CN103309232A - 可分级的快速pid整定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可分级的快速PID整定方法和装置，用于工业过程控制技术领域。本发明提出的可分级的快速PID整定方法包括三种可分级的整定方案：快速整定、标准整定和精确整定；快速整定方案通过计算出被控系统的延时和设定的PV的极值计算PID参数；标准整定方案通过计算两次PV上升斜率计算PID参数；精确整定通过阶跃测试来计算PID参数。这三种方案完成整定所需要的时间依次上升，计算出的PID参数精确度依次增加。本发明提出的可分级的快速PID整定装置包括检测模块，整定模块和输出模块，其中，检测模块和输出模块根据被控设备的不同是可配置的。本发明给出的整定方法应用简单，使用方便；给出的整定装置配置灵活，适用性广。

Description

可分级的快速PID整定方法和装置

技术领域

本发明涉及的是一种用于自动化控制技术领域的方法和装置，具体是一种可分级的快速PID整定方法和装置。

背景技术

比例-积分-微分(PID)控制器广泛地应用于各种需要自动化控制的场合，它由三个部分组成：比例部分、积分部分和微分部分，其控制原理可以表述为：

$u\left(t\right)=K_p(e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{\mathrm{t\τ}}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}})$

其中e(t)是设定值(SP：Set Point)与过程变量(PV：Process Variable)之差，u(t)是PID控制器的输出。所有PID整定方法的核心在于根据被控系统的特性为PID控制器设定合适的控制参数：比例参数K_p，积分时间T₁和微分时间T_d。

现有的PID整定方法分为两类：手动整定和自动整定。手动整定方法源于经典的PID控制理论及其改进方法，如Ziegler，J.G和Nichols，N.B.于1942年发表的文章《Optimum settings for automatic controllers》(自动控制器的最佳参数设定，发表在Transactions of the ASME.64.pp.759-768)。该方法要求技术人员在现场对被控系统的激励装置进行手动调试，忽略积分部分和微分部分并不断改变比例参数以使PV处于临界振荡状态，然后在该状态下记录PV的振幅和周期，计算出PID的控制参数。该整定方法的缺点在于，它需要参与整定的技术人员经验丰富且知识面广。自动整定方法根据不同的理论分为许多种，但大多数都需要一个或若干个先决条件，如：发明《单输入单输出系统的极限PID控制方法》(发明专利申请号200510112230.8)阐述了一种自整定方法。它假定被控系统是一阶系统，并在计算控制参数之前，将该系统的参数以其他方法测量出来；有些方法不需要对系统作预先假设，但整定过程需要消耗大量时间且被控系统所处状态不易判断，如：美国发明专利《Method and Apparatus for Tuning a PIDController》(整定PID控制器的方法和装置，美国专利号US20100292813)要求在整定过程中整定设备自动地调节参数K_p，直到PV处于临界振动状态；这个调节K_p使被控系统进入临界振动状态的过程耗时很长且对整定设备而言，PV是否处于临界振动状态是不易判断的。

无论手动方式还是自动方式，很多整定方法都是单一的，整定过程所需要时间和整定生成的参数精度都是不变的，不能满足实际应用中对不同整定时间和不同参数精确度的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术和方案的不足(整定过程需要人工参与；整定时间过长，整定参数的精度不可调)，设计出一种可分级的快速PID整定方法。该方法包含三种不同级别的自动整定方案：快速整定，标准整定和精确整定。快速整定方案不需要额外整定时间，整定速度快；标准整定需要一个额外的降温时间和升温时间；精确整定需要额外的时间来进行阶跃测试。就精确度而言，精确整定最高，标准整定次之，快速整定第三。

本发明还提供了一种可分级的快速PID整定装置。该装置包括检测模块，整定模块和输出模块，如图1所示，其中：

检测模块：用于检测被控设备，采样相关参数后作为整定模块的输入。

整定模块：专门实施本发明提供的可分级快速PID整定方法。

输出模块：将整定模块的输出变量转换为被控设备的激励模块的输入参数，对被控设备进行控制。

根据被控设备的不同，检测模块和输出模块是可配置的。如被控设备是加热设备，则检测模块和输出模块可以分别是温度传感器和可控硅；如被控设备是增压设备，则检测模块和输出模块可以是压力传感器和增压电动机的驱动器。

整定过程描述如下：整定模块首先确定整定方案和SP值并开始整定；在整定过程中，整定模块生成的离散信号通过输出模块变成连续信号并驱动激励模块，激励模块将连续信号转换成被控设备需要的相应输出(如：被控设备是加热炉，则输出为加热功率；被控设备是增压设备，则输出为压缩机的加压功率)来影响被控设备；接着，检测模块对被控模块的相关参数进行采样得到PV；最后整定装置对PV和SP进行比较，并根据整定开始时所设定的整定方案，实时改变整定装置的内部状态，直到整定结束，获得PID参数。

快速整定方案包括以下几个步骤：(1)开始时，整定装置以全功率(U＝100％)输出，促使PV值增大，如图2所示。(2)整定模块计算出PV增大的上升斜率R_i和被控设备的延时Delay，公式为：

$R_i=\frac{{\mathrm{PV}}_3-{\mathrm{PV}}_2}{t_2-t_3}$

$\mathrm{Delay}=t_2-\frac{{\mathrm{PV}}_2-{\mathrm{PV}}_0}{R_i}-{\mathrm{PV}}_0$

(3)整定模块计算K_T和T_p。K_T表示在给定功率下的过程增益(Process Gain)。如：在100％功率下PV能达到1800度，则

T_p表示PV上升到极值63％时需要的时间，计算方法为：

$T_p=\frac{K_T*0.63}{R_i}*1.5$

(4)整定模块计算出PID控制器的参数，公式如下：

$\mathrm{Kp}=\frac{1}{K_T}(T_p+0.5*\mathrm{Delay})/(\mathrm{Tc}+0.5*\mathrm{Delay})$

T_i＝T_p+0.5*Delay

$T_d=\frac{T_p*\mathrm{Delay}}{2*T_p+\mathrm{delay}}$

其中：Tc＝max(0.05*Delay，0.008*T_p)

标准整定方案如图3所示，包括以下几个步骤：(1)整定开始，整定装置以U＝U1的功率输出，被控设备的状态从P1点到P2点，这个时间间隔记为Delay1。(2)PV值从P2点开始上升，与PV＝L_factor*SP和PV＝U_factor*SP分别相交于P3和P4，整定模块计算P3到P4点的斜率K₃。(3)整定装置以U＝0功率输出，被控设备状态从P4点到P5点，这个时间间隔记为Delay2；对Delay1和Delay2取算术平均值，获得被控系统的延时平均值Delay。(4)整定装置继续以0功率输出，系统状态从P5点到P6点。(5)整定装置以U＝U2功率输出，PV值从P6点开始上升，与PV＝L_factor*SP和PV＝U_factor*SP分别相交于P7和P8，计算P7到P8点的斜率，记为K₂。计算PID整定参数，公式如下：

$K_p=\frac{50}{(K_3-K_2)*\mathrm{Delay}}$

T_i＝2*Delay

T_d＝Delay/2

其中，U1和U2为不同的输出功率，U1-U2＞20％且U2＞＝50％；L_factor和U_factor是PV值穿越的区域系数，满足(U_factor-L_factor)*SP大于噪声平均值的4倍。

精确整定方案如图4所示，包括以下几个步骤：(1)整定开始，整定装置以U1＝100％的功率输出，并实时对输出功率进行调整。(2)调整方法为，如果PV＞U_limit*SP，则输出功率变为0直到PV＜L_limit*SP；此时，输出功率变为U＝U2，如果U2仍然使PV＞U_limit*SP，则在下次加热时继续减小功率；如果加热功率不足(不足以使PV＞L_limit*SP)，则整定装置加大输出功率，直到PV稳定在L_limit*SP与U_limit*SP之间，此时输出功率为U＝U4。(3)整定装置的功率调整公式为U＝(Umax+Umin)/2。初始时，设置上限功率Umax＝100％，Umin＝0；如果某次加热时PV＞L_limit*SP，则以此时的功率替换Umax；如果某次加热功率不能使PV＞0.8*SP，则以此时功率替换Umin。(4)当被控系统在U＝U4的输出功率下稳定后，整定装置输出一阶跃上升功率，其大小为U5＝1.1*U4，直到系统稳定。(5)计算PID参数，计算方法如图5所示。PV1，PV2是在输出功率U4和U5时PV的值，令h＝PV2-PV1。当PV分别为0.39h和0.63h时，记此时的时间分别为t₂，t₂。整定参数的计算公式为：

Lag＝2(t₂-t₃)

Delay＝2t₃-t₂

$K_p=\frac{1.2*h}{\mathrm{Lag}*\mathrm{Delay}}$

T_i＝2*Delay

T_d＝Delay/2

其中，L_limit和U_limit表示如果PV稳定在[L_limit*SP，U_limit*SP]之间，则这个稳定点是可接受的，它们满足关系式0.6＜＝L_limit＜U_limit＜＝1.1，U_limit-L_limit＞0.1。

附图说明

图1是整定装置工作原理示意图；

图2是快速整定方案求延时Delay方法示意图；

图3是标准整定方案示意图；

图4是精确整定方案示意图；

图5是阶跃测试求PID参数方法示意图；

图6是整定装置应用于工业加热炉的示意图；

图7是快速整定方案流程图；

图8是标准整定方案流程图；

图9是精确整定方案流程图。

具体实施方式

以下结合附图和一个具体实施例子对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例子：对于一个典型的工业加热炉，按照图1组建一个自整定系统，如图6所示。

在快速整定方案下，整定过程如图7所示，图中，P1＝P2是指P1的值由P2代替，P2将被重新赋值。该整定方案可叙述为：(1)整定装置获得加热炉在100％功率下，能达到的最高温度。(2)整定模块记录P0点，该点是温度由降到升的拐点，初始化斜率最R_i＝0。(3)整定模块记录P1和P2点，使得P0、P1和P2点的时间间隔之差大于10个采样周期。(4)计算P1与P2点之间斜率R_x。(5)将R_x与R_i进行比较，如果R_x＞R_i，则重新获取P1、P2并计算R_x，直到R_x＜R_i。(6)计算PID参数K_p、T_i和T_d，整定结束。

在标准整定方案下，整定过程如图8所示，此处L_factor和U_factor分别取0.8和0.9。该整定方案可叙述为：(1)整定装置以100％功率使加热炉升温，使得温度曲线分别穿过直线PV＝0.8*SP和PV＝0.9*SP从而得到两个交点P1和P2。(2)计算P1与P2之间的升温曲线斜率K₃。(3)整定装置输出0功率，加热炉温度下降，直到0.8*SP以下。(4)整定装置输出50％功率，使温度曲线再次穿过0.8*SP和0.9*SP，得到另外两个交点P3和P4。(5)计算P3和P4之间的升温曲线斜率K₂。(5)通过曲线斜率和Delay，计算PID参数K_p、T_i和T_d，整定结束。

在精确整定方案下，整定过程如图9所示，此处L_limit和U_limit分别取0.8和0.9。该整定方案叙述为：(1)整定装置初始化最大功率Umax＝100％和最小功率Umin＝0，并以U＝100％功率使加热炉升温。(2)当PV＞0.9*SP时，作以下替换Umax＝U，并使得U＝0，促使加热炉降温。当PV＜0.8*SP，且PV值稳定，则使Umin＝U，U＝(Umax+Umin)/2输出功率增大。当0.8*SP＜PV＜0.9*SP且PV稳定，则整定装置开始阶跃响应测试。(3)当U＝0，且PV＜0.8*SP时，说明上一次升温的输出功率过大，则使U＝(Umax+Umin)/2输出功率减小，并重复第二步的过程。(4)在阶跃响应测试时，阶跃激励的幅度为当前功率的10％，即输出功率为1.1倍当前功率，故U＝1.1*U。(5)阶跃测试时，待PV稳定，计算PID参数K_p、T_i和T_d，整定结束。

在叙述实施方式时，是对控制工业加热炉(温控设备)的PID控制器进行整定为例子来说明的。但本发明并不仅仅局限于对温控设备的PID控制器的整定，还可以对包括压力，流量，湿度，电流，电压等PID控制器进行整定。

Claims (7)

1.一种可分级的快速PID整定方法，其特征是：包括三种分级的PID整定方案，快速整定、标准整定和精确整定，包括如下细节：

(1)在快速整定方案下，整定装置在过程变量(PV)趋近于设定值(SP)的过程中完成PID参数的计算；

(2)在标准整定方案下，整定装置以两个特定的功率使PV值在同一值域内上升两次，从而得到两个特定PV上升速率，通过这两个速率完成PID参数的计算；

(3)在精确整定方案下，整定装置调整输出功率，使PV稳定在一个确定的区间，最后通过阶跃激励测试，完成PID参数的计算。

2.根据权利要求1所述的一种可分级的快速PID整定方法，其特征是：该整定方法具有三种分级的PID整定方案，整定装置根据整定开始阶段的设定，运行对应的整定方案来计算出PID控制器的参数。

3.根据权利要求1所述的一种可分级的快速PID整定方法，其特征是：所述的快速整定方案在PV趋近于SP的过程中，计算出被控系统的延时Delay，并根据输入的经验PV极限值，计算出PID控制器的参数，完成整定；其中，Delay是指给被控系统施加最大激励开始，到PV值有变化时为止的这段时间间隔。

4.根据权利要求1所述的一种可分级的快速PID整定方法，其特征是：所述的标准整定方案中，整定装置分别以U1和U2的功率使PV值上升时两次穿越PV＝L_factor*SP和PV＝U_factor*SP之间的区域，并计算出两次穿越的斜率K₂和K₂，根据K₃和K₂的值计算出PID控制器的参数，完成整定；其中，U1-U2＞20％，U2＞＝50％；L_factor和U_factor是PV值穿越的区域系数，满足(U_factor-L_factor)*SP大于噪声平均值的4倍。

5.根据权利要求1所述的一种可分级的快速PID整定方法，其特征是：所述的精确整定方案中，整定装置调整输出功率，使PV值稳定在L_limit*SP和U_limit*SP之间，并通过阶跃激励测试，计算出PID控制器的参数；其中，L_limit和U_limit表示如果PV稳定在[L_limit*SP，U_limit*SP]之间，则这个稳定点是可接受的，它们满足关系式0.6＜＝L_limit＜U_limit＜＝1.1，U_limit-L_limit＞0.1。

6.一种快速可分级的快速PID整定装置，其特征是：包括检测模块，整定模块和输出模块三个模块；检测模块采样被控设备的被控参数，整定模块实施本发明的整定方法，输出模块将整定模块的输出变量转换为被控设备的激励模块的输入参数。

7.根据权利要求6所述的一种可分级的快速PID整定装置，其特征是：对于不同类型的控制设备，检测模块和输出模块是可配置。

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