微机控制技术王用伦课件 第10章 控制规律及算法.ppt

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1、第10章控制规律及算法学习目标：1.掌握PID控制原理及其数字PID控制算法2.了解数字PID算法的改进，学会数字PID参数的整定3.了解串级控制的结构原理及其数字串级控制算法4.了解前馈控制的结构原理及其数字前馈-反馈控制算法。返回总目录本章主要内容引言10.1PID控制10.2串级控制10.3前馈控制本章小结思考题引言一个自动控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，输出驱动执行器以改进进给量，达到自动控制的目的。在传统的模拟控制系统中，控制器的控制规律或控

2、制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，而在微机控制系统中，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上。现在有两大类设计方法：连续化设计和离散化设计。数字控制器的连续化设计是把整个控制系统看成是模拟系统，利用模拟系统的理论和方法进行分析和设计，得到模拟控制器后再通过某种近似，将模拟控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。这对于对象特性不太清楚，采样周期比较小的场合，可以获得满意的控制效果。此方法在工程技术领域得到广泛的应用。随着辨识技术的发展，某些对象的特性可以精确获得，这时

3、可以一开始就把系统看成是数字系统，然后按采样控制理论，以Z变换为工具，以脉冲传递函数为数学模型，直接设计满足指标要求的数字控制器D（z），这称为数字控制器的离散化设计方法。本章仅以连续化设计方法为例，介绍经典的常规PID控制、串级控制、前馈控制等控制规律及其算法。10.1PID控制PID是连续系统中技术最成熟、应用最为广泛的一种控制方式。PID是Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)三者的缩写。PID控制的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函

4、数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活地取其中的一部分环节构成控制规律，如P(比例)控制、PI(比例积分)控制、PID（比例积分微分）控制等。用计算机实现PID控制，不只是简单地把PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的强大运算能力、存储能力和逻辑判断能力结合起来，使PID控制更加灵活多样，可以将PID算法修改的更为合理，参数的整定和修改更为方便，更能够满足对控制系统提出的各种要求。本节从最基本的模拟PID控制原理出发，讨论数字PID控制算法与改进以及

5、数字PID参数的整定。10.1.1PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常见的控制规律为PID控制。图10-1为模拟PID控制系统原理框图，这是由一个模拟PID控制器和被控对象组成的简单控制系统，也称单回路控制系统。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差e(t)，将偏差的比例、积分和微分作用通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。在说明各个控制作用以前，先来解释一个概念：什么是控制器的阶跃响应曲线？就是当输入偏差为一个阶跃信号时，产生的

6、输出控制作用的响应，也即输入输出特性曲线。1.比例控制比例控制作用是指控制器的输出与输入偏差成比例关系，其数学表达式为：u(t)＝Kpe(t)(10-1)式中：u(t)——控制器的输出；e(t)——控制器的输入偏差；Kp——比例系数。比例控制器的阶跃响应曲线如图10-2所示，在偏差出现的同时，立即就能产生与之成比例的控制作用，效果是立即减少偏差。比例控制作用的强弱，除了与偏差有关，主要取决于比例系数。比例系数越大，控制作用越强，控制系统的动态特性也越好。反之，比例系数越小，控制作用越弱。但对于多数惯性环节

7、，Kp太大时，会引起自激振荡。比例控制器的优点是调节及时，缺点是系统存在余差。因此，对于扰动较大、惯性较大的系统，若采用单纯的比例控制器，就难于兼顾动态和静态特性，因此，需要配合其它控制规律。2．积分控制积分控制作用是指控制器的输出与输入偏差的积分成比例关系。其数学表达式为：(10-2)式中：TI—积分时间，表示积分速度的大小。积分作用的阶跃响应特性曲线如图10-3所示，其变化斜率与Ti有关。TI越小，积分速度越快，积分控制作用越强。积分作用的特点是控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且与偏差存在

8、的时间有关，只要偏差存在，输出就会随时间不断变化，直到消除余差。因此，积分作用能消除余差。但从图中可以看出，在偏差刚一出现时，积分输出很小，因而控制作用不能及时克服扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增大稳定性下降。因此，它很少被单独使用。3．微分控制微分控制作用是指控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例关系。其数学表达式为a：(10-3)式中：Td——微分时间，表示微分作用的强弱；——偏差对时间的导数，即偏差的变化速度。式(