PID控制规律的离散化

2016-10-23 09:25:57 | 人围观 | 评论:

　　　　　　　　　　　　图1模拟PID控制
　　这里，PID控制器的离散化，下两节分别讨论PID算法改进和参数整定过程。
　　PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值r与实际输出值y构成的控制偏差e=r-y的比例、积分、微分，通过线性组合构成控制量(如图5.10所示)，所以简称P(比例)I(积分)D(微分)控制器。
　　连续控制系统中的模拟PID控制规律为
　　

　　　　　(1)
　　式中，u(t)是控制器的输出，e(t)是系统给定量与输出量的偏差，K_P是比例系数，T_I是积分时间常数，T_D是微分时间常数。
　　相应的传递函数为
　　

　　　　　　　(2)
　　下面分别介绍比例调节器、积分调节器和微分调节器的作用：
　　(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K_P。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数K_P可以减小静差，但是K_P过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。
　　(2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数T_I大，则积分作用弱，反之强。增大T_I将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。
　　(3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。
　　计算机控制系统是一种采样控制系统，其只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当选定采样周期为T时，有
　　

　　　　　(3)
　　如果采样周期足够小，这种离散逼近相当准确。上式中，u_i为全量输出，它对应于被控对象的执行机构第i次采样时刻应达到的位置，因此，该式称为PID位置型控制算式。
　　可以看出，按上式计算u_i时，输出值与过去所有状态有关。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，由上式可导出下面的公式：
　　

　　　　　　(4
　　式(4)称为增量型PID控制算式。该式还可以写成
　　

　　　　(5)
　　式(5.22)称为递推型PID控制算式。增量型控制算式具有以下优点：
　　(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；
　　(2)在i时刻的输出u_i，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差e_i-1，e_i-2和前一次的输出值u_i-1，这大大节约了内存和计算时间；
　　(3)在进行手动-自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。
　　控制过程的计算机要求有很强的实时性，用微型计算机作为数字控制器时，由于字长和运算速度的限制，必须采用必要的方法来加快计算速度。下面介绍简化算式的方法.
　　按照式(5)表示的递推型PID算式,计算出每输出一次u_i,要作四次加法，两次减法,四次乘法和两次除法。若将该式稍加合并整理写成如下形式：
　　

　　　　(6)
　　其中
　　

　　可以离线算出，即可加快算法程序的运算速度。
　　按上式编制的数字控制器的程序框图如图2所示。
　　

　　　　　　　　　　　　　　图2 递推型PID控制器程序框图

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