CN101859097B - 一种基于保持型仿人pid的系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于保持型仿人PID的系统控制方法，包括步骤：一、获取偏差信号；二、对偏差信号进行保持型仿人PID控制运算：将控制器的控制过程划分为多个时间区间、按时间先后顺序将多个时间区间分成积分保持区间和积分作用区间两种类型分别进行处理，积分保持区间：积分作用保持上一时间区间的积分终值，积分作用区间：在上一时间区间积分作用基础上进行积分运算；输出对执行器进行控制的控制信号；三、控制执行器且通过执行器对被控对象的被控变量进行调整，用测量装置实时检测被控变量。本发明设计合理、构思巧妙、实现方便且适用范围广、控制效果好，运用保持型仿人PID控制方法的控制系统调节时间短、超调量小且抗干扰能力强。

Description

一种基于保持型仿人PID的系统控制方法

技术领域

本发明属于PID自动控制技术领域，尤其是涉及一种基于保持型仿人PID的系统控制方法。

背景技术

现如今，负反馈控制系统在工业自动化领域中的应用非常广泛，结合图1，一个完整的闭环负反馈控制系统一般由控制器1、执行器2、被控对象3及测量装置4四个环节组成。其中，测量装置4用于测量被控对象3的被控变量y大小，并变换成控制器1所需的信号；控制器1根据设定值r₀(t)与测量装置送来的测量值r(t)进行比较得出的偏差信号e(t)，按一定的运算规律进行运算处理得出相应的控制信号u(t)，并将控制信号传送给执行器2；执行器2接收控制器1传送而来的控制信号对被控对象3进行控制，并相应对控制变量y进行调节，从而达到对被控变量y进行控制并使被控变量y稳定到设定值的目的。

实际应用过程中，上述闭环负反馈控制系统的控制器1通常选用PID控制方法，PID控制方法中的积分作用是消除系统余差，结合图2，普通PID控制器中的积分作用对偏差信号e(t)的控制过程如常规积分曲线i所示，由常规积分曲线i可看出普通PID控制器在一定程度上模拟了人的记忆特性，记忆了偏差信号e(t)变化的全部信息。但是普通PID控制器的积分作用存在以下不足：

①普通PID控制器的积分作用对所有的偏差信号e(t)均同等对待，没有选择性；

②只要偏差信号e(t)存在，普通PID控制器就一直进行积分，因而容易造成“积分饱和”。

分析得出：造成普通PID控制器的上述积分控制效果不佳的原因在于没有很好地体现有经验的操作人员的控制决策思想。如常规积分曲线i所示，在(t₁，t₂)、(t₃，t₄)、(t₅，t₆)等区间，普通PID控制器的积分控制作用和闭环负反馈控制系统所期望的控制作用相反。正确的控制策略(即闭环负反馈控制系统所期望的控制作用)是：产生一个与偏差信号e(t)的偏差状态相反的控制作用，尽快减少偏差；而常规积分控制在上述区间却增加了一个与偏差信号e(t)的偏差状态同向的控制作用，使|e(t)|增大，积分作用对系统的有效控制帮了倒忙，原因是在(t₀，t₁)区间的积分结果很难被抵消而导致积分控制作用在上述区间与偏差信号e(t)的偏差状态同向，结果导致系统偏差不能迅速降低而出现较大的超调，使系统动态性能变差，过渡过程时间变长，其中t₀＝0。

实际应用过程中，为了克服常规积分控制作用的不足，采用仿人PID控制器对偏差信号e(t)进行仿人积分控制，仿人PID控制器中的积分作用对偏差信号e(t)的控制过程如仿人积分曲线i₁所示，由仿人积分曲线i₁可看出仅在(t₁，t₂)、(t₃，t₄)、(t₅，t₆)等区间上进行积分。由于仿人积分控制在(t₀，t₁)区间的积分作用为0，因此这种仿人积分控制方法不能单独使用，可以和比例与微分作用结合，组成比例+仿人积分(或者比例+仿人积分+微分)控制方法。

但是经过对仿人积分控制的深入研究发现，仿人积分控制方法也存在以下两个不足：

①控制器在(t₀，t₁)区间只有比例作用没有积分作用，如果比例增益选择不当就可能导致偏差信号e(t)不能减小到0就反向变大，产生系统余差；

②在(t₁，t₂)、(t₃，t₄)、(t₅，t₆)与(t₇，t₈)区间的积分作用逐渐反向增大，但是在(t₂，t₃)、(t₄，t₅)、(t₆，t₇)与(t₈，t₉)区间的积分作用突然减小到0，因而系统控制作用频繁突变，导致系统不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于保持型仿人PID的系统控制方法，其设计合理、构思巧妙、实现方便且适用范围广、控制效果好，运用保持型仿人PID控制方法的控制系统调节时间短、超调量小且抗干扰能力强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于保持型仿人PID的系统控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、获取偏差信号e(t)：采用测量装置对被控对象的相应被控变量y进行实时检测，且同步通过差值比较器将所检测信号r(t)与设定信号r₀(t)进行差值比较并得出偏差信号e(t)；所述差值比较器同步将偏差信号e(t)传送至控制器，所述控制器为PID控制器；

步骤二、保持型仿人PID控制运算：采用控制器对偏差信号e(t)进行保持型仿人PID控制运算，并相应输出对执行器进行控制的控制信号u(t)，且测量装置(4)、所述PID控制器、执行器和被控对象形成一个完整的闭环负反馈控制系统，所述PID控制器的控制运算过程如下：

201、时间区间划分：通过所述PID控制器求算出偏差信号e(t)＝0和偏差信号e(t)的一阶倒数

时的多个时间点，并且以求算出的多个时间点为分界点，将所述PID控制器在闭环负反馈控制系统达到稳定状态之前的控制过程划分为多个时间区间(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、(t₂，t₃)...(t_n-1，t_n)，n为所划分时间区间的数量，t₀＝0；

202、分区间进行保持型仿人PID控制运算：按时间先后顺序，通过控制器(1)先后对步骤201中所划分出的多个时间区间依次进行保持型仿人PID控制运算，且对多个时间区间的保持型仿人PID控制运算方法均相同；对于任一个时间区间(t_i-1，t_i)而言，所述PID控制器的保持型仿人PID控制运算过程均分为以下两种情形进行处理：

Ⅰ)当

时，说明时间区间(t_i-1，t_i)为积分作用区间，此时所述PID控制器按照公式：

$u\left(t\right)=\frac{1}{P}[e\left(t\right)+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\frac{1}{{\mathrm{PT}}_i}[u_{i-1}+{\∫}_{i-1}^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}]---1)$

计算输出的控制信号u(t)；

Ⅱ)当

时，说明时间区间(t_i-1，t_i)为积分保持区间，此时所述PID控制器按照公式：

计算输出的控制信号u(t)；

相应地，将步骤201中所划分出的多个时间区间，分成积分作用区间和积分保持区间两类时间区间，且多个时间区间中，积分作用区间和积分保持区间交错分布；

式1)和式2)中，P为所述PID控制器的比例度；

T_d为所述PID控制器的微分时间常数；

T_i为所述PID控制器的积分时间常数；

u_i-1为与时间区间(t_i-1，t_i)相邻的上一个时间区间时间区间(t_i-2，t_i-1)的积分终值，即所述PID控制器在t_i-1时刻的积分值；

所述PID控制器在t₀时刻的积分值为0；

式1)中，

为所述PID控制器在t时刻的积分值，且t∈(t_i-1，t_i)；式2)中，u_i-1为与所述PID控制器在时间区间(t_i-1，t_i)内各时刻的积分值；

步骤三、保持型仿人PID控制输出：所述PID控制器向执行器发送步骤二中运算得出的控制信号u(t)，对执行器进行控制，且通过对执行器进行控制实现对被控对象的被控变量y进行相应控制调整的目的；同时，在对被控变量y进行控制调整过程中，采用测量装置对被控对象的相应被控变量y进行实时检测。

上述步骤一中所述被控对象的被控变量y为液位、转速、电流、电压、位移或温度参数，相应地步骤二中所述闭环负反馈控制系统为液位控制系统、转速控制系统、电流控制系统、电压控制系统、位移控制系统或温度控制系统。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、设计巧妙合理、操作简便且实现方便，本发明所公开的保持性仿人PID控制编程简单，工程中易编程实现且对被控对象的数学模型及设计者控制经验没有特别要求，在控制系统中具有一定的应用价值，其具体是在仿人积分控制的基础上进行改进，再加上积分保持作用而提出的。

2、控制效果好，本发明所公开的保持型仿人PID控制方法模拟了人的记忆特性及人控制的策略，有选择地“记忆并处理”有用信息，“遗忘”无用信息，较好地克服仿人积分控制的不足；且和常规PID控制方法相比，运用保持型仿人PID控制方法的控制系统调节时间较短，超调量较小，且抗干扰能力较强。另外，由于保持型仿人积分控制方法在(t₀，t₁)时间区间没有积分作用，因此在应用过程中，本控制方法不单独使用，可以和比例与微分控制组合使用，即相当于对传统PID控制方法的改进形式。

3、适用范围广，应用前景广泛，具有很高的经济价值和应用价值，能有效适用至液位、位移、温度、电流、电压、转速、转矩、压力等多种自动控制系统及相关技术领域，并均能达到预期的控制效果，推广应用价值非常大。

综上所述，本发明设计合理、构思巧妙、实现方便且适用范围广、控制效果好，运用保持型仿人PID控制方法的控制系统调节时间短、超调量小且抗干扰能力强。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所适用控制系统的原理框图。

图2为普通PID控制方法、仿人PID控制方法与本发明所采用的保持型仿人PID控制方法间的积分曲线对比示意图。

图3为本发明的控制方法流程图。

图4为应用常规PID控制方法的液位控制系统的阶跃响应曲线示意图。

图5为应用比例+仿人积分控制方法的液位控制系统的阶跃响应曲线示意图。

图6为应用本发明所公开保持型仿人PID控制方法的液位控制系统的阶跃响应曲线图。

图7为应用常规PID控制方法的电机直接转矩控制系统的转速响应曲线示意图。

图8为应用比例+仿人积分控制方法的电机直接转矩控制系统的转速响应曲线示意图。

图9为应用本发明所公开保持型仿人PID控制方法的电机直接转矩控制系统的转速响应曲线示意图。

附图标记说明：

1-控制器；        2-执行器；        3-被控对象；4-测量装置。

具体实施方式

如图3所示的一种基于保持型仿人PID的系统控制方法，包括以下步骤：

步骤一、获取偏差信号e(t)：采用测量装置4对被控对象3的相应被控变量y进行实时检测，且同步通过差值比较器将所检测信号r(t)与设定信号r₀(t)进行差值比较并得出偏差信号e(t)；所述差值比较器同步将偏差信号e(t)传送至控制器1，所述控制器1为PID控制器。

步骤二、保持型仿人PID控制运算：采用控制器1对偏差信号e(t)进行保持型仿人PID控制运算，并相应输出对执行器2进行控制的控制信号u(t)，且测量装置4、所述PID控制器、执行器2和被控对象3形成一个完整的闭环负反馈控制系统，原理框图详见图1，所述PID控制器的控制运算过程如下：

201、时间区间划分：通过所述PID控制器求算出偏差信号e(t)＝0和偏差信号e(t)的一阶倒数

时的多个时间点，并且以求算出的多个时间点为分界点，将所述PID控制器在闭环负反馈控制系统达到稳定状态(此时刻之后偏差信号e(t)＝0消失不存在)之前的控制过程划分为多个时间区间(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、(t₂，t₃)...(t_n-1，t_n)，n为所划分时间区间的数量，t₀＝0；

202、分区间进行保持型仿人PID控制运算：按时间先后顺序，通过控制器(1)先后对步骤201中所划分出的多个时间区间依次进行保持型仿人PID控制运算，且对多个时间区间的保持型仿人PID控制运算方法均相同；对于任一个时间区间(t_i-1，t_i)而言，所述PID控制器的保持型仿人PID控制运算过程均分为以下两种情形进行处理：

Ⅰ)当

时，说明时间区间(t_i-1，t_i)为积分作用区间，此时所述PID控制器按照公式：

$u\left(t\right)=\frac{1}{P}[e\left(t\right)+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\frac{1}{{\mathrm{PT}}_i}[u_{i-1}+{\∫}_{i-1}^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}]---1)$

计算输出的控制信号u(t)；

Ⅱ)当

时，说明时间区间(t_i-1，t_i)为积分保持区间，此时所述PID控制器按照公式：

计算输出的控制信号u(t)；

相应地，将步骤201中所划分出的多个时间区间，分成积分作用区间和积分保持区间两类时间区间，且多个时间区间中，积分作用区间和积分保持区间交错分布；

式1)和式2)中，P为所述PID控制器的比例度；

T_d为所述PID控制器的微分时间常数；

T_i为所述PID控制器的积分时间常数；

u_i-1为与时间区间(t_i-1，t_i)相邻的上一个时间区间时间区间(t_i-2，t_i-1)的积分终值，即所述PID控制器在t_i-1时刻的积分值；

所述PID控制器在t₀时刻的积分值为0；

式1)中，

为所述PID控制器在t时刻的积分值，且t∈(t_i-1，t_i)；式2)中，u_i-1为与所述PID控制器在时间区间(t_i-1，t_i)内各时刻的积分值。

步骤三、保持型仿人PID控制输出：所述PID控制器向执行器2发送步骤二中运算得出的控制信号u(t)，对执行器2进行控制，且通过对执行器2进行控制实现对被控对象3的被控变量y进行相应控制调整的目的；同时，在对被控变量y进行控制调整过程中，采用测量装置4对被控对象3的相应被控变量y进行实时检测。

实施例1

本实施例中，所述被控对象3的被控变量y为液位参数，执行器2为阀门，被控对象3为液位箱，测量装置4为液位变送器，且所述PID控制器、阀门、液位箱和液位变送器形成一个完整的液位控制系统。

实际操作过程中，所述液位控制系统中的PID控制器的控制运算过程是：

步骤一、获取偏差信号e(t)：采用液位变送器对液位箱的液位参数y进行实时检测，且同步通过差值比较器将所检测信号r(t)与设定信号r₀(t)进行差值比较并得出液位偏差信号e(t)，所获取的液位偏差信号e(t)详见图2；所述差值比较器同步将液位偏差信号e(t)传送PID控制器。

步骤二、保持型仿人PID控制运算：采用PID控制器对液位偏差信号e(t)进行保持型仿人PID控制运算，并相应输出对阀门进行控制的控制信号u(t)，所述PID控制器的控制运算过程如下：

201、时间区间划分：通过所述PID控制器，求算出液位偏差信号e(t)＝0和液位偏差信号e(t)的一阶倒数

时的10个时间点(具体是t₀＝0、t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈和t₉，且t₉时刻后液位控制系统趋于稳定，即此时刻之后液位偏差信号e(t)消失不存在)。之后，以求算出的10个时间点为分界点将所述PID控制器在液位控制系统达到稳定状态之前的控制过程划分为9个时间区间(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、(t₂，t₃)、(t₃，t₄)、(t₄，t₅)、(t₅，t₆)、(t₆，t₇)、(t₇，t₈)与(t₈，t₉)，其中n＝9，且t₀＝0。

202、分区间进行保持型仿人PID控制运算：按时间先后顺序，通过PID控制器先后对所划分出的9个时间区间依次进行保持型仿人PID控制运算。

首先，区分出9个时间区间(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、(t₂，t₃)...(t_n-1，t_n)中的积分作用区间和积分保持区间：对于

的时间区间，具体包括：(t₀，t₁)、(t₂，t₃)、(t₄，t₅)、(t₆，t₇)和(t₈，t₉)五个时间区间，所述PID控制器的积分作用处于保持状态，都属于积分保持区间；对于的时间区间，具体包括(t₁，t₂)、(t₃，t₄)、(t₅，t₆)和(t₇，t₈)四个时间区间，所述PID控制器的积分作用为正常积分状态，都属于积分作用区间。综上，将9个时间区间划分为五个积分保持区间和四个积分作用区间，且积分保持区间和积分作用区间一一交错分布。

实际运算过程中，按照时间先后顺序，对所述PID控制器在9个时间区间内的积分作用的输出信号u(t)进行运算，具体运算过程如下：

时间区间(t₀，t₁)：属于积分保持区间，由于t₀＝0，t₀时刻所述PID控制器在的积分值为0，即PID控制器在t₀时刻无积分作用，并且本时间区间属于积分保持区间，则时间区间(t₀，t₁)内各时刻的积分值均为0，在时间区间(t₀，t₁)内所述PID控制器均无积分作用，即所述PID控制器在t₁时刻的积分值(即u₁)为0；

时间区间(t₁，t₂)：属于积分作用区间，所述PID控制器按照公式：

计算控制信号u(t)，此时间区间内u_i-1＝u₁＝0，所述PID控制器在时间区间(t₁，t₂)内各时刻t的积分值为

且所述PID控制器在t₂时刻的积分值(即u₂)为

时间区间(t₂，t₃)：属于积分保持区间，所述PID控制器按照公式：

计算控制信号u(t)，此时间区间内

所述PID控制器在时间区间(t₂，t₃)内各时刻的积分值均为

且所述PID控制器在t₃时刻的积分值(即u₃)为

时间区间(t₃，t₄)：属于积分作用区间，所述PID控制器按照公式：

计算控制信号u(t)，此时间区间内

所述PID控制器在时间区间(t₃，t₄)内各时刻t的积分值为

且所述PID控制器在t₄时刻的积分值(即u₄)为

时间区间(t₄，t₅)：属于积分保持区间，所述PID控制器按照公式：

计算控制信号u(t)，此时间区间内

所述PID控制器在时间区间(t₄，t₅)内各时刻的积分值均为

且所述PID控制器在t₅时刻的积分值(即u₅)为

时间区间(t₅，t₆)：属于积分作用区间，所述PID控制器按照公式：

计算控制信号u(t)，此时间区间内所述PID控制器在时间区间(t₅，t₆)内各时刻t的积分值为

且所述PID控制器在t₆时刻的积分值(即u₆)为

时间区间(t₆，t₇)：属于积分保持区间，所述PID控制器按照公式：计算控制信号u(t)，此时间区间内

所述PID控制器在时间区间(t₆，t₇)内各时刻的积分值均为

且所述PID控制器在t₇时刻的积分值(即u₇)为

时间区间(t₇，t₈)：属于积分作用区间，所述PID控制器按照公式：

计算控制信号u(t)，此时间区间内

所述PID控制器在时间区间(t₇，t₈)内各时刻t的积分值为

且所述PID控制器在t₈时刻的积分值(即u₈)为

时间区间(t₈，t₉)：属于积分保持区间，所述PID控制器按照公式：

计算控制信号u(t)，此时间区间内

所述PID控制器在时间区间(t₈，t₉)内各时刻的积分值均为

且所述PID控制器在t₉时刻的积分值(即u₉)为

公式 $u\left(t\right)=\frac{1}{P}[e\left(t\right)+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\frac{1}{P{T}_i}[u_{i-1}+{\∫}_{i-1}^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}]$ 和 $u\left(t\right)=\frac{1}{P}[e\left(t\right)+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\frac{u_{i-1}}{{\mathrm{PT}}_i}$ 中，P为所述PID控制器的比例度；

T_d为所述PID控制器的微分时间常数；

T_i为所述PID控制器的积分时间常数；

u_i-1为与时间区间(t_i-1，t_i)相邻的上一个时间区间时间区间(t_i-2，t_i-1)的积分终值，即所述PID控制器在t_i-1时刻的积分值；

所述PID控制器在t₀时刻的积分值为0。

步骤三、保持型仿人PID控制输出：所述PID控制器向阀门按照时间先后顺序发送步骤二中运算得出的控制信号u(t)，对阀门进行控制，且通过对阀门的开度进行控制实现对液位箱的液位参数进行相应控制调整的目的；同时，在对液位参数进行控制调整过程中，采用液位变送器对液位箱的相应液位进行实时检测。

结合图2，采用本发明对偏差信号e(t)进行控制运算后，具体见积分曲线i₂，在(t₀，t₁)、(t₂，t₃)、(t₄，t₅)、(t₆，t₇)与(t₈，t₉)等积分保持区间，所述PID控制器的积分作用均保持前段时间区间的积分终值(即u_i-1)。而在(t₁，t₂)、(t₃，t₄)、(t₅，t₆)与(t₇，t₈)等积分作用区间，所述PID控制器的积分作用为在前一时间区间的基础(即u_i-1)上对偏差信号e(t)进行正常积分，因而与普通仿人控制方法相比，本发明能够为PID控制器的积分控制作用及时提供正确的附加偏移控制量(即u_i-1)，从而有效抑制系统偏差的增加。同时，在(t₀，t₁)、(t₂，t₃)、(t₄，t₅)、(t₆，t₇)与(t₈，t₉)等积分保持区间进行积分保持，避免积分作用帮倒忙，而且有效防止了因积分作用为0导致的控制作用频繁突变。

结合图4、图5和图6可知，应用比例+仿人积分控制方法的液位控制过程存在余差，系统控制能力不足；而采用本发明所公开的保持型仿人PID控制方法能够消除系统余差，是比例+仿人积分控制方法的成功改进，且和常规PID控制方法相比，本发明所述控制方法的系统超调较小，调节时间较短。因而上述三种控制方法比较得出，应用本发明所述的保持型仿人PID控制方法的液位控制系统具有良好的动静态性能，控制效果较好。

同理，可将本发明适用在对位移进行控制的位移控制系统中。

实施例2

本实施例中，与实施例1不同的是：所述被控对象3的被控变量y为温度参数，执行器2为加热器，被控对象3为恒温箱，测量装置4为温度变送器，且所述PID控制器、加热器、恒温箱和温度变送器形成一个完整的恒温控制系统。

实际操作过程中，所述恒温控制系统中的PID控制器的控制运算过程是：

步骤一、获取偏差信号e(t)：采用温度变送器对恒温箱的温度参数y进行实时检测，且同步通过差值比较器将所检测信号r(t)与设定信号r₀(t)进行差值比较并得出温度偏差信号e(t)；所述差值比较器同步将液位偏差信号e(t)传送至PID控制器。

步骤二、保持型仿人PID控制运算：采用所述PID控制器对温度偏差信号e(t)进行保持型仿人PID控制运算，并相应输出对加热器进行控制的控制信号u(t)，所述PID控制器的控制运算过程如下：

201、时间区间划分：通过所述PID控制器求算出温度偏差信号e(t)＝0和温度偏差信号e(t)的一阶倒数

时的多个时间点，实际运算过程中，根据步骤一种所获取温度偏差信号e(t)不同，相应求算出包括t₀＝0的n+1个时间点，且所取最后一个时间点t_n后恒温控制系统趋于稳定，即t_n时刻之后温度偏差信号e(t)消失不存在。同理，以求算出的多个时间点为分界点将所述PID控制器在恒温控制系统达到稳定状态之前的控制过程划分为对应的n个时间区间(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、(t₂，t₃)...(t_n-1，t_n)。

所划分时间区间的数量n与所求算出时间点的数量n+1相对应，所求算出时间点的数量n+1又与所获取温度偏差信号e(t)相对应。

202、分区间进行保持型仿人PID控制运算：按时间先后顺序，通过PID控制器先后对所划分出的n个时间区间依次进行保持型仿人PID控制运算，其运算过程与实施例1相同。

步骤三、保持型仿人PID控制输出：所述PID控制器向加热器按照时间先后顺序发送步骤二中运算得出的控制信号u(t)，对加热器进行控制，且通过对加热器的加热参数进行控制实现对恒温箱的温度参数进行相应控制调整的目的；同时，在对温度参数进行控制调整过程中，采用温度变送器对恒温箱的温度进行实时检测。

实施例3

本实施例中，与实施例1不同的是：所述被控对象3的被控变量y为电压参数，执行器2为开关控制器件，被控对象3为可控电压源，测量装置4为电压变送器，且所述PID控制器、开关控制器件、可控电压源和电压变送器形成一个完整的恒压控制系统。

实际操作过程中，所述恒压控制系统中的PID控制器的控制运算过程是：

步骤一、获取偏差信号e(t)：采用电压变送器对可控电压源所输出的电压参数y进行实时检测，且同步通过差值比较器将所检测信号r(t)与设定信号r₀(t)进行差值比较并得出电压偏差信号e(t)；所述差值比较器同步将电压偏差信号e(t)传送至PID控制器。

步骤二、保持型仿人PID控制运算：采用所述PID控制器对电压偏差信号e(t)进行保持型仿人PID控制运算，并相应输出对开关控制器件进行控制的控制信号u(t)，所述PID控制器的控制运算过程如下：

201、时间区间划分：通过所述PID控制器求算出电压偏差信号e(t)＝0和电压偏差信号e(t)的一阶倒数

时的多个时间点，实际运算过程中，根据步骤一种所获取电压偏差信号e(t)不同，相应求算出包括t₀＝0的n+1个时间点，且所取最后一个时间点t_n后电压控制系统趋于稳定，即t_n时刻之后电压偏差信号e(t)消失不存在。同理，以求算出的多个时间点为分界点将所述PID控制器在恒压控制系统达到稳定状态之前的控制过程划分为对应的n个时间区间(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、(t₂，t₃)...(t_n-1，t_n)。

所划分时间区间的数量n与所求算出时间点的数量n+1相对应，所求算出时间点的数量n+1又与所获取电压偏差信号e(t)相对应。

202、分区间进行保持型仿人PID控制运算：按时间先后顺序，通过PID控制器先后对所划分出的n个时间区间依次进行保持型仿人PID控制运算，其运算过程与实施例1相同。

步骤三、保持型仿人PID控制输出：所述PID控制器向开关控制器件按照时间先后顺序发送步骤二中运算得出的控制信号u(t)，对开关控制器件进行控制，且通过对开关控制器件的相应参数进行控制实现对可控恒压电压源的输出电压参数进行相应控制调整的目的；同时，在对输出电压参数进行控制调整过程中，采用电压变送器对可控电压源的输出电压进行实时检测。

同理，可将本发明适用在对电流进行控制的电流控制系统中。

实施例4

本实施例中，与实施例1不同的是：所述被控对象3的被控变量y为转速参数，执行器2为功率开关控制元件，被控对象3为交流异步电机，测量装置4为电机转速检测装置，且所述PID控制器、功率开关控制元件、交流异步电机和电机转速检测装置形成一个完整的转速控制系统。

实际操作过程中，所述转速控制系统中的PID控制器的控制运算过程是：

步骤一、获取偏差信号e(t)：采用电机转速检测装置对交流异步电机的转速参数y进行实时检测，且同步通过差值比较器将所检测信号r(t)与设定信号r₀(t)进行差值比较并得出转速偏差信号e(t)；所述差值比较器同步将转速偏差信号e(t)传送至PID控制器。

步骤二、保持型仿人PID控制运算：采用所述PID控制器对转速偏差信号e(t)进行保持型仿人PID控制运算，并相应输出对开关控制器件进行控制的控制信号u(t)，所述PID控制器的控制运算过程如下：

201、时间区间划分：通过所述PID控制器求算出转速偏差信号e(t)＝0和转速偏差信号e(t)的一阶倒数

时的多个时间点，实际运算过程中，根据步骤一种所获取转速偏差信号e(t)不同，相应求算出包括t₀＝0的n+1个时间点，且所取最后一个时间点t_n后转速控制系统趋于稳定，即t_n时刻之后转速偏差信号e(t)消失不存在。同理，以求算出的多个时间点为分界点将所述PID控制器在转速控制系统达到稳定状态之前的控制过程划分为对应的n个时间区间(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、(t₂，t₃)...(t_n-1，t_n)。

所划分时间区间的数量n与所求算出时间点的数量n+1相对应，所求算出时间点的数量n+1又与所获取转速偏差信号e(t)相对应。

202、分区间进行保持型仿人PID控制运算：按时间先后顺序，通过PID控制器先后对所划分出的n个时间区间依次进行保持型仿人PID控制运算，其运算过程与实施例1相同。

步骤三、保持型仿人PID控制输出：所述PID控制器向功率开关控制器件按照时间先后顺序发送步骤二中运算得出的控制信号u(t)，对功率开关控制器件进行控制，且通过对功率开关控制器件的相应参数进行控制实现对交流异步电机的转速进行相应控制调整的目的；同时，在对交流异步电机的转速进行控制调整过程中，采用电机转速检测装置对交流异步电机的转速进行实时检测。

结合图7、图8和图9可知，在交流异步电机的转速控制系统(具体是交流异步电机的直接转矩控制DTC)中，比例+仿人积分控制方法消除系统余差的能力不足，但是本发明所公开的保持型仿人PID控制方法能够弥补这种不足，且与传统PID控制方法相比，保持型仿人PID控制方法的转速调节时间较短，抗干扰能力较强。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于保持型仿人PID的系统控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、获取偏差信号e(t)：采用测量装置(4)对被控对象(3)的相应被控变量y进行实时检测，且同步通过差值比较器将所检测信号r(t)与设定信号r₀(t)进行差值比较并得出偏差信号e(t)；所述差值比较器同步将偏差信号e(t)传送至控制器(1)，所述控制器(1)为PID控制器；

步骤二、保持型仿人PID控制运算：采用控制器(1)对偏差信号e(t)进行保持型仿人PID控制运算，并相应输出对执行器(2)进行控制的控制信号u(t)，且测量装置(4)、所述PID控制器、执行器(2)和被控对象(3)形成一个完整的闭环负反馈控制系统，所述PID控制器的控制运算过程如下：

201、时间区间划分：通过所述PID控制器求算出偏差信号e(t)＝0和偏差信号e(t)的一阶倒数时的多个时间点，并且以求算出的多个时间点为分界点，将所述PID控制器在闭环负反馈控制系统达到稳定状态之前的控制过程划分为多个时间区间(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、(t₂，t₃)...(t_n-1，t_n)，n为所划分时间区间的数量，t₀＝0；

202、分区间进行保持型仿人PID控制运算：按时间先后顺序，通过控制器(1)先后对步骤201中所划分出的多个时间区间依次进行保持型仿人PID控制运算，且对多个时间区间的保持型仿人PID控制运算方法均相同；对于任一个时间区间(t_i-1，t_i)而言，所述PID控制器的保持型仿人PID控制运算过程均分为以下两种情形进行处理：

I)当

时，说明时间区间(t_i-1，t_i)为积分作用区间，此时所述PID控制器按照公式：

$u\left(t\right)=\frac{1}{P}[e\left(t\right)+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\frac{1}{{\mathrm{PT}}_i}[u_{i-1}+{\∫}_{i-1}^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}]---1)$

计算输出的控制信号u(t)；

II)当

时，说明时间区间(t_i-1，t_i)为积分保持区间，此时所述PID控制器按照公式： $u\left(t\right)=\frac{1}{P}[e\left(t\right)+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\frac{u_{i-1}}{{\mathrm{PT}}_i}---2)$

计算输出的控制信号u(t)；

相应地，将步骤201中所划分出的多个时间区间，分成积分作用区间和积分保持区间两类时间区间，且多个时间区间中，积分作用区间和积分保持区间交错分布；

式1)和式2)中，P为所述PID控制器的比例度；

T_d为所述PID控制器的微分时间常数；

T_i为所述PID控制器的积分时间常数；

u_i-1为与时间区间(t_i-1，t_i)相邻的上一个时间区间(t_i-2，t_i-1)的积分终值，即所述PID控制器在t_i-1时刻的积分值；

所述PID控制器在t₀时刻的积分值为0；

式1)中，

为所述PID控制器在t时刻的积分值，且t∈(t_i-1，t_i)；式2)中，u_i-1为与所述PID控制器在时间区间(t_i-1，t_i)内各时刻的积分值；

步骤三、保持型仿人PID控制输出：所述PID控制器向执行器(2)发送步骤二中运算得出的控制信号u(t)，对执行器(2)进行控制，且通过对执行器(2)进行控制实现对被控对象(3)的被控变量y进行相应控制调整的目的；同时，在对被控变量y进行控制调整过程中，采用测量装置(4)对被控对象(3)的相应被控变量y进行实时检测；

步骤一中所述被控对象(3)的被控变量y为液位、转速、电流、电压、位移或温度参数，相应地步骤二中所述闭环负反馈控制系统为液位控制系统、转速控制系统、电流控制系统、电压控制系统、位移控制系统或温度控制系统。

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