新型pid控制及其应用(共六讲)

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1、·60·工业仪表与自动化装置　　　　　　　　　　　　1997年第4期新型PID控制及其应用第一讲　PID控制原理和自整定策略陶永华华东冶金学院　马鞍山:243002　　编者按　随着控制仪表的发展,新的控制技术不断出现,先进的控制算法不断产生和发展。本刊以前曾发表不少这类的专题文章。为了使读者能系统了解这个领域的内容和产品发展概况,我们特请陶永华教授以讲座形式作全面介绍。讲座共分六讲:第一讲,PID控制原理和自整定策略;第二讲,自适应PID控制;第三讲,智能PID控制;第四讲,模糊PID控制;第五讲,多变量PID控制;第六讲,新型控制器产品发展概述。PID控制是最早发展

2、起来的控制策略之等。本讲座共分6讲,将着重介绍这些新型PID一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优控制原理、方法及其应用。我们期待着把PID点,被广泛应用于工业过程控制。当用计算机实控制提到一个新的水平。现后,数字PID控制器更显示出参数调整灵1PID控制原理活、算法变化多样、简单方便的优点。随着生产的发展,对控制的要求也越来越高,随之发展出111　模拟PID控制器许多以计算机为基础的新型控制算法,如自适模拟PID控制系统原理框图如图1-1所应PID控制、模糊PID控制、智能PID控制等示,系统由模拟PID控制器和受控对象组成。图1-1　模拟PID控制系统原理框图

3、PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值e(t)=r(t)-c(t)(1-1)c(t)构成的控制偏差:将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通1997年第4期　　　　　　　　　　　　工业仪表与自动化装置·61·过线性组合构成控制量,对受控对象进行控制。由Z变换的性质:-1其控制规律为:Z[e(k-1)]=ZE(Z)tk1de(t)u(t)=Kp[e(t)+Qe(t)dt+TD]-1TI0dtZ[∑e(j)]=E(Z)ö(1-Z)j=0(1-2)式(1-5)的Z变换式为:或写成传递函数形式:U(Z)=K-1)+PE(Z)+KIE(Z)ö(1-ZU(S)1-1G(s

4、)==KP(1++TDS)(1-3)KD[E(Z)-ZE(Z)](1-6)E(S)TIS式中,KP为比例系数,TI为积分时间常数,TD由式(1-6)便可得到数字PID控制器的Z传为微分时间常数。递函数:U(Z)-1简单说来,PID控制器各校正环节的作用G(Z)==KP+KIö(1-Z)+E(Z)是这样的:-1KD(1-Z)(1-7)●比例环节:即时成比例地反应控制系统或者的偏差信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即产-1-12KP(1-Z)+KI+KD(1-Z)生控制作用以减小误差。G(Z)=-11-Z●积分环节:主要用于消除静差,提高系统(1-8)的无差度,积分作用

5、的强弱取决于积分时间常数字PID控制器如图1-2所示。数TI,TI越大,积分作用越弱,反之则越强。●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。112　数字PID控制器当计算机实现PID控制时,首先必须将上述PID控制规律的连续形式变成离散形式,然后才能编程实现。PID控制器控制算法的离散形式为:kTTD图1-2　数字PID控制器框图u(k)=KP{e(k)+∑e(j)+[e(k)-TIj=0Te(k-1)]}(1-4)　　由于计算机输出的u(k)直接去控制执行

6、或机构(如阀门),u(k)的值和执行机构的位置(如k阀门开度)是一一对应的,所以我们通常称式(1u(k)=KP·e(k)+KI∑e(j)+KD[e(k)j=0-4)或式(1-5)为位置式控制算法。-e(k-1)](1-5)当执行机构需要的是控制量的增量(例如式中　T——采样周期去驱动步进电机)时,可由式(1-5)导出提供增k——采样序号,k=0,1,2,⋯量的PID控制算式。根据递推原理可得:k-1u(k)——第k次采样时刻的计算机输出值u(k-1)=KP·e(k-1)+KI∑e(j)j=0e(k)——第k次采样时刻输入的偏差值+KD[e(k-1)-e(k-2)](1

7、-9)KPT——称为积分系数用式(1-5)减式(1-9)可得:KI=TI$u(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KPTDKD=T——称为微分系数KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]·62·工业仪表与自动化装置　　　　　　　　　　　　1997年第4期=KP$e(k)+KIe(k)+KD[$e(k)-1+TG(S)=KP(1+DS)TIS$e(k-1)](1—10)有Ziegler-Nichols整定公式:式中　$e(k)=e(k)-e(k-1)KP=112TPöK·S式(1-10)称为增量式PID控制算法。将TI=2S(2—