第3章 數(shù)字PID控制算法-醫(yī)學(xué)課件.ppt

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1、第3章數(shù)字PID控制算法1內(nèi)容提要概述標(biāo)準(zhǔn)的PID算法改進(jìn)的PID算法數(shù)字PID算法應(yīng)用中的問題PID參數(shù)整定方法PID算法仿真實(shí)例2概述按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為PID（Proportional-Integral-Differential）調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式，其調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制。在計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域后，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID算法代替了模擬PID調(diào)節(jié)器。3概述PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)★技術(shù)成熟★易被人們熟悉和掌握★不需要

2、建立數(shù)學(xué)模型★控制效果好4概述PID控制實(shí)現(xiàn)的控制方式◆模擬方式：用電子電路調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中，將被測(cè)信號(hào)與給定值比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID電路運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變給進(jìn)量，達(dá)到調(diào)節(jié)之目的?！魯?shù)字方式：用計(jì)算機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，輸出去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。5模擬PID調(diào)節(jié)器模擬PID調(diào)節(jié)器PID控制器是一種線性控制器；根據(jù)對(duì)象的特性和控制要求，可靈活地改變其結(jié)構(gòu)。61.比例調(diào)節(jié)器2.比例積分調(diào)節(jié)器3.比例微分調(diào)節(jié)器4.比例積分微分調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)7控制規(guī)律：其中：為比例系數(shù)；比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：比例調(diào)節(jié)器對(duì)于偏差是即時(shí)反應(yīng)

3、，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)。只有當(dāng)偏差發(fā)生變化時(shí)，控制量才變化。（1）比例調(diào)節(jié)器缺點(diǎn)：不能消除靜差；過大，會(huì)使動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起被控量振蕩甚至導(dǎo)致閉環(huán)不穩(wěn)定。圖2P調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)8（2）比例積分調(diào)節(jié)器控制規(guī)律：積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：調(diào)節(jié)器的輸出與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差不為零，輸出就會(huì)隨時(shí)間不斷增加，并減小偏差，直至消除偏差，控制作用不再變化，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。其中：為積分時(shí)間常數(shù)。缺點(diǎn)：降低響應(yīng)速度。圖3PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)00upKpK0tiTut110t0et9（3）比例微分

4、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律：其中：為微分時(shí)間常數(shù)。微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)正比于偏差變化率的控制作用，它總是反對(duì)偏差向任何方向的變化，偏差變化越快，反對(duì)作用越強(qiáng)。故微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。缺點(diǎn)：太大，易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖4理想PD調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)101et0t00tutpK0u10（4）比例積分微分調(diào)節(jié)器控制規(guī)律：比例積分微分三作用的線性組合。在階躍信號(hào)的作用下，首先是比例和微分作用，使其調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，然后是積分作用，直到消除偏差。圖5理想PI

5、D調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)101et0t00tiTutpKpK0u11數(shù)字PID控制器當(dāng)采樣周期足夠小時(shí)，在模擬調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值逼近的方法，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭？勺魅缦陆?式中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。12三種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字PID控制算法（l）數(shù)字PID位置型控制算法控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。式中：或：13（2）數(shù)字PID增量型控制算法由位置型算法又∵，得：得：增量型算法只需保持前3個(gè)時(shí)刻的偏差值。14數(shù)字PID控制速度算法它是增量算法除以采樣周期，是增量算法的變形，沒有累加和項(xiàng)，不會(huì)出現(xiàn)積分飽和，

6、避免了大的超調(diào)和震蕩三種算法的選擇：一是要考慮執(zhí)行器的形式，另一方面要分析應(yīng)用時(shí)的方便性1、從執(zhí)行器看：位置算法的輸出除用數(shù)字式控制閥可直接連接外，一般須經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量，還要有保持電路。而增量算法可通過步進(jìn)電機(jī)等累積機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為模擬量。速度算法的輸出采用積分式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2、從應(yīng)用方面看：增量和速度手自動(dòng)切換較方便；不產(chǎn)生積分飽和。位置算法正好相反。15（3）兩種標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法比較圖6兩種PID控制算法實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)系統(tǒng)（a）位置型（b）增量型16增量式PID控制算法的優(yōu)點(diǎn)★增量式算法不需做累加，計(jì)算誤差和計(jì)算精度問題對(duì)控制量的計(jì)算影響較??；位置式算

7、法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差?！锟刂茝氖謩?dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，位置式算法必須先將計(jì)算機(jī)的輸出值置為原始值u0時(shí)，才能保證無沖擊切換；增量式算法與原始值無關(guān)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換?！镆话阏J(rèn)為，在以閘管或伺服電機(jī)作為執(zhí)行器件，或?qū)刂凭纫筝^高的系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)采用位置式算法；而在以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器作執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則應(yīng)采用增量式算法。17數(shù)字PID控制算法◆位置式PID控制算法的程序設(shè)計(jì)思路：將三項(xiàng)拆開，并應(yīng)用遞推進(jìn)行編程比例輸出積分輸出微分輸出18數(shù)字PID控制算法◆增量式PID控制算法增量式PID控制算法的程序設(shè)計(jì)初始化時(shí)

8、，需首先置入調(diào)節(jié)參數(shù)d0，d1，d2和設(shè)定值R，并設(shè)置誤差初值ei=ei–1=ei–2=019