u(n) UP( n) Uo2、PI控制u(n) UP( n) Ui(n) Uo3、PD控制u(n) UP( n)UD( n) Uo4、PID控制u(n)UP( n) Ui(n) UD( n) Uo5- 1 - 5调节阀控制四PID算法的两种类型、位置型控制一一例如图e(n 1) UoTn Tu(n) KPe(n)e(i) De(n)Ti ioT、增量型控制一一例如图5- 1 6步进电机控制u(n) u(n) u(n 1)TToKp e(n) e(n 1) K
6、P e(甲 Kp-d 丁 e(n) 2e(n 1) e(n 2)SIB-1-5数字PR傥直型控制云意图PID憎帘怦法步进电机被控炖麋4,积分时间Ti 60s，微分时间Td 5s，采样周期 指标为软土 2C。已知比例系数KPT 5s。当测量值c(n) 448, c(n 1)图b/6等蚤宇4必甯/意向42时,计算增量输出u(n)。若u(n 1)I860、计算第n次阀位输出u(n)。解：将题中给出的参数代入有关公式计算得Ki Kp T 4T i51,Kd Kp d 4603TdT155由题知，给定值r 450，将题中给出的测量值代入公式(12,5- 1 - 4)计算得e(n) r c(n) 450e
7、(n 1) r c(n 1)e(n 2) r c(n 2)448 2450 449 14504522代入公式(：5 u(n)4(2 1)3代入公式(5 19)计算得1 - 16)计算得2)/( 1 2 2 1242u(n) u(n 1) u(n) 1860 ( 19)18415.1.4 PID算法的程序流程一、增量型PID算法的程序流程1、增量型PID算法的算式u(n) aoe( n) ae(n 1) a2e(n 2)式中 aoKp LP , aiTi T图5 1 7(程序清单见教材)2、增量型PID算法的程序流程计算叫巩佃一 I)ilI)计 2)更新和一 1皿一 2)位置型PID算法茁程序流
8、程返回增量型PID算法的程序流程、位置型PID算法的程序流程1 、位置型的递推形式u(n) u(n 1) u(n) u(n 1) aoe( n) ae( n 1) a2e(n 2)2 、位置型PID算法的程序流程一一图5- 1-9只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算 更新u（n-1）即可。三、对控制量的限制1、控制算法总是受到一定运算字长的限制u(n)+u(n-1)=u(n)和2、执行机构的实际位置不允许超过上（或下）极限U minU( n) U(n)UmaxU(n) UminUmin U(n) UmaxU/n U1) max5.2标准PID算法的改进5.2.1 微分项的改进一
9、、不完全微分型PID控制算法1、不完全微分型PID算法传递函数Gc(S) Kp 11 TdS 1TTS上KA图5 2 1不完全微分型PID算法传递函数框图、完全微分和不完全微分作用的区别（a）理做微彷（b）蚩宇此完伞微甘（G模拟式不完全微分（d）数宇式下宣全微力图5-2-2完全微分和不完全微分作用的区别、不完全微分型PID算法的差分方程Ud (n) Ud (n 1)，e(n) e(n 1)Td TTIdG(n) Ud (n 1)TKoKdu(n) KptUd( n) KPUPH上限值）时，则上限报警状态（PHA）为 T当PVvPL下限值）时，则下限报警状态（PLA）为“ 1”。为了不使PHA/
10、PLA的状态频率改变，可以设置一定的报警死区(HY、被控量变化率限制一一变化率的选取要适中5.4.2偏差处理DVDLDLACPVD/R非线性特性DVCrevCDV图5-4-4偏差处理、计算偏差一一根据正/反作用方式（D/R）计算偏差DV、偏差报警一一偏差过大时报警DLA为“ 1 ”三、输入补偿一一根据输入补偿方式 四、非线性特性ICM的四种状态，决定偏差输出CDVdvc当K=1 Fjt则为正常的FID控制。图5 4 5非线性特性543控制算法的实现图5-4-6PID计算当软开关DV/PV切向DV位置时，则选用偏差微分方式；当软开关DV/PV切向PV位置时，则选用测量（即被控量）微分方式。544
11、控制量处理% MSOCM图5-4-7控制量处理、输出补偿-根据输出补偿方式 二、变化率限制一一控制量的变化率 三、输出保持通过选择软开关OCM勺四种状态，决定控制量输出UcMR的选取要适中FH/NH选择当软开关FH/NH切向NH位置时，输出控制量保持不变； 当软开关FH/NH切向FH位置时，又恢复正常输出方式。四、安全输出当软开关FS/NS切向NS位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量MS当软开关FS/NS切向FS位置时，又恢复正常输出方式。5. 4. 5自动/手动切换在正常运行时，系统处于自动状态；而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态。图5-4-8为自动/手动切换处理框图。、软自动
12、/软手动当软开关SA/SM切向SA位置时，系统处于正常的自动状态，称为软自动(SA)；当软开关SA/SM切向SM位置时，控制量来自操作键盘或上位计算机，称为软手动(SM)。一般在调试阶段，采用软手动(SM)方式。二、控制量限幅一一对控制量MV进行上、下限限处理，使得MHC MVC ML.三、自动/手动当开关处于HA位置时，控制量MV!过D/A输出，称为自动状态(HA)状态);当开关处于HM位置时，手动操作器对执行机构进行操作，称为手动状态(HM状态)。四、无平衡无扰动切换1、无平衡无扰切换的要求在进行手动到自动或自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控 制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。2、无平衡无扰切换的措施。在手动(SM或HM状态下，应使给定值(CSV)跟踪被控量(CPV)，同时也要把历史数据，如e(n-1)和e(n-2)清零，还要使u(n1)跟踪手动控制量(MV或VM)。从输出保持状态或安全输出状态切向正常的自动工作状态时，可采取类似的措施。