数字PID控制算法.ppt
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第四章直接数字控制及其算法第四章第四章直接数字控制及其算法直接数字控制及其算法4.14.1PIDPID调节调节4.24.2PIDPID算法的数字实现算法的数字实现4.34.3PIDPID算法的几种发展算法的几种发展4.44.4PIDPID参数的整定参数的整定4.54.5大林算法大林算法第四章直接数字控制及其算法4.14.1PIDPID调节调节4.1.1PID调节器的优点调节器的优点4.1.2PID调节器的作用调节器的作用返回本章首页第四章直接数字控制及其算法4.1.1PID调节器的优点调节器的优点PID调调节节器器之之所所以以经经久久不不衰衰,主主要要有以下优点。
有以下优点。
1.技术成熟技术成熟2.易被人们熟悉和掌握易被人们熟悉和掌握3.不需要建立数学模型不需要建立数学模型4.控制效果好控制效果好返回本节第四章直接数字控制及其算法4.1.2PID调节器的作用调节器的作用1.比例调节器比例调节器2.比例积分调节器比例积分调节器3.比例微分调节器比例微分调节器4.比例积分微分调节器比例积分微分调节器第四章直接数字控制及其算法1.比例调节器比例调节器1.比例调节器比例调节器比例调节器的微分方程为:
比例调节器的微分方程为:
y=KPe(t)(4-1)式中:
式中:
y为调节器输出;为调节器输出;Kp为比例系数;为比例系数;e(t)为调节器输入偏差。
为调节器输入偏差。
由由上上式式可可以以看看出出,调调节节器器的的输输出出与与输输入入偏偏差差成成正正比比。
因因此此,只只要要偏偏差差出出现现,就就能能及及时时地地产产生生与与之之成成比比例例的的调调节节作作用用,具具有有调调节节及及时时的的特特点点。
比比例例调调节节器器的的特特性性曲曲线线,如图如图4-1所示。
所示。
第四章直接数字控制及其算法图图4-1阶跃响应特性曲线阶跃响应特性曲线第四章直接数字控制及其算法2.比例积分调节器比例积分调节器2.比例积分调节器比例积分调节器所所谓谓积积分分作作用用是是指指调调节节器器的的输输出出与与输输入入偏偏差差的的积积分成比例的作用。
积分方程为:
分成比例的作用。
积分方程为:
式中:
式中:
TI是积分时间常数,它表示积分速度的大小,是积分时间常数,它表示积分速度的大小,TI越大,越大,积分速度越慢,积分作用越弱。
积分作用的响应特性积分速度越慢,积分作用越弱。
积分作用的响应特性曲线,如图曲线,如图4-2所示。
所示。
第四章直接数字控制及其算法图图4-2积分作用响应曲线积分作用响应曲线第四章直接数字控制及其算法若若将将比比例例和和积积分分两两种种作作用用结结合合起起来来,就就构构成成PI调调节器,调节规律为:
节器,调节规律为:
PI调节器的输出特性曲线如图调节器的输出特性曲线如图4-3所示。
所示。
第四章直接数字控制及其算法图图4-3PI调节器的输出特性曲线调节器的输出特性曲线第四章直接数字控制及其算法3.比例微分调节器比例微分调节器微分调节器的微分方程为:
微分调节器的微分方程为:
微分作用响应曲线如图微分作用响应曲线如图4-4所示。
所示。
第四章直接数字控制及其算法PD调节器的阶跃响应曲线如图调节器的阶跃响应曲线如图4-5所示。
所示。
第四章直接数字控制及其算法4.比例积分微分调节器比例积分微分调节器为为了了进进一一步步改改善善调调节节品品质质,往往往往把把比比例例、积积分分、微微分分三三种种作作用用组组合合起起来来,形形成成PID调调节节器器。
理理想想的的PID微分方程为:
微分方程为:
第四章直接数字控制及其算法图图4-6PID调节器对阶跃响应特性曲线调节器对阶跃响应特性曲线返回本节第四章直接数字控制及其算法4.2PID算法的数字实现算法的数字实现4.2.1PID控制算式的数字化控制算式的数字化4.2.2PID算法程序设计算法程序设计返回本章首页第四章直接数字控制及其算法4.2.1PID控制算式的数字化控制算式的数字化由由公公式式(4-5)可可知知,在在模模拟拟调调节节系系统统中中,PID控控制制算算法法的模拟表达式为:
的模拟表达式为:
式中:
式中:
y(t)调节器的输出信号;调节器的输出信号;e(t)调节器的偏差信号,它等于给定值与测量值之差;调节器的偏差信号,它等于给定值与测量值之差;KP调节器的比例系数;调节器的比例系数;TI调节器的积分时间;调节器的积分时间;TD调节器的微分时间。
调节器的微分时间。
第四章直接数字控制及其算法增增量量式式PID算算法法只只需需保保持持当当前前时时刻刻以以前前三三个个时时刻刻的的误误差差即即可。
它与位置式可。
它与位置式PID相比,有下列优点:
相比,有下列优点:
(1)位位置置式式PID算算法法每每次次输输出出与与整整个个过过去去状状态态有有关关,计计算算式式中中要要用用到到过过去去误误差差的的累累加加值值,因因此此,容容易易产产生生较较大大的的累累积积计计算算误误差差。
而而增增量量式式PID只只需需计计算算增增量量,计计算算误误差差或精度不足时对控制量的计算影响较小。
或精度不足时对控制量的计算影响较小。
(2)控控制制从从手手动动切切换换到到自自动动时时,位位置置式式PID算算法法必必须须先先将将计计算算机机的的输输出出值值置置为为原原始始阀阀门门开开时时,才才能能保保证证无无冲冲击击切切换换。
若若采采用用增增量量算算法法,与与原原始始值值无无关关,易易于于实实现现手手动动到自动的无冲击切换。
到自动的无冲击切换。
返回本节第四章直接数字控制及其算法4.2.2PID算法程序设计算法程序设计在在许许多多控控制制系系统统中中,执执行行机机构构需需要要的的是是控控制制变变量量的的绝绝对对值值而而不不是是其其增增量量,这这时时仍仍可可采采用用增增量量式式计计算算,但但输输出出则则采采用用位位置置式式的的输输出出形形式式。
由由变变换换式式(4-12)可得:
)可得:
第四章直接数字控制及其算法现现以以式式(4-14)进进行行编编程程。
参参数数内内存存分分配配如如图图4-7所所示示,流流程程图图如如图图4-8所所示示。
图图4-7参数内部参数内部RAM分配图分配图图图4-8PID位置式算法流程图位置式算法流程图第四章直接数字控制及其算法根据图根据图4-7流程图编写的程序清单如下:
流程图编写的程序清单如下:
PID:
MOVR5,31H;取;取wMOVR4,32HMOVR3,#00H;取;取u(n)MOVR2,2AHACALLCPL1;取;取u(n)的补码的补码ACALLDSUM;计算计算e(n)=w-u(n)MOV39H,R7;存;存e(n)MOV3AH,R6MOVR5,35H;取;取IMOVR4,36HMOVR0,#4AH;R0存放乘积高位字节地址指针存放乘积高位字节地址指针ACALLMULT1;计算计算PI=Ie(n)第四章直接数字控制及其算法MOVR5,39H;取;取e(n)MOVR4,3AHMOVR3,3BH;取;取e(n-1)MOVR2,3CHACALLCPL1;求;求e(n-1)的补码的补码ACALLDSUM;求;求PP=e(n)=e(n)-e(n-1)MOVA,R7MOVR5,A;存;存e(n)MOVA,R6MOVR4,AMOVR3,4BH;取;取PIMOVR2,4AHACALLDSUM;求;求PI+PP第四章直接数字控制及其算法MOV4BH,R7;存存(PI+PP)MOV4AH,R6MOVR5,39H;取;取e(n)MOVR4,3AHMOVR3,3DH;取;取e(n-2)MOVR2,3EHACALLDSUM;计算计算e(n)+e(n-2)MOVA,R7;存存(e(n)+e(n-2)MOVR5,AMOVA,R6MOVR4,A第四章直接数字控制及其算法MOVR3,3BH;取;取e(n-1)MOVR2,3CHACALLCPL1;求;求e(n-1)的补码的补码ACALLDSUM;计算计算e(n)+e(n-2)-e(n-1)MOVA,R7;存和存和MOVR5,AMOVA,R6MOVR4,AMOVR3,3BH;取;取e(n-1)MOVR2,3CHACALLCPL1;求;求e(n-1)的补码的补码ACALLDSUM;计算计算e(n)+e(n-2)-2e(n-1)第四章直接数字控制及其算法MOVR3,47HMOVR2,46HMOVR5,2FH;取;取y(n-1)MOVR4,30HACALLDSUM;求出求出y(n)=y(n-1)+KP(PI+PP+PD)MOV2FH,R7;y(n)送入送入y(n-1)单元单元MOV30H,R6MOV3DH,3BH;e(n-1)送入送入e(n-2)单元单元MOV3EH,3CHMOV3BH,39H;e(n)送入送入e(n-1)单元单元MOV3CH,3AHRET第四章直接数字控制及其算法MOVR5,37H;取;取DMOVR4,38HMOVR0,#46HACALLMULT1;求;求PD=D(e(n)-2e(n-1)+e(n-2)MOVR5,47H;存;存PDMOVR6,46HMOVR3,4BH;取;取PI+PPMOVR2,4AHACALLDSUM;计算计算PI+PP+PDMOVR5,33H;取;取KPMOVR4,34HMOVR0,#46H;计算计算KP(PI+PP+PD)ACALLMULT1第四章直接数字控制及其算法DSUM双字节加法子程序:
双字节加法子程序:
(R5R4)+(R3R2)的和送至的和送至(R7R6)中。
中。
DSUM:
MOVA,R4ADDA,R2MOVR6,AMOVA,R5ADDCA,R3MOVR7,ARET第四章直接数字控制及其算法CPL1双字节求补子程序:
(双字节求补子程序:
(R3R2)求补求补CPL1:
MOVA,R2CPLAADDA,#01HMOVR2,AMOVA,R3CPLAADDCA,#00HMOVR3,ARET第四章直接数字控制及其算法MULT1为双字为双字节有符号数乘节有符号数乘法子程序。
其法子程序。
其程序流程图如程序流程图如图图4-9所示。
所示。
第四章直接数字控制及其算法双字节有符号数乘法程序清单如下:
双字节有符号数乘法程序清单如下:
MULT1:
MOVA,R7RLCAMOV20H,C;存被乘数符号位存被乘数符号位JNCPOS1;被乘数为正数跳转被乘数为正数跳转MOVA,R6;求补求补CPLAADDA,#01HMOVR6,AMOVA,R7CPLA(ADDCA,#00HMOVR7,APOS1:
MOVA,R5第四章直接数字控制及其算法RLCAMOV21H,C;存乘数符号位存乘数符号位JNCPOS2;乘数为正数跳转乘数为正数跳转MOVA,R4;求补求补CPLAADDA,#01HMOVR4,AMOVA,R5CPLAADDCA,#00HMOVR5,A第四章直接数字控制及其算法POS2:
ACALLMULTMOVC,20HANLC,21HJCTPL1;两数同负跳转两数同负跳转MOVC,20HORLC,21HJNCTPL1;两数同正跳转两数同正跳转DECR0;积求补积求补MOVR0,ATPL1:
RET第四章直接数字控制及其算法DECR0DECR0MOCA,R0CPLAADDA,#01HMOVR0,AINCR0MOVA,R0CPLAADDCA,#00H返回本节第四章直接数字控制及其算法4.3PID算法的几种发展算法的几种发展4.3.1积分分离的积分分离的PID控制控制4.3.2变速积分变速积分的的PID控制控制返回本章首页第四章直接数字控制及其算法4.3.1积分分离的积分分离的PID控制控制图图4-10具有积分分离作用的控制过程曲线具有积分分离作用的控制过程曲线第四章直接数字控制及其算法图图4-11采采用用积积分分分分离离法法的的PID位位置置算算法法框框图图返回本节第四章直接数字控制及其算法4.3.2变速积分的变速积分的PID控制控制在在普普通通的的PID调调节节算算法法中中,由由于于积积分分系系数数KI是是常常
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