CH 3 集散控制系统的控制算法.ppt

第3章集散控制系统的控制算法3.1自动控制系统概述
一、自动控制系统的基本概念
二、自动控制系统的基本构成及控制方式
三、自动控制系统的分类
3.2PID控制算法
一、PID控制器
二、PID控制器参数的确定
三、离散PID控制算法
3.3前馈控制一、自动控制系统的基本概念
所谓自动控制是指在没有人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量自动地按预定的规律运行。例1.水位人工控制装置如下图所示。控制任务是使水位的高度h(t)按一定的要求变化。水位的高低受到进水量qi(t)和出水量q0(t)的影响，调节进水阀门的开度，可以控制水位的高低。采用人工操纵，靠人眼观察实际水位和要求水位的差，用手不断调节阀门，以保持水箱内水位的高度满足要求。显然，这种控制方式是人工控制，控制的实时性和精度都难以满足要求。例2.水位自动控制系统如下图所示。水位高度的参考电压为uｒ(t)，水箱中的水位检测装置将实际水位高度h(t)转换成电压uh(t)，控制器输出控制信号Δu(t)＝uｒ(t)－uh(t)，经执行机构调节电磁阀控制进水量，从而控制水位的高度。只要Δu(t)≠０，系统就进行自动调节，直到水位的高度与给定高度相等为止，这就实现了水位的自动控制。采用电控制系统来控制水位的高度能达到一定速度和精度。由例2可知，一个控制系统包括以下几个部分：
１）被控对象；２）被控制量；３）控制器；
４）执行机构；５）给定量；６）检测装置。二、自动控制系统的基本构成及控制方式
2.闭环控制
控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，还有反向联系，即有被控量对控制过程的影响，这种控制称为闭环控制，相应的控制系统称为闭环控制系统。闭环控制又常称为反馈控制。三、自动控制系统的分类1、线性系统和非线性系统

若一个元件的输入与输出特性是线性的，则称该元件为线性元件，否则称为非线性元件。
若一个系统中所有的元器件均为线性元器件，则该系统称为线性系统；若系统中有一个非线性元器件，则该系统称为非线性系统。
线性系统的数学模型为线性微分方程或差分方程，即其各项系数均不随变量的改变而变化。2、定常系统和时变系统
从系统的数学模型来看，若微分方程的系数不是时间变量的函数，则称此类系统为定常系统，否则称为时变系统。
若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。3、连续系统和离散系统
从系统中的信号来看，若系统各部分的信号都是时间ｔ的连续函数即模拟量，则称此系统为连续系统。若系统中有一处或多处信号为时间ｔ的离散函数，如脉冲或数码信号，则称之为离散系统。若离散系统中既有离散信号又有模拟量，亦称之为采样系统。3.2PID控制算法一、ＰＩＤ控制器３.积分控制器6.比例-积分-微分控制器PID是误差控制。所谓“误差”，就是命令与输出的差值。
例如希望控制液压泵转速为1500转（“命令电压”=6V），而事实上控制液压泵转速只有1000转（“输出电压”=4V），则误差:e=500转（对应电压2V）。如果泵实际转速为2000转，则误差e=-500转（对应电压-2V，注意正负号）。
该误差值送到PID控制器，作为PID控制器的输入。PID控制器的输出为Kp*e+Ki*∫edt+Kd*（de/dt），式中的t为时间，即误差对时间积分、微分。
上式为三项求和，PID结果后送入电机变频器或驱动器。如果没有误差，即e=0，则Kp*e=0，Kd*（de/dt）=0，Ki*∫edt=0，三项之和为0。
总之，如果“误差”存在，PID就会对变频器作调整，直到误差=0。简单的PID控制器的写法：
Uo(N)=Kp*e(n)+Ki*[e(n)+e(n-1)+...+e(0)]+Kd*[e(n)-e(n-1)]
e—误差。
Kp—比例系数，改变Kp可提高响应速度，减小静态误差，但太大会增大超调量和稳定时间。
Ki—积分系数，与Kp的作用基本相似，但要使静态误差为0，必须使用积分。
Kd—微分系数，与Kp、Ki的作用相反，主要是为了减小超调，减小稳定时间。
三个比例系数的确定：三个参数要综合考虑，一般先将Ki、Kd设为0，调好Kp，达到基本的响应速度和误差，再加上Ki，使误差为0，这时再加入Kd。三个参数要反复调试，最终才能达到较好的结果。不同的控制对象，调试的难度相差很大。二、PID控制器参数的确定PID控制器参数的工程确定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行确定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的确定步骤如下：
首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下