计算机控制系统的控制策略

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4.1.1 模拟PID控制器
1、比例控制器（P）
u KP et
e(t)
只要偏差e(t)一出现，就能及时的产 生与之成比例的调节作用，具有调节及 时，改善动态特性的优点，它是一种最基
0
tห้องสมุดไป่ตู้
本的调节规律 。
y
对于大多数惯性环节，KP太大时会
kPe(t)
t
引起自激震荡。
0
主要缺点是存在静差。对于扰动较
度，而对于一个固定不变的偏差则不会有微 分作用输出。因此，微分作用不能消除静 差，而只能在偏差刚刚出现的时刻产生一个
很大的调节作用。
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比例积分微分控制器（PID）
u
Kp
e
t
1 Ti
e t TD
de(t)
dt
a. 调节过程——首先是比例和微分作用，加强调节作用；
然后再进行积分作用，直到消除静差。
Gc(s)
C (z) c (t)
4
系数
分类 方法 输入量与输出量之关系
数学工具 使用函数 现代控制理论
连续系统
微分方程 拉氏变换 传递函数 状态方程
离散系统 差分方程
Z变换 脉冲传递函数 离散时间状态方程
表 4—1 控制系统的研究方法
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4.1 数字PID控制
PID控制广泛应用的原因：
a. 技术成熟———常规PID、各种PID控制变形； b. 接受程度高——操作人员熟悉； c. 不需要求出数学模型； d. 控制效果好。
第四章 计算机控制系统的控制策略
(1) 模拟系统的过程控制
a. 将被测参数由传感器变成统一的标准信号送入控制器，在控制器中与给 定值进行比较；
b. 然后将比较出的差值经PID运算后送到执行器，改变控制量，以达到自 动调节的目的。
(2) 数字控制器的调节过程
a. 首先将过程参数进行采样，通过模拟量输入通道变成数字量； b. 数字量通过计算按一定控制算法进行运算处理； c. 运算结果由模拟量输出通道输出，通过执行器控制生产，达到给定值。
说明：并非所有工业控制系统都需要使用PID调节器， PI、PD调节器也常常被人们所采用，因为它们比较简单。究 竟使用哪种调节器，应根据具体情况和现场实验进行选定。 16
图 3-21、各种控制规律对控制性能的影响
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4.1.2 数字PID控制器控制算法
1、PID算法的数字化
(1) PID算法的模拟表达式：
ut
Kp
e
t
1 TI
e t TD
det
dt
将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程
n
0
e
t
dt
n
e
j
t
T
n
e
j
j0
j0
d et ek e k 1 e k e k 1
dt
t
T
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(2) 离散PID算法
u(k)
Kp
e
k
T TI
n
e
j0
j TD
T
e k e k
b. PID控制优点——改善静态、动态调节品质；
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PD调节器
PID调节器
e(t)
t 0
t0 y
0 t0
kie(t) t
图 4-6 PD 调节器的阶跃响应曲线
u
K p [e(t)
1 T1
e(t) dt
TD
de(t ) ] dt
e(t)
0
t
y
kPkIe(t) 0
kPkIe(t)
KPe(t)
t
图 4-7 PID 调节器阶跃响应特性曲线
优点：消除静差。只要有偏差存在， 输出就会随时间不断增长，直到偏差消 除，调节器的输出才不会变化。
缺点：作用动作缓慢，且在偏差刚一 出现时，调节器作用很弱，不能及时克服 扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增 大，调节过程增长，因此很少单独使用。
10
11
如果把比例和积分两种作用合起来，就构成PI调节器：
方法对PID进行模拟
给定值 输入通道 A/D
计算机
输出通道 D/A
被控变量
广义对象 y
输入通道 A/D
数字控制器的直接设计——把计算机控制系统中的连续部分数字化，把整
个系统看作离散系统，用离散化的方法设计控制器
R(z)
G(z)
r (t)
e*(t)
+ _ E(z)
D(z)
u*(t)
U(z) Ho(s)
1
(3) 位置型PID算法
U k U k 1 Kp ek ek 1 KIek Kp ek 2ek 1ek 2
计算机
对象
e(t) U(n)=式(4-11) U(n) x(t) +
Wd
c(t)
(a) 位置式控制
图 4-8 DDC 控制原理图
19
(4) 增量式PID算法
U k U k U k 1 K p ek ek 1 KIe k K p e k 2e k 1 e k 2
图 4-1 阶跃响应特性曲线
大、惯性也较大的系统，若采用单纯的比
例调节器，就难于兼顾动态和静态特性 。
7
控制作用u
系统实际输出y
8
对于大多数惯性环节，Kp太大 时会引起自激震荡。
9
2、比例积分控制器（PI）
u
1 TI
e t
dt
e(t)
0
t
y
t 0 图 4-3 积分作用响应曲线
所谓积分作用，是指调节器的输出 与输入偏差的积分成比例的作用。
u
KP
e
t
1 TI
e t
dt
e(t)
e(t)
t
0
y 给定值
y2
0
y1=kPe(t) kIkPe(t) t
图 4-4 PI 调节器的输出特性曲线
既克服了单纯比例调节 器有静差存在的缺点，又避 免了积分调节器响应慢的缺 点，即静态和动态特性均得 到了改善，所以应用比较广 泛。
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13
3、比例微分控制器（PD）
2
f 干扰
r+ e 给定值 _ 偏差
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
r
给定值
测量变送器 (a) 闭环控制系统
控制器
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
(b) 开环控制系统
被控对象
常规图1仪-2 表常规仪控表控制制系系统原统理框图框图
y
被控量
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数字控制器的模拟化设计——利用经典控制理论设计模拟调节器，用数字
de t
u TD dt
e(t)
微分作用，在偏差刚刚出现偏差值尚不 大时，根据偏差变化的趋势，提前给出较大 的调节作用，使偏差尽快消除。由于调节及 时，可以大大减小系统的动态误差及调节时
t 0
t0 y
t
0
t0
图 4-5 微分作用响应特性曲线
间，使过程的动态品质得到改善。 特点：输出只能反应偏差输入变化的速
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第四章 计算机控制系统的控制策略
(3) 计算机实现过程控制的优点
a. 多回路控制——节省设备费用； b. 控制规律灵活多样； c. 系统维护简单、可靠性高； d. 改善调节品质。
(4) 设计数字控制器的方法
a. 用经典控制理论设计模拟控制器，在DDC系统中用数字方法对PID进 行数字模拟；
b. 用采样控制理论进行数字直接分析和设计；