CN102736514B - 一种具有可选控制模板的pidt控制技术及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有可选控制模板的PIDT控制技术及其方法，它包含PID控制和模板控制，通过模板控制，提升系统的动态响应性能。PID控制过程中，要做到一组控制参数既适应大偏差时的启动过程，又适应较小偏差时的工作过程是很困难的，存在响应快慢与超调量大小之间的矛盾。PIDT控制技术的主要方法是：在控制系统启动（偏差相对较大）过程中，采用模板（T）独立控制或PID控制与模板（T）联合控制，模板控制量的大小由选用模板和模板控制强度系数确定；工作过程中，偏差较小时采用PID控制，超出一定偏差时，调用模板控制；不同偏差时，选用不同的模板控制系数；模板每次控制的作用时间是有限的。具有可选控制模板的PIDT控制器中，控制模板既有已建好的，也可以根据控制规律自建模板。

Description

一种具有可选控制模板的PIDT控制技术及其方法

技术领域

本发明属于智能控制领域或工业控制领域，特别涉及控制器、控制系统的控制技术及其控制方法。。

背景技术

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠而成为工业控制的主要技术之一。

在一些复杂的精度高的控制系统中，PID控制效果可能还不是特别理想，比如存在调节时间与超调量之间的矛盾，调试较为困难等，人们不断探索新的控制策略，如模糊控制（Fuzzy Control）、神经元控制（Neuron Control）等。由PID控制算法衍生而来的控制策略越来越多，如遗传算法PID控制（Genetic Algorithm PID Control）、模糊自适应PID控制（Fuzzy Self-adjusting PID Control）、神经元PID控制（Neuron PID Control）、最优PID控制（Optimal PID Control）、非线性PID控制（Nonlinear PID Control）和鲁棒PID控制（Robust PID Control）等。这些控制技术存在计算量大，应用复杂，对调试操作人员的要求高等缺陷，这可能是这些技术难于广泛应用的主要原因。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的不足和缺陷，公开一种具有可选控制模板库的PIDT控制技术、控制器及其方法，控制模板库（Control Template Library）由基本控制模板（Basic Template）和自建控制模板（Self-built Template）组成。PIDT控制方案是在PID控制基础上，增加可选模板控制部分，控制模板具有直接、直观、简单、且易于理解的特点，可简化调试过程，提高控制系统的动态品质和响应性能，对于一些复杂系统的启动过程，既可以用模板独立控制，也可以采用PID和模板（T）联合控制，采用模板独立控制时，PID控制输出一个常量uc。

为实现上述目标，所采用的技术方案是：

具有可选控制模板的PIDT控制器，由PID控制器和可选控制模板库（Template Library）组成，可选控制模板的PIDT控制器输出包含PID输出和模板（T，Template）输出两部分，包括比例（P）控制、积分（I）控制、微分（D）控制、模板（T）控制。

具有可选控制模板的PIDT控制器的控制律为：

     上式中，e(t)为偏差信号，K _P 为比例放大系数，T _I 为积分时间常数，T _D 为微分时间常数；K_I=K _P /T _I 为积分系数，K_D=K _P T _D 为微分系数；

u(t) ：表示具有可选控制模板的PIDT控制器的输出信号；

u _pid (t) ：表示具有可选控制模板PIDT控制器的PID输出部分；

u _template  ：表示具有可选控制模板PIDT控制器的控制模板输出；

N：表示系统在运行过程中，调用控制模板的次数；

T _n ：表示第n次启动控制模板的起始时间；

e(T _n ) ：表示第n次启动控制模板时刻的偏差大小；

sgn(e(T _n )) ：确定模板控制量的正负极性；

：表示T _n 时刻控制偏差e(T _n )情况下控制模板的强度系数，系数由的绝对值的大小所对应区域通过查表确定，决定控制模板所产生的附加控制量的强度大小；

U _template (t- T _n ) ：表示第n次启动控制模板函数。

任何时候，最多只允许且只有一个控制模板工作。

通常情况下，为了避免频繁启动控制模板，除了满足控制偏差达到一定的偏差值的要求外，还要确保相邻的前控制模板工作停止（控制模板无输出）后，必须达到一个最小的时间间距，后续控制模板才能启动。这个最小的时间间距定义为控制模板工作窗口保护期T_WP。

模板单独控制时，主要应用于系统初始启动时，PIDT控制器输出为

u(t)= u _pid (t)+ u _template

=uc+ u _template

uc为控制器输出的一个常量。

PIDT控制器提供一个可选控制模板库，控制模板库由基本控制模板（Basic Template Library）和自建控制模板（Self-built Template Library）组成。

PIDT控制器提供一定存储空间和操作界面，根据已有控制经验、统计特性、控制对象特点，技术人员可自建控制模板并存储。

针对控制系统对控制器输出、调节时间、超调量等技术要求和系统特点，从控制模板库中选用一个合适的控制模板，并配置模板的作用时间。控制模板提供一个与被控对象相匹配的具有一定模板形状的作用时间合适的附加的输出控制量，以便解决控制系统中PID调节参数难于兼顾快速响应与超调量之间的矛盾，简化控制系统的PID参数调整，提升控制系统的动态品质和整体性能。

采用上述方案后，本发明具有以下优点。

(1) 具有可选控制模板的PIDT控制技术的控制结构仍然具有比例(P)、积分(I)、微分(D)形式，具有经典PID控制所具有的结构简单、性能稳定可靠、应用面广的优点。

(2)具有可选控制模板的PIDT控制技术通过可选控制模板提供一个附加的与控制对象相匹配的作用时间有限的强度与偏差对应的控制量，模板控制(T)部分可提升系统的动态品质和动态性能，在PIDT控制器调试和确定调节参数过程中，便于解决经典PID控制器的控制器输出、调节时间与超调量之间难于兼顾的问题。

(3)具有可选控制模板的PIDT控制技术可依据其控制模板的建立规则，自建控制模板，该功能为工程技术人员创造性地解决现场具体控制技术问题提供了一个良好的技术支撑平台。

(4)与其他智能控制方法相比较，本发明可选控制模板的PIDT控制技术具有易于理解、调试方便、容易推广等优点，实验证明，该技术完全能够满足控制系统的实时、动态响应快、超调量小等动态性能要求较高的场合。

附图说明

图1是具有可选控制模板的PIDT控制技术原理图。

图2是本发明所提供的单极性余弦控制模板。

图3是本发明所提供的双极性余弦指数衰减控制模板。

图4是本发明所提供的单极性梯形控制模板。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行详细说明。

1、一种可选控制模板的PIDT控制器的组成结构。

PIDT控制器主要由PID控制器、控制模板库组成，具有人机操作界面并提供足够的存储空间。

2、控制模板有两种主要的存储形式：

（1） 数学函数表达式，如：cosωt等；

（2） 控制量输出查询表。

3、三种基本控制模板

可选控制模板库由余弦控制模板、余弦指数衰减控制模板、梯形控制模板等基本模板组成，根据需要，用户还可自己设计和自建控制模板。

（1）余弦控制模板

。

（2）余弦指数衰减控制模板

。

（3）梯形控制模板

。

4、控制模板分类

控制模板提供一个与被控对象相匹配的具有一定模板形状的适当作用时间的附加的输出控制量，因此，控制模板的每次作用时间是有限的，控制模板作用时间t_m与控制系统所要求的上升(目标参数从给定值的10%上升到90%)时间t_r有关，下面将进一步说明。

控制模板分为单极性控制模板和双极性控制模板两类：余弦控制模板、梯形控制模板只提供单一极性的输出控制量，属于单极性控制模板；余弦指数衰减控制模板提供双极性的输出控制量，属于双极性控制模板。

5、控制模板作用时间和启动间隔

控制模板作用时间t_m与控制系统所要求的上升(目标参数从给定值的10%上升到90%)时间t_r有关，单极性控制模板作用时间满足条件：0.8t_r＜t_m＜1.1t_r；双极性控制模板作用时间满足条件：2.4t_r＜t_m＜3.3t_r；在控制模板的作用时间t_m内，只有一个模板工作。

为了避免频繁启动控制模板，除了满足控制偏差达到一定的偏差值的要求外，还必须确保一定的时间间距，因此设置控制模板工作窗口保护期T_WP，一般情况下，满足T_WP≥5 t_m，可依据实际情况选取。

6、自建控制模板的基本技术特征

根据控制系统的特点和以往的控制经验，可自建控制模板，满足控制系统的特定技术指标和技术要求。控制模板的技术特征主要有三个。

（1）形状。模板形状决定模板控制量在不同时刻控制量的输出大小。

（2）幅值。单双极性控制模板起始时刻幅值最大，控制模板作用时间结束时，控制模板输出控制量的幅度为0。双极性控制模板正极性（起始时刻极性）侧幅值的最大绝对值为，负极性（结束时刻极性前）侧幅值的最大绝对值为，那么，双极性控制模板的幅值关系必须满足。

（3）作用时间。控制模板作用时间t_m与控制系统所要求的上升(目标参数从给定值的10%上升到90%)时间t_r有关，参见5控制模板作用时间和启动间隔。双极性控制模板的作用时间分为正极性（起始时刻极性）侧作用时间，负极性（结束时刻极性前）侧作用时间，那么，双极性控制模板的正负极性的时间关系必须满足。

7、控制方法的具体实现步骤可描述如下。

 步骤1：选择控制模板。

余弦控制模板、梯形控制模板为单极性控制模板，可用于较小超调（无超调）、振荡次数少（无振荡）的控制系统。

余弦指数衰减控制模板为双极性控制模板，可用于有超调和有振荡的控制系统。

自建控制模板可参照以上单极性、双极性两种模板自建。

步骤2：设置控制模板作用时间和启动间隔。

控制模板作用时间t_m与控制系统所要求的上升(目标参数从给定值的10%上升到90%)时间t_r有关，单极控制模板0.8t_r＜t_m＜1.1t_r；双极控制模板2.4t_r＜t_m＜3.3t_r；控制模板的最小启动间隔为t_min≥5 t_m，那么控制模板工作窗口保护期T_WP= t_m +t_min≥6 t_m，t_min可依据控制系统实际情况确定，然后确定T_WP。

步骤3：根据模板的作用时间，建立时间、模板控制量输出查询表。

（1）数学函数表达式模板。当前控制模板作用时间、模板控制量输出查询表可通过函数直接计算。

（2）控制量输出查询表。根据控制模板作用时间t_m与控制量输出查询表标准作用时间t的比值关系，进行时间轴坐标变换，得到当前控制模板作用时间、模板控制量输出查询表如表1。

 表1：作用时间30秒余弦控制模板控制量输出查询表

t	模板输出	t	模板输出
				0	1	15	0.6877
1	0.9985	16	0.6473
				2	0.9941	17	0.6051
…	……	…	……
				…	……	…	……
13	0.7621	28	0.0541
				14	0.7259	29	0

上面表1为余弦控制模板作用时间30秒、模板控制量输出查询表。

步骤4：设置控制模板强度系数查询表。

   根据系统技术要求，设置控制模板强度系数查询表，表2为控制模板五级强度系数查询表。

表2：控制模板五级强度系数查询表

偏差等级
			1	60%以上	α1
2	30%~60%	α2
			3	10%~30%	α3
4	5%~10%	α4
			5	1%~5%	α5

一般情况下，只有在系统初始状态、偏差较大的情况下，启动控制模板输出，因此控制模板强度系数设置1-2级已足够满足要求。

 步骤5：设置可选控制模板的PIDT控制器的初始参数。

K_P，K_I，K_D按照常规PID参数调试的方法确定，初始启动时，模板单独控制时的控制器初始输出量uc。

设置模板工作的标志Twork为0，0表示模板已停止工作，模板无输出； Twork为1表示模板正在工作，模板有输出。

设置模板工作窗口保护的标志Twprotect为0，0表示不在控制模板工作窗口保护期T_WP之内，如符合启动条件，可以启动模板； Twprotect为1表示控制模板尚在工作窗口保护期T_WP之内，禁止启动新的模板。

步骤6：预置控制模板工作计时器、工作窗口保护期计时器初始参数；

根据控制模板作用时间t_m和最小启动间隔的要求，预置控制模板工作计时器初始参数；设置控制模板工作窗口保护期T_WP，预置控制模板工作窗口保护期计时器初始参数。

步骤7：判断是否满足控制模板工作的条件。

系统启动可选控制模板的必须同时满足两个条件：

（1）当前无控制模板工作，且不在控制模板工作窗口保护期T_WP之内，或者说不在当前控制模板的工作时间窗口之内；

（2）系统偏差的绝对值大于启动控制模板的最小设定要求值E_min时，即E_min。

满足以上两个条件，根据偏差大小，确定控制模板的强度系数α=；执行步骤8。

不满足以上两个条件，执行步骤9。

步骤8：控制模板运行标志和模板工作窗口运行保护标志。

设置Twprotect=Twork=1，设置控制模板运行标志和模板工作窗口运行保护标志。

启动控制模板工作计时器、工作窗口保护期计时器。

控制模板工作计时器时间到，标志Twork复位， Twork=0；

工作窗口保护期计时器时间到，标志Twprotect复位，Twprotect=0。

步骤9：计算控制模板输出。

If  Twork=0，u _template=0 执行步骤10。

If  Twork=1，查询模板工作计时器，计算模板当前工作时间；根据计算模板当前工作时间，查《控制模板作用时间、模板控制量输出查询表》，得到控制模板T的输出值。

计算模板实际输出值

u _template=α*U _template (t-Tn) 。

步骤10：计算PID输出

。

步骤11：计算PIDT输出

。

返回步骤7。

以上实施方法及其方案仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有可选控制模板库的PIDT控制方法，其特征在于：包含PID控制和模板T控制，其中，PIDT控制技术的控制律为

$\begin{array}{c}u\left(t\right)=u_{\mathrm{pid}}\left(t\right)+u_{\mathrm{template}}\\ =K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+u_{\mathrm{template}}\\ =K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]\\ +\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{sgn}\left(e\left(T_n\right)\right)\mathrm{\α}\left(e\left(T_n\right)\right)U_{\mathrm{template}}(t-T_n)\end{array}$

上式中，e(t)为偏差信号，K_P为比例放大系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数；K_I＝K_P/T_I为积分系数，K_D＝K_PT_D为微分系数；

u(t)：表示具有可选控制模板的PIDT控制器的输出信号；

u_pid(t)：表示具有可选控制模板PIDT控制器的PID输出部分；

u_template：表示具有可选控制模板PIDT控制器的控制模板输出；

N：表示系统在运行过程中，调用控制模板的次数；

T_n：表示第n次启动控制模板的起始时间；

e(T_n)：表示第n次启动控制模板时刻的偏差大小；

sgn(e(T_n))：确定模板控制量的正负极性；

α(e(T_n))：表示T_n时刻控制偏差e(T_n)情况下控制模板的强度系数，系数α(e(T_n))由e(T_n)的绝对值的大小所对应区域通过查表确定，决定控制模板所产生的附加控制量的强度大小；

U_template(t-T_n)：表示第n次启动控制模板函数；

采用模板独立控制时，PID控制输出一个常量uc；

模板独立控制时，主要用于系统初始启动时，PIDT控制器输出为

u(t)＝u_pid(t)+u_template

＝uc+u_template。

2.一种实现如权利要求1所述的具有可选控制模板库的PIDT控制方法的控制系统，其特征在于：包括一个可选控制模板库，可选控制模板库包含基本控制模板和自建控制模板，具有人机操作界面并提供足够的存储空间；

基本控制模板和自建控制模板有两种主要的存储形式为

(1)数学函数表达式；

(2)控制量输出查询表；

基本控制模板包含余弦控制模板、余弦指数衰减控制模板和梯形控制模板，其数据特征为

(1)余弦控制模板

$U_{\mathrm{template}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ωt},0\≤\mathrm{\ωt}\≤\mathrm{\π}/2\\ 0,\mathrm{\ωt}>\mathrm{\π}/2\end{array}\right.$

(2)余弦指数衰减控制模板

$U_{\mathrm{template}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ωtexp}(-\mathrm{\ωt}/2),0\≤\mathrm{\ωt}\≤3\mathrm{\π}/2\\ 0,\mathrm{\ωt}>3\mathrm{\π}/2\end{array}\right.$

(3)梯形控制模板

$U_{\mathrm{template}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}\&le;t\&le;T_1\\ (T_1+T_2-t)/T_2,T_1<t\&le;T_1+T_2\\ 0,t>T_1+T_2\end{array}\right.$

T₁是梯形的宽度，T₂是梯形的下降时间。

3.如权利要求2具有可选控制模板库的PIDT控制方法的控制系统，其特征为：

基本控制模板和自建控制模板分为单极性控制模板和双极性控

制模板两类，基本控制模板和自建控制模板的三个主要技术特征为

(1)模板形状；

(2)幅值；

(3)作用时间。

4.如权利要求2所述的具有可选控制模板库的PIDT控制方法的控制系统，其特征是：具体实现步骤为

步骤1：选择控制模板；

步骤2：设置控制模板作用时间和启动间隔；

步骤3：根据模板的作用时间，建立时间、模板控制量输出查询表；

步骤4：设置控制模板强度系数查询表；

步骤5：设置可选控制模板的PIDT控制器的初始参数：

步骤6：预置控制模板工作计时器、工作窗口保护期计时器初始参数；

步骤7：判断是否满足控制模板工作的条件；满足规定条件时执行步骤8，不满足规定条件时执行步骤9；

步骤8：控制模板运行标志和模板工作窗口运行保护标志；

步骤9：计算控制模板输出；

步骤10：计算PID输出；

步骤11：计算PIDT输出。