第四章數(shù)據(jù)處理與控制策略

1、4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理從傳感器或者變送器傳輸過來的信號中，通常會摻雜一些噪聲和干擾。模擬系統(tǒng)從傳感器或者變送器傳輸過來的信號中，通常會摻雜一些噪聲和干擾。模擬系統(tǒng)中，一般采取在信號入口端加裝中，一般采取在信號入口端加裝RC低通濾波器的方法，來抑制某些干擾信號。其特低通濾波器的方法，來抑制某些干擾信號。其特點是對高頻干擾信號有較好的抑制，但對低頻干擾信號濾波效果很差。點是對高頻干擾信號有較好的抑制，但對低頻干擾信號濾波效果很差。所謂數(shù)字濾所謂數(shù)字濾波器，就是通過一定的計算和判斷程序減少干擾信號在有用信號中的比重，故數(shù)字波器，就是通過一定的計算和判斷程序減少干擾信號在有用

2、信號中的比重，故數(shù)字濾波器就是一種程序濾波。濾波器就是一種程序濾波。數(shù)字濾波器可以對極低頻的干擾信號進行濾波，以彌補數(shù)字濾波器可以對極低頻的干擾信號進行濾波，以彌補RC濾波器的不足，并且可濾波器的不足，并且可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，極具靈活、方便、功能強的以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，極具靈活、方便、功能強的特點。特點。4.1.14.1.1數(shù)字濾波數(shù)字濾波介紹幾種常用的數(shù)字濾波方法：算術平均值濾波就是對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣多次，介紹幾種常用的數(shù)字濾波方法：算術平均值濾波就是對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣多次，計算其算術平均值作為該點采樣結果。這種方法可以減少系

3、統(tǒng)的隨機干擾對采集結計算其算術平均值作為該點采樣結果。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結果的影響。果的影響。4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理4.加權平均值濾波加權平均值濾波算術平均值濾波，對于算術平均值濾波，對于N次內所有采樣值來說，所占比例是相同的，即取每次采樣次內所有采樣值來說，所占比例是相同的，即取每次采樣值的值的1/N。但有時為了提高濾波效果，將給采樣值取不同的權重，然后相加，此方。但有時為了提高濾波效果，將給采樣值取不同的權重，然后相加，此方法稱為加權平均法。一個法稱為加權平均法。一個n項加權平均式為：項加權平均式為：式中，式中，C0、C1、C2。Cn-1為各次采

4、樣值的系數(shù)，它體現(xiàn)了各次采樣值在平均值為各次采樣值的系數(shù)，它體現(xiàn)了各次采樣值在平均值所占的比例，所占的比例，應滿足下列關系：應滿足下列關系：這些系數(shù)可以根據(jù)具體情況決定。一般采樣次數(shù)愈靠后，取的比例愈大，這樣可增這些系數(shù)可以根據(jù)具體情況決定。一般采樣次數(shù)愈靠后，取的比例愈大，這樣可增加新韻采樣值在平均值里的比例。這種濾波方法可以根據(jù)需要突出信號的某一部分，加新韻采樣值在平均值里的比例。這種濾波方法可以根據(jù)需要突出信號的某一部分，抑制信號的另一部分。抑制信號的另一部分。4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理2.中值濾波中值濾波所謂中值濾波是指對某一參數(shù)連續(xù)進行采樣所謂中值濾波是指對某一

5、參數(shù)連續(xù)進行采樣n次次(一般而取奇數(shù)一般而取奇數(shù))，然后將，然后將n次采樣值次采樣值從小到大排列，或從大到小排隊，再取中間值作為本次采樣值。從小到大排列，或從大到小排隊，再取中間值作為本次采樣值。中值濾波對于去掉由于偶爾因素引起的波動，或采樣器不穩(wěn)定而引起的脈動干擾比中值濾波對于去掉由于偶爾因素引起的波動，或采樣器不穩(wěn)定而引起的脈動干擾比較有效，若變化量緩慢，采用中值濾波比較有效，但是對快速變化過程的參數(shù)，如較有效，若變化量緩慢，采用中值濾波比較有效，但是對快速變化過程的參數(shù)，如流量則不宜采用。流量則不宜采用。3.慣性濾波法慣性濾波法為提高濾波效果，可以仿照模擬系統(tǒng)為提高濾波效果，可以仿照模擬

6、系統(tǒng)RC低通濾波器的方法，將普通硬件低通濾波器的方法，將普通硬件RC低通濾低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，用軟件算法來模擬硬件濾波器的功能。波器的微分方程用差分方程來表示，用軟件算法來模擬硬件濾波器的功能。典型典型RC低通濾波器的動態(tài)方程為：低通濾波器的動態(tài)方程為：式中，式中，Tf= RC，稱為濾波器時間常數(shù)，稱為濾波器時間常數(shù)，x是測量值，是測量值，y是經(jīng)濾波后的測量值。離散化是經(jīng)濾波后的測量值。離散化可得低通濾波算法為：可得低通濾波算法為： y(k)=ay(k一一1)十（十（1-a）x（k）該種濾波方法模擬了具有較大慣性的低通濾波功能，主要適用于高頻和低頻的干擾該種濾波方法模擬了具有

7、較大慣性的低通濾波功能，主要適用于高頻和低頻的干擾信號。信號。4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理1.程序判斷濾波法程序判斷濾波法從傳感器或者變送器采樣來的信號當混雜了嚴重干擾信號時，可采用程序判斷濾波。從傳感器或者變送器采樣來的信號當混雜了嚴重干擾信號時，可采用程序判斷濾波。程序判斷的方法，是根據(jù)經(jīng)驗，確定出兩次采樣輸入的信號可能出現(xiàn)的最大偏差程序判斷的方法，是根據(jù)經(jīng)驗，確定出兩次采樣輸入的信號可能出現(xiàn)的最大偏差y，若超過此偏差值，則表明該輸入信號中串入干擾信號，應當舍棄；若小于此偏差值，若超過此偏差值，則表明該輸入信號中串入干擾信號，應當舍棄；若小于此偏差值，可將信號做為本次采

8、樣值?？蓪⑿盘栕鰹楸敬尾蓸又?。程序判斷濾波根據(jù)濾波方法的不同，可分為兩種，一是限幅濾波，二是限速濾波。程序判斷濾波根據(jù)濾波方法的不同，可分為兩種，一是限幅濾波，二是限速濾波。（1）限幅濾波）限幅濾波限幅濾波的做法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量限幅濾波的做法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量(以絕對值表示以絕對值表示)，然后與兩，然后與兩次采樣允許的最大差值次采樣允許的最大差值(由控制對象的實際情況決定由控制對象的實際情況決定)y進行比較，若小于或等于進行比較，若小于或等于y，則取本次采樣值則取本次采樣值;若大于若大于y則仍取上次采樣值，即則仍取上次采樣值，即:4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)

9、處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理（2）限速濾波）限速濾波限幅濾波是取兩次采樣值來決定采樣結杲，而限速濾波則最多可用三次采樣值來決定限幅濾波是取兩次采樣值來決定采樣結杲，而限速濾波則最多可用三次采樣值來決定采樣結果。采樣結果。其判別采樣原理如下其判別采樣原理如下:4.2.2數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理在數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中，計算機通過數(shù)字濾波方法可以獲得有關現(xiàn)場的比較真實在數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中，計算機通過數(shù)字濾波方法可以獲得有關現(xiàn)場的比較真實的被測參數(shù)，但此信號有時不能直接使用，需要進一步數(shù)學處理或給用戶特別提示。的被測參數(shù)，但此信號有時不能直接使用，需要進一步數(shù)學處理或給用戶特別提示。1線性化處理線性化處理計算機從

10、模擬量輸入通道得到的檢測信號與該信號所代表的物理量之間不一定成線計算機從模擬量輸入通道得到的檢測信號與該信號所代表的物理量之間不一定成線性關系。但我們希望計算機內部參與運算與控制的二進制數(shù)與被測參數(shù)之間成線性性關系。但我們希望計算機內部參與運算與控制的二進制數(shù)與被測參數(shù)之間成線性關系，這樣既便于運算又便于數(shù)字顯示，因此就須對數(shù)據(jù)做線性化處理。關系，這樣既便于運算又便于數(shù)字顯示，因此就須對數(shù)據(jù)做線性化處理。4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理常用的數(shù)據(jù)處理方法有計算法、插值法、折線法：常用的數(shù)據(jù)處理方法有計算法、插值法、折線法：（1）計算法）計算法4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾

11、波和數(shù)據(jù)處理（2）插值法）插值法計算機非線性處理應用最多的方法就是插值法。其實質是找出一種簡單的、便于計算計算機非線性處理應用最多的方法就是插值法。其實質是找出一種簡單的、便于計算處理的近似表達式代替非線性參數(shù)。用這種方法得到的公式叫做插值公式。常用的插處理的近似表達式代替非線性參數(shù)。用這種方法得到的公式叫做插值公式。常用的插值公式有多項式插值公式、拉格朗日插值公式、線性插值公式等值公式有多項式插值公式、拉格朗日插值公式、線性插值公式等,這里只介紹第一種。這里只介紹第一種。4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理(3)(3)折線法折線法上述兩種方法都可能會帶來大量運算，對于小型工控機來

12、說，占用內存比較大，為簡上述兩種方法都可能會帶來大量運算，對于小型工控機來說，占用內存比較大，為簡單起見，可以分段進行線性化，即用多段折線代替曲線。單起見，可以分段進行線性化，即用多段折線代替曲線。線性化過程是：首先判斷測量數(shù)據(jù)處于哪一折線段內，然后按相應段的線性化公式計線性化過程是：首先判斷測量數(shù)據(jù)處于哪一折線段內，然后按相應段的線性化公式計算出線性值。折線段的分法并不是唯一的，可以視具體情況和要求來定。當然，折線算出線性值。折線段的分法并不是唯一的，可以視具體情況和要求來定。當然，折線段數(shù)越多，線性化精度越高，軟件的開銷也就相應增加。段數(shù)越多，線性化精度越高，軟件的開銷也就相應增加。此外，

13、還可將非線性關系轉化為表格形式存在計算機內，在線的工作量僅僅是根據(jù)采此外，還可將非線性關系轉化為表格形式存在計算機內，在線的工作量僅僅是根據(jù)采樣值查表獲得相應結果。樣值查表獲得相應結果。4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理3標度變換標度變換在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)中的各個參數(shù)都有不同的數(shù)值和量綱，如壓力的單位為在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)中的各個參數(shù)都有不同的數(shù)值和量綱，如壓力的單位為Pa，流量的單位為，流量的單位為m3 /h，溫度的單位為，溫度的單位為等等。這些參數(shù)都經(jīng)過變送器轉換成等等。這些參數(shù)都經(jīng)過變送器轉換成A/D轉換器能接收的轉換器能接收的0-5 V電壓信號，又由電壓信號，又

14、由A/D轉換成轉換成00 - FFH（8位）的數(shù)字量，它位）的數(shù)字量，它們不再是帶量綱的參數(shù)值，而是僅代表參數(shù)值的相對大小。為方便操作人員操作以們不再是帶量綱的參數(shù)值，而是僅代表參數(shù)值的相對大小。為方便操作人員操作以及滿足一些運算、顯示和打印的要求，必須把這些數(shù)字量轉換成帶有量綱的數(shù)值，及滿足一些運算、顯示和打印的要求，必須把這些數(shù)字量轉換成帶有量綱的數(shù)值，這就是所謂的標度變換。這就是所謂的標度變換。(1)線性參數(shù)標度變換線性參數(shù)標度變換所謂線性參數(shù)，指一次儀表測量值與所謂線性參數(shù)，指一次儀表測量值與A/D轉換結果具有線性關系，或者說一次儀表轉換結果具有線性關系，或者說一次儀表是線性刻度的。其

15、標度變換公式為：是線性刻度的。其標度變換公式為：式中，式中，A A0 0為一次測量儀表的下限，為一次測量儀表的下限，A Am m為一次測量儀表的上限，為一次測量儀表的上限，A Ax x為實際測量值（工程為實際測量值（工程量），量），N N0 0為儀表下限對應的數(shù)字量，為儀表下限對應的數(shù)字量，N Nm m為儀表上限對應的數(shù)字量，為儀表上限對應的數(shù)字量，N Nx x為測量值所對應為測量值所對應的數(shù)字量。的數(shù)字量。 其中，其中，A A0 0，A Am m，N N0 0，N Nm m對于某一個固定的被測參數(shù)來說是常數(shù)，不同的參數(shù)有不同對于某一個固定的被測參數(shù)來說是常數(shù)，不同的參數(shù)有不同的值。為使程序簡

16、單，一般把被測參數(shù)的起點的值。為使程序簡單，一般把被測參數(shù)的起點A A0 0（輸入信號為（輸入信號為0 0）所對應的）所對應的A/DA/D輸出輸出值為值為0 0，即，即N N0 0=0=0，這樣式可化為，這樣式可化為: :4.14.1數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理有時，工程量的實際值還需經(jīng)有時，工程量的實際值還需經(jīng)過一次變換，如電壓測量值是過一次變換，如電壓測量值是電壓互感器的二次測量的電壓，電壓互感器的二次測量的電壓，與一次測量的電壓還有一個互與一次測量的電壓還有一個互感器的變比問題，這時上式應感器的變比問題，這時上式應再乘上一個比例系數(shù)：再乘上一個比例系數(shù)：講解書講解書P109范例范

17、例(2)非線性參數(shù)標度變換非線性參數(shù)標度變換 在過程控制中，最常見的非線性關系是差壓變在過程控制中，最常見的非線性關系是差壓變送器信號送器信號P與流量與流量F的關系。的關系。測量流量時的標度變換式為：測量流量時的標度變換式為：式中，式中，G0為流量儀表下限值，為流量儀表下限值，Gm為流量儀表上為流量儀表上限值，限值，Gx為被測量的流量值，為被測量的流量值，N0為差壓變送器為差壓變送器下限所對應的數(shù)字量，下限所對應的數(shù)字量，Nm為差壓變送器上限所為差壓變送器上限所對應的數(shù)字量，對應的數(shù)字量，Nx為差壓變送器所測得的差壓為差壓變送器所測得的差壓值（數(shù)字量）。值（數(shù)字量）。4越限報警處理越限報警處理

18、 5.死區(qū)處理死區(qū)處理4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法（1 1）計算機控制系統(tǒng)的任務是對生產(chǎn)過程的參數(shù)、運行量等進行控制，使得生產(chǎn)）計算機控制系統(tǒng)的任務是對生產(chǎn)過程的參數(shù)、運行量等進行控制，使得生產(chǎn)過程或被控對象處于較佳的運行狀態(tài)，即達到較佳的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。過程或被控對象處于較佳的運行狀態(tài)，即達到較佳的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。（2 2）在計算機控制系統(tǒng)中所采用的控制規(guī)律有許多，其中，）在計算機控制系統(tǒng)中所采用的控制規(guī)律有許多，其中，PIDPID是控制系統(tǒng)中應用是控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。本節(jié)主要介紹數(shù)字最為廣泛的一種控制規(guī)律。本節(jié)主要介紹數(shù)字PIDPID控制算法的實現(xiàn)、改進

19、和控制算法的實現(xiàn)、改進和PIDPID參數(shù)參數(shù)的整定方法。的整定方法。6.1 PID 6.1 PID 控制的概述控制的概述如圖所示為模擬控制系統(tǒng)的原理框圖。被測量如圖所示為模擬控制系統(tǒng)的原理框圖。被測量y y與與給定值給定值r r比較形成偏差比較形成偏差e e，控制器以，控制器以e e為輸人，按一為輸人，按一定的控制規(guī)律形成控制量仂，通過執(zhí)行機構完成對定的控制規(guī)律形成控制量仂，通過執(zhí)行機構完成對被控對象的控制，最終使得被控量被控對象的控制，最終使得被控量y y運行在給定值運行在給定值r r。說明：說明：（1 1）PIDPID調節(jié)是調節(jié)是ProportionalProportional（比例）、（

20、比例）、integralintegral（積分）、（積分）、DifferentialDifferential（微分）（微分）三者的縮寫三者的縮寫, ,是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。其控制規(guī)是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。其控制規(guī)律可表示為：律可表示為：u u（t t）：控制器的輸出信號、及控制量。）：控制器的輸出信號、及控制量。e e（t t）：控制器的輸入偏差，它等于測量值與給定值之差。）：控制器的輸入偏差，它等于測量值與給定值之差。 KpKp-比例系數(shù)，也稱比例增益。比例系數(shù)，也稱比例增益。Ti-Ti-積分時間常數(shù)。積分時間常數(shù)。 TD-TD-微分

21、時間常數(shù)。微分時間常數(shù)。（2 2）PIDPID控制中實質上包含了三種控制，即比例控制中實質上包含了三種控制，即比例P P控制、積分控制、積分I I控制和微分控制和微分D D控制。控制。P P控制能迅速地反應偏差，其控制作用的大小與偏差成比例，但比例控制不能完控制能迅速地反應偏差，其控制作用的大小與偏差成比例，但比例控制不能完全消除偏差。一般說來，比例系數(shù)太大會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。全消除偏差。一般說來，比例系數(shù)太大會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法I控制的作用是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，積分控制就會起作用，因此，控制的作用是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，

22、積分控制就會起作用，因此，積分控制有利于偏差的消除。但積分控制作用太強，超調量增大，使反饋信號反向增積分控制有利于偏差的消除。但積分控制作用太強，超調量增大，使反饋信號反向增大導致相反調節(jié)甚至產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱。大導致相反調節(jié)甚至產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱。D控制能夠迅速地反映偏差的變化率，因而能使控制器具有控制能夠迅速地反映偏差的變化率，因而能使控制器具有“超前超前”控制的功能。控制的功能。根據(jù)自動控制理論可知，適當?shù)貞梦⒎挚刂瓶梢詼p少控制系統(tǒng)輸出的超調量，并且，根據(jù)自動控制理論可知，適當?shù)貞梦⒎挚刂瓶梢詼p少控制系統(tǒng)輸出的超調量，并且，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。

23、 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量。因此，在計算機控制系統(tǒng)中，我們需用數(shù)字形式的差分方程來近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微因此，在計算機控制系統(tǒng)中，我們需用數(shù)字形式的差分方程來近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。分方程。 計算機控制系統(tǒng)中，必須把上式離散化，得到數(shù)字計算機控制系統(tǒng)中，必須把上式離散化，得到數(shù)字PID調節(jié)器控制算式，才能編寫調節(jié)器控制算式，才能編寫PID控制程序。控制程序。4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法比例訓節(jié)器雖然有結構簡單、調節(jié)及時、調節(jié)速度快等優(yōu)點，但是當僅有比例控比例訓節(jié)器雖然有

24、結構簡單、調節(jié)及時、調節(jié)速度快等優(yōu)點，但是當僅有比例控制時，系統(tǒng)的輸出存在著穩(wěn)態(tài)誤差，比例調節(jié)器的階躍響應特性曲線如圖制時，系統(tǒng)的輸出存在著穩(wěn)態(tài)誤差，比例調節(jié)器的階躍響應特性曲線如圖4.5所示所示4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法比例積分訓節(jié)器的輸出特性曲線如圖比例積分訓節(jié)器的輸出特性曲線如圖4.7所示所示4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法3 3比例微分調節(jié)器比例微分調節(jié)器PIPI調節(jié)器雖然可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，響應速度也比較快，但是當被控對象的慣調節(jié)器雖然可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，響應速度也比較快，但是當被控對象的慣性比較大時，其調節(jié)品質仍然不能

25、滿足要求。這時有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，性比較大時，其調節(jié)品質仍然不能滿足要求。這時有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不僅對偏差做出即時反應，而且還要對偏差量的變化做出反應。也就是說，根據(jù)偏不僅對偏差做出即時反應，而且還要對偏差量的變化做出反應。也就是說，根據(jù)偏差變化的趨勢，提前給山較大的調節(jié)作用，及剛消除系統(tǒng)的偏差：為了達到這一目差變化的趨勢，提前給山較大的調節(jié)作用，及剛消除系統(tǒng)的偏差：為了達到這一目的，可以在調節(jié)器中加入微分作用，不儀可以大大減小系統(tǒng)的偏差，而且加快了系的，可以在調節(jié)器中加入微分作用，不儀可以大大減小系統(tǒng)的偏差，而且加快了系統(tǒng)的調節(jié)速度，改善了控制過程的動態(tài)品質。統(tǒng)的調節(jié)速

26、度，改善了控制過程的動態(tài)品質。 微分調節(jié)器的控制規(guī)律為：微分調節(jié)器的控制規(guī)律為：式中：式中：TD是微分時間常數(shù)，是微分時間常數(shù)，TD越大，微分作用就越強越大，微分作用就越強4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法微分調節(jié)及比例微分調節(jié)器曲線：微分調節(jié)及比例微分調節(jié)器曲線：4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法 在工業(yè)控制領域，實際的被控對象一般都是具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，考慮此在工業(yè)控制領域，實際的被控對象一般都是具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，考慮此滯后影響，我們可得到模擬滯后影響，我們可得到模擬PID調節(jié)器的傳遞函數(shù)：調節(jié)器的傳遞函數(shù)： kP、kI、TD分別

27、是比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。分別是比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。通過上述討論，我們可得出結論：按照理想控制設計出來的控制器是一個通過上述討論，我們可得出結論：按照理想控制設計出來的控制器是一個PID調節(jié)調節(jié)器。對于一般的工業(yè)被控對象，它是一個理想的調節(jié)器，只要選擇合適的參數(shù)，經(jīng)器。對于一般的工業(yè)被控對象，它是一個理想的調節(jié)器，只要選擇合適的參數(shù)，經(jīng)過原系統(tǒng)的滯后時間后，其輸出就可以準確地跟蹤輸入。這也是在工業(yè)摔制中大量過原系統(tǒng)的滯后時間后，其輸出就可以準確地跟蹤輸入。這也是在工業(yè)摔制中大量應用應用PID調節(jié)器的原因。調節(jié)器的原因。4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法4.2

28、.2 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)算法的數(shù)字實現(xiàn) 模擬模擬PID調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律為：調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律為：計算機控制系統(tǒng)中，必須把式計算機控制系統(tǒng)中，必須把式(4-28)離散化，得到數(shù)字離散化，得到數(shù)字PID調節(jié)器的控制算式，才調節(jié)器的控制算式，才能編寫能編寫PID控制程序，用軟什實現(xiàn)控制程序，用軟什實現(xiàn)PID控制。離散化后的控制。離散化后的PID控制算式為：控制算式為：式式(4-29)表示的控制算式提供了執(zhí)行機構在第表示的控制算式提供了執(zhí)行機構在第K個采樣時刻的位置個采樣時刻的位置u(k)，比如用，比如用PID控控制器控制閥門的開度，其輸出制器控制閥門的開度，其輸出u(k)與閥門開度的位置一一對應，所

29、以被稱為位置式的與閥門開度的位置一一對應，所以被稱為位置式的PID控制算式，其控制示意圖如圖控制算式，其控制示意圖如圖4.1所示：所示：4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法從上式可以看出，要想計算出從上式可以看出，要想計算出u(k)，必須把前面所有時刻的偏差，必須把前面所有時刻的偏差e（i）進行累加，計）進行累加，計算量比較大，編程也比較復雜，而且存儲多個偏差值，也會占用大量的存儲空間。為算量比較大，編程也比較復雜，而且存儲多個偏差值，也會占用大量的存儲空間。為了簡化運算，改動為如下式了簡化運算，改動為如下式:式中：式中：u(k-l)u(k-l)對應執(zhí)行機構在第對應執(zhí)行機構在第k-lk-l個

30、采樣時刻的位置，所以其輸出個采樣時刻的位置，所以其輸出u(k)u(k)提供了執(zhí)提供了執(zhí)行機構在第行機構在第k k個采樣時刻位置的增量，因此被稱為增量式的個采樣時刻位置的增量，因此被稱為增量式的PIDPID控制算式?？刂扑闶?。4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法整理和變形上式可得增量式整理和變形上式可得增量式PID控制算式為如下形式：控制算式為如下形式：其控制示意圖如圖其控制示意圖如圖4.12所示所示:(控制步進電機時可以應用增量式控制步進電機時可以應用增量式PID控制器，在執(zhí)行過控制器，在執(zhí)行過程中用步進電機實現(xiàn)位置的累積，對位置的增量進行累加。程中用步進電機實現(xiàn)位置的累積，對位置的增量進行

31、累加。)4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法位置式位置式PID控制算法和增控制算法和增量式量式PID控制算法的流程控制算法的流程圖如圖圖如圖4.13所示：所示：增量式增量式PID控制器與位置控制器與位置式式PID控制器相比，有以控制器相比，有以下優(yōu)點。下優(yōu)點。 位置式位置式PID控制器輸控制器輸出的是執(zhí)行機構的位置，出的是執(zhí)行機構的位置，控制算式要對過去所有的控制算式要對過去所有的偏差值進行累加，因此容偏差值進行累加，因此容易產(chǎn)生累積誤差。增量式易產(chǎn)生累積誤差。增量式PID控制器輸出的是位置控制器輸出的是位置的增量，計算時只用到最的增量，計算時只用到最近近3次偏差，不需要累加誤次偏差，不需要

32、累加誤差，計算誤差或精度對控差，計算誤差或精度對控制量的影響比較小。制量的影響比較小。4.2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法位置式位置式PID控制器輸出的是控制量的全量控制器輸出的是控制量的全量u(k)，增量式，增量式PID控制器輸出的是控制控制器輸出的是控制量的增量量的增量u(k)，使用相同的計算機，使用相同的計算機，u(k)比比u(k)小很多，因此當控制器的輸出產(chǎn)生小很多，因此當控制器的輸出產(chǎn)生誤動作，增量式誤動作，增量式PID控制器對系統(tǒng)的影響比較小。當計算機出現(xiàn)故障，控制器對系統(tǒng)的影響比較小。當計算機出現(xiàn)故障，u(k)為零時，為零時，系統(tǒng)仍然可以保持在原來的位置，與所需的位置差距并不太

33、大，可靠性比較高。系統(tǒng)仍然可以保持在原來的位置，與所需的位置差距并不太大，可靠性比較高。手動控制就是需要人對系統(tǒng)進行控制，自動控制就是不需要人的干預，由計算機來手動控制就是需要人對系統(tǒng)進行控制，自動控制就是不需要人的干預，由計算機來控制系統(tǒng)。不論怎么控制，每次執(zhí)行機構的變化都是控制系統(tǒng)。不論怎么控制，每次執(zhí)行機構的變化都是u(k)，所以增量式，所以增量式PID控制器控制器在切換控制方式時，不會對系統(tǒng)產(chǎn)生太大的沖擊在切換控制方式時，不會對系統(tǒng)產(chǎn)生太大的沖擊.正是因為有以上優(yōu)點，增量式正是因為有以上優(yōu)點，增量式PID控制器比位置式控制器比位置式PID控制器的應用更為廣泛?？刂破鞯膽酶鼮閺V泛。4.

34、2 數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法 位置式位置式PIDPID控制算法和增量式控制算法和增量式PIDPID控制算法是兩種標準的控制算法是兩種標準的PIDPID控制。在使用過程中，控制。在使用過程中，由于執(zhí)行機構、被控對象、工業(yè)環(huán)境、控制要求等各方面的原因，標準的由于執(zhí)行機構、被控對象、工業(yè)環(huán)境、控制要求等各方面的原因，標準的PIDPID控制往控制往往不能滿足要求，因此必須對往不能滿足要求，因此必須對PIDPID控制算法進行改進。用計算機實現(xiàn)控制算法進行改進。用計算機實現(xiàn)PIDPID控制，可以根控制，可以根據(jù)系統(tǒng)的實際要求，對據(jù)系統(tǒng)的實際要求，對PIDPID控制算法靈活改動，達到提高調節(jié)品質的目的

35、。下面介紹控制算法靈活改動，達到提高調節(jié)品質的目的。下面介紹幾種改進的幾種改進的PIDPID控制算法?？刂扑惴?。4.3.1 對積分項的改進對積分項的改進 積分項的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是由于計算機的字長、系統(tǒng)的慣性、積積分項的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是由于計算機的字長、系統(tǒng)的慣性、積分的飽和作用以及執(zhí)行機構的性能等各方面的原因，在積分項的作用下，系統(tǒng)會產(chǎn)分的飽和作用以及執(zhí)行機構的性能等各方面的原因，在積分項的作用下，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的超調，其控制品質變差，因此必須對積分項進行改進。生較大的超調，其控制品質變差，因此必須對積分項進行改進。1減小積分整量化誤差的方法減小積分整量化誤差的方法

36、由式由式(4-32)可知，增量式可知，增量式PID控制算式中的積分項為控制算式中的積分項為:4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法當采樣周期比較小，積分時間常數(shù)比較大，由于計算機字長的限制，其運算結果有可當采樣周期比較小，積分時間常數(shù)比較大，由于計算機字長的限制，其運算結果有可能小于計算機的最低有效位，在運算的時候，積分項的輸出就可能被計算機取整，當能小于計算機的最低有效位，在運算的時候，積分項的輸出就可能被計算機取整，當作零而舍掉，積分作用消失，產(chǎn)生誤差。這種由于計算機取整而產(chǎn)生的積分項輸出誤作零而舍掉，積分作用消失，產(chǎn)生誤差。這種由

37、于計算機取整而產(chǎn)生的積分項輸出誤差稱為積分整量化誤差，計算機字長的限制是產(chǎn)生整量化誤差的原因。差稱為積分整量化誤差，計算機字長的限制是產(chǎn)生整量化誤差的原因。 例如，某字長為例如，某字長為8位的計算機控制系統(tǒng)中，采用增量式位的計算機控制系統(tǒng)中，采用增量式PID控制器，比例系數(shù)控制器，比例系數(shù)kp=l，積分時間常數(shù)積分時間常數(shù)Ti=l0s，采樣周期，采樣周期T=1s，當數(shù)字量偏差，當數(shù)字量偏差e(k)=0.01，對應的積分項輸出為，對應的積分項輸出為:此時積分項的輸出小于計算機的最低有效位，計算機會把它當作零舍去，控制器的此時積分項的輸出小于計算機的最低有效位，計算機會把它當作零舍去，控制器的積分

38、環(huán)節(jié)就沒起作用。只有數(shù)字量偏差增大到一定程度，積分項輸出才能大于計算積分環(huán)節(jié)就沒起作用。只有數(shù)字量偏差增大到一定程度，積分項輸出才能大于計算機的最低有效位，積分環(huán)節(jié)才能起作用。積分整量化誤差的存在勢必使系統(tǒng)存在靜機的最低有效位，積分環(huán)節(jié)才能起作用。積分整量化誤差的存在勢必使系統(tǒng)存在靜差，必須予以消除。差，必須予以消除。通常采用兩種方法來解決這個問題：通常采用兩種方法來解決這個問題：擴大計算機的字長，增加計算機的位數(shù)，提高運算精度。擴大計算機的字長，增加計算機的位數(shù)，提高運算精度。4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法當積分項的輸出小于計當積分項的輸出小于計算機的最低有效位算機的最低有

39、效位時，時，不要把它們當作零舍去，不要把它們當作零舍去，而是把它們一次次累加起而是把它們一次次累加起來，直到積分項輸出的數(shù)來，直到積分項輸出的數(shù)字量大于最低有效位，把字量大于最低有效位，把整數(shù)作為積分項進行運算，整數(shù)作為積分項進行運算，小數(shù)部分作為下次累加的小數(shù)部分作為下次累加的基數(shù)值。這種改進的基數(shù)值。這種改進的PID控制算法稱為防止積分整控制算法稱為防止積分整量化誤差的量化誤差的PID控制算法，控制算法，其控制算式可以寫成其控制算式可以寫成:4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法2 2積分飽和及其抑制方法積分飽和及其抑制方法(1)(1)積分飽和產(chǎn)生的原因及其危害積分飽和產(chǎn)生的原因

40、及其危害實際控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機構的物理性能和機械性能的約束，把控制變量及其變實際控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機構的物理性能和機械性能的約束，把控制變量及其變化率限制在有限的范圍內，即化率限制在有限的范圍內，即UminUUmaxUminUUmax。如果計算機輸出的控制量如果計算機輸出的控制量U U在在UminUmin，UmaxUmax范圍內，那么系統(tǒng)就會按照期望的過程進范圍內，那么系統(tǒng)就會按照期望的過程進行控制：如果控制量行控制：如果控制量“UUminUUmin。或?；騏UmaxUUmax，會受執(zhí)行機構的限制，雖然計算機有，會受執(zhí)行機構的限制，雖然計算機有控制量輸出，但是執(zhí)行機構只能按照控制量控制量

41、輸出，但是執(zhí)行機構只能按照控制量U=UminU=Umin或或U=UmaxU=Umax來運行，系統(tǒng)不會按期來運行，系統(tǒng)不會按期望的過程進行控制，由此將不能得到期望的控制效果。比如控制閥門的開度或直流望的過程進行控制，由此將不能得到期望的控制效果。比如控制閥門的開度或直流電機的轉速，閥門不可能無限地開大或關小，電機的速度也不可能一直加快或減慢，電機的轉速，閥門不可能無限地開大或關小，電機的速度也不可能一直加快或減慢，達到其極限值后，閥門的開度或直流電機的轉速就不會再變化，這就是執(zhí)行機構的達到其極限值后，閥門的開度或直流電機的轉速就不會再變化，這就是執(zhí)行機構的飽和效應。飽和效應。 在位置式的數(shù)字在位

42、置式的數(shù)字PIDPID控制系統(tǒng)中，大幅度變動給定值或者突然啟動、停止時，系控制系統(tǒng)中，大幅度變動給定值或者突然啟動、停止時，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的偏差，這些偏差經(jīng)過積分項的累加，有可能使控制量超出執(zhí)行機構統(tǒng)會產(chǎn)生較大的偏差，這些偏差經(jīng)過積分項的累加，有可能使控制量超出執(zhí)行機構的有限范圍，不能及時按照控制量的要求動作，產(chǎn)生飽和效應，使超調量增大甚至的有限范圍，不能及時按照控制量的要求動作，產(chǎn)生飽和效應，使超調量增大甚至振蕩，影響控制效果，這種飽和現(xiàn)象是由積分項引起的，所以被稱為積分飽和。振蕩，影響控制效果，這種飽和現(xiàn)象是由積分項引起的，所以被稱為積分飽和。下面就介紹幾種常用的抑制積分飽和的方法：下面就

43、介紹幾種常用的抑制積分飽和的方法：4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法(2)(2)積分分離法積分分離法減小積分飽和的關鍵在于使積分項的累積不要太大。積分分離法的基本思想是：當偏減小積分飽和的關鍵在于使積分項的累積不要太大。積分分離法的基本思想是：當偏差差e(k)e(k)大于一定的閾值，就舍棄積分環(huán)節(jié)，進行大于一定的閾值，就舍棄積分環(huán)節(jié)，進行PDPD控制，使累加的偏差和不至于太大；控制，使累加的偏差和不至于太大；當偏差當偏差e(k)e(k)較小的時候，引入積分環(huán)節(jié)，進行較小的時候，引入積分環(huán)節(jié)，進行PIDPID控制，消除系統(tǒng)靜差。這樣，既?？刂?，消除系統(tǒng)靜差。這樣，既保證了系統(tǒng)無靜差

44、，又使系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性。證了系統(tǒng)無靜差，又使系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性。積分分離的積分分離的PIDPID控制算式為：控制算式為：控制作用剛開始時偏差很大，采用積分分離法，積分環(huán)節(jié)不起作用，不累加偏差，防控制作用剛開始時偏差很大，采用積分分離法，積分環(huán)節(jié)不起作用，不累加偏差，防止了積分項過大；當偏差進入閾值限定的誤差帶才開始累加偏差，有利于消除靜差。止了積分項過大；當偏差進入閾值限定的誤差帶才開始累加偏差，有利于消除靜差。即使系統(tǒng)進入飽和區(qū)，由于累積的偏差和較小，也能較快退出飽和區(qū)，減小超調，改即使系統(tǒng)進入飽和區(qū)，由于累積的偏差和較小，也能較快退出飽和區(qū)，減小超調，改善系統(tǒng)的輸出特性。善系統(tǒng)的輸出特性

45、。積分分離的積分分離的PID控制算法的程序流程圖如圖所示?？刂扑惴ǖ某绦蛄鞒虉D如圖所示。4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法積分分離的積分分離的PID控制算法的程序控制算法的程序流程圖：流程圖：(3)(3)變速積分的變速積分的PIDPID算法算法積分分離的積分分離的PIDPID控制中，當偏差比較大的時候，控制中，當偏差比較大的時候，積分項不起作用，積分項前面的系數(shù)積分項不起作用，積分項前面的系數(shù)a=0a=0；當偏；當偏差在閾值限定的誤差帶，積分項累加偏差，積分差在閾值限定的誤差帶，積分項累加偏差，積分項前面的系數(shù)項前面的系數(shù)a=1a=1，它對積分項采用開關控制，它對積分項采用開關控

46、制，a a是突變的。變速積分的實質是改進的積分分離法，是突變的。變速積分的實質是改進的積分分離法，其基本思想是根據(jù)偏差的大小改變積分項的累加其基本思想是根據(jù)偏差的大小改變積分項的累加速度。偏差越大，累加速度越慢，積分作用越弱；速度。偏差越大，累加速度越慢，積分作用越弱；偏差越小，累加速度越快，積分作用越強。在變偏差越小，累加速度越快，積分作用越強。在變速積分中，速積分中，a a是緩慢變化的，它對積分項采用線是緩慢變化的，它對積分項采用線性控制，比積分分離的性控制，比積分分離的PIDPID控制算法更優(yōu)越?？刂扑惴ǜ鼉?yōu)越。4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法4.3.24.3.2對微分項

47、的改進對微分項的改進在標準的在標準的PIDPID控制算式中，微分項表示誤差的變化率。當變化率很大時，微分項的控制算式中，微分項表示誤差的變化率。當變化率很大時，微分項的輸出就會急劇增加，很容易引起調節(jié)過程的振蕩，導致調節(jié)品質下降，因此必須對輸出就會急劇增加，很容易引起調節(jié)過程的振蕩，導致調節(jié)品質下降，因此必須對微分項進行改進。微分項進行改進。1 1不完全微分的不完全微分的PIDPID算法算法不完全微分的不完全微分的PIDPID算法的基本思想是：把算法的基本思想是：把PIDPID控制中的微分環(huán)節(jié)串聯(lián)上一個慣性環(huán)節(jié)，控制中的微分環(huán)節(jié)串聯(lián)上一個慣性環(huán)節(jié)，改為不完全微分環(huán)節(jié)，克服完全微分的缺點。改為不

48、完全微分環(huán)節(jié)，克服完全微分的缺點。完全微分的完全微分的PIDPID控制器的傳遞函數(shù)為控制器的傳遞函數(shù)為4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法下圖為反映單位階躍作用下，兩種下圖為反映單位階躍作用下，兩種PID控制器的輸出特性?？刂破鞯妮敵鎏匦浴膱D從圖4.17(a)4.17(a)可以看出，完全微分的可以看出，完全微分的PIDPID控制中，微分環(huán)節(jié)只在第一個采樣周期起作控制中，微分環(huán)節(jié)只在第一個采樣周期起作用，而且控制量急劇上升或下降，微分作用很強，可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩或失控。而用，而且控制量急

49、劇上升或下降，微分作用很強，可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩或失控。而不完全微分的不完全微分的PIDPID控制中，微分項串聯(lián)了一個慣性環(huán)節(jié)，使微分作用緩慢持續(xù)多個采控制中，微分項串聯(lián)了一個慣性環(huán)節(jié)，使微分作用緩慢持續(xù)多個采樣周期，按照指數(shù)規(guī)律逐漸衰減到零，響應過程更加平滑，因而系統(tǒng)不易產(chǎn)生振蕩，樣周期，按照指數(shù)規(guī)律逐漸衰減到零，響應過程更加平滑，因而系統(tǒng)不易產(chǎn)生振蕩，可以獲得較好的控制效果。可以獲得較好的控制效果。4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法2 2微分先行的微分先行的PIDPID算法算法 微分先行的微分先行的PIDPID算法有兩種形式：剝被控量微分先行和對偏差微分先行，其結構分算法有兩種

50、形式：剝被控量微分先行和對偏差微分先行，其結構分別如圖別如圖4.184.18和圖和圖4.194.19所示。所示。被控量微分先行和標準的被控量微分先行和標準的PIDPID控制相比，不同之處在于，它只對被控量微分，不對控制相比，不同之處在于，它只對被控量微分，不對偏差進行微分。也就是說，在對偏差進行偏差進行微分。也就是說，在對偏差進行PJPJ控制之前，先對被控量進行微分。這種控制之前，先對被控量進行微分。這種算法適用于給定值頻繁升降的場合，可以避免給定值頻繁升降所帶來的沖擊，防止算法適用于給定值頻繁升降的場合，可以避免給定值頻繁升降所帶來的沖擊，防止超調量過大，使系統(tǒng)不會因為調節(jié)閥動作劇烈而產(chǎn)生振

51、蕩。超調量過大，使系統(tǒng)不會因為調節(jié)閥動作劇烈而產(chǎn)生振蕩。偏差微分先行的不同之處在于，對偏差進行微分控制后，才進行偏差微分先行的不同之處在于，對偏差進行微分控制后，才進行PlPl調節(jié)。這種算法調節(jié)。這種算法適用于串級控制的副回路，因為其給定值由主回路提供，所以對被控量和給定值都適用于串級控制的副回路，因為其給定值由主回路提供，所以對被控量和給定值都應進行微分處理。應進行微分處理。4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法4.3.3其他改進的其他改進的PID控制算法控制算法帶死區(qū)的帶死區(qū)的PID控制算法控制算法為了避免控制動作過于頻繁，消除由此產(chǎn)生的振蕩，設計人員可以人為地設計一個靈為了避免

52、控制動作過于頻繁，消除由此產(chǎn)生的振蕩，設計人員可以人為地設計一個靈敏區(qū)敏區(qū)B，采用帶死區(qū)的，采用帶死區(qū)的PID控制，控制器結構如圖控制，控制器結構如圖4.21所示。所示。帶死區(qū)的帶死區(qū)的PID控制實際是一個非線性的控制實際是一個非線性的PID調節(jié)器，死區(qū)調節(jié)器，死區(qū)B的大小是一個非常重要的的大小是一個非常重要的參數(shù)，如果參數(shù)，如果B值太大，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的純滯后，偏差也比較大；如果值太大，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的純滯后，偏差也比較大；如果B值太小，調值太小，調節(jié)動作過于頻繁，達不到穩(wěn)定控制的目的，死區(qū)失去了意義。節(jié)動作過于頻繁，達不到穩(wěn)定控制的目的，死區(qū)失去了意義。B=0時，就相當于沒時，就相當于沒有

53、死區(qū)環(huán)節(jié)，成為標準的有死區(qū)環(huán)節(jié)，成為標準的PID控制器。因此應該根據(jù)實際情況，選擇合適的控制器。因此應該根據(jù)實際情況，選擇合適的B值。值。4.3幾種改進的幾種改進的PID控制算法控制算法4.5 PID控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容，它是根據(jù)被控過程的特性確定控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容，它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小?？刂破鞯谋壤禂?shù)、積分時間和微分時間的大小。需要整定的參數(shù)肯采樣周期需要整定的參數(shù)肯采樣周期T、比例系數(shù)、比例系數(shù)kp、積分時間常數(shù)、積分時間常數(shù)Ti、微分時間常數(shù)如等。、微分

54、時間常數(shù)如等。這些參數(shù)可以按照模擬調節(jié)器中參數(shù)的整定方法進行分析和綜合，也可以采用其他這些參數(shù)可以按照模擬調節(jié)器中參數(shù)的整定方法進行分析和綜合，也可以采用其他方法來設計。方法來設計。在對參數(shù)進行整定時，首先確定控制器的結構【比例控制器在對參數(shù)進行整定時，首先確定控制器的結構【比例控制器(P)、比例積分控制器、比例積分控制器(PI)、比例微分控制器、比例微分控制器(PD)、比例積分微分控制器、比例積分微分控制器(PID)】?！?。其次還要確定整定方法。其次還要確定整定方法。PID參數(shù)整定可采用計算法和經(jīng)驗法。計算法要求精確建參數(shù)整定可采用計算法和經(jīng)驗法。計算法要求精確建立被控對象的數(shù)學模型，立被控

55、對象的數(shù)學模型，經(jīng)驗法是由工程設計人員根據(jù)實際控制過程，通過實驗或多次試湊對經(jīng)驗法是由工程設計人員根據(jù)實際控制過程，通過實驗或多次試湊對PID參數(shù)進行參數(shù)進行整定，是應用較多的一種工程整定方法。整定，是應用較多的一種工程整定方法。1采樣周期采樣周期T的選擇的選擇采樣周期的選擇必須采取折衷的方法，從執(zhí)行機構、被控對象、動態(tài)特性、計算機采樣周期的選擇必須采取折衷的方法，從執(zhí)行機構、被控對象、動態(tài)特性、計算機性能等各個方面綜合考慮：下面簡單介紹如何選擇合適的采樣周期。性能等各個方面綜合考慮：下面簡單介紹如何選擇合適的采樣周期。(1)必須滿足香農(nóng)采樣定理的要求必須滿足香農(nóng)采樣定理的要求根據(jù)香農(nóng)采樣定理

56、，系統(tǒng)采樣頻率的下限為根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率的下限為f fs s=2f=2fmaxmax。，此時系統(tǒng)可真實地恢復出原來。，此時系統(tǒng)可真實地恢復出原來的連續(xù)信號，即采樣角頻率的連續(xù)信號，即采樣角頻率s s22maxmax。（。（maxmax為采樣信號的上限角頻率），所以采為采樣信號的上限角頻率），所以采樣周期應該滿足：樣周期應該滿足：實際應用中，工程上采樣角頻率取采樣信號上限角頻率的實際應用中，工程上采樣角頻率取采樣信號上限角頻率的4倍到倍到10倍。倍。4.4PID控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定(2)從執(zhí)行機構的特性出發(fā)，滿足執(zhí)行時間的要求從執(zhí)行機構的特性出發(fā)，滿足執(zhí)行時間的要求每個執(zhí)

57、行機構完成一次動作，都需要一定的執(zhí)行時間，采樣周期應選擇大于執(zhí)行機構每個執(zhí)行機構完成一次動作，都需要一定的執(zhí)行時間，采樣周期應選擇大于執(zhí)行機構所需執(zhí)行時間。如控制閥門的開度，若采樣周期太小，閥門來不及動作，又送來下一所需執(zhí)行時間。如控制閥門的開度，若采樣周期太小，閥門來不及動作，又送來下一個控制信號，控制量失去了控制作用；反之，又不能滿足系統(tǒng)的實時性要求。個控制信號，控制量失去了控制作用；反之，又不能滿足系統(tǒng)的實時性要求。(3)根據(jù)擾動信號的頻率，選擇采樣周期根據(jù)擾動信號的頻率，選擇采樣周期比如控制直流電機的轉速，如果電機軸受到外力矩干擾，控制器就應及時產(chǎn)生控制信比如控制直流電機的轉速，如果電

58、機軸受到外力矩干擾，控制器就應及時產(chǎn)生控制信號抵御干擾，保證電機轉速不受擾動的影響，若擾頻較高，而采樣周期較長，控制器號抵御干擾，保證電機轉速不受擾動的影響，若擾頻較高，而采樣周期較長，控制器就不能及時檢測到干擾信號，電機轉速會受到影響。因此應根據(jù)擾動信號頻率，選擇就不能及時檢測到干擾信號，電機轉速會受到影響。因此應根據(jù)擾動信號頻率，選擇采樣周期。擾頻高，采樣周期應小一點；反之應選擇大點的采樣周期。采樣周期。擾頻高，采樣周期應小一點；反之應選擇大點的采樣周期。(4)從計算機的要求和成本來看，采樣周期應該大一些從計算機的要求和成本來看，采樣周期應該大一些多回路控制系統(tǒng)中，用一臺計算機分時控制多個

59、回路，要保證每個回路有足夠的執(zhí)行多回路控制系統(tǒng)中，用一臺計算機分時控制多個回路，要保證每個回路有足夠的執(zhí)行時間，采樣周期應大點。若采樣周期太小，就要求計算機速度快，增加系統(tǒng)成本。時間，采樣周期應大點。若采樣周期太小，就要求計算機速度快，增加系統(tǒng)成本。(5)考慮被控對象的特性，滿足實時控制的要求考慮被控對象的特性，滿足實時控制的要求實時性是計算機控制系統(tǒng)中一個非常重要的指標，采樣周期的選擇應該以滿足實時性實時性是計算機控制系統(tǒng)中一個非常重要的指標，采樣周期的選擇應該以滿足實時性要求為前提。但是滿足實時性要求，不是說越小越好，應該根據(jù)實際需要進行選擇。要求為前提。但是滿足實時性要求，不是說越小越好

60、，應該根據(jù)實際需要進行選擇。對變化過程比較快的系統(tǒng)，采樣周期可以小一點；反之，采樣劇期應該選得大一些。對變化過程比較快的系統(tǒng)，采樣周期可以小一點；反之，采樣劇期應該選得大一些。(6)按照指標要求，提高控制質量按照指標要求，提高控制質量一般來說，控制精度越高，采樣周期越小，以減小系統(tǒng)的純滯后。一般來說，控制精度越高，采樣周期越小，以減小系統(tǒng)的純滯后。4.4PID控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定從以上分析可以看出，各個因素對采樣周期的要求是不同的，甚至是互相矛盾的，從以上分析可以看出，各個因素對采樣周期的要求是不同的，甚至是互相矛盾的，因此必須根據(jù)實際情況，滿足主要因素，忽略次要因素，做出切合實際