CN103439880B - 基于mcp标准传递函数的pid参数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法，该方法包括以下步骤：1)对当前已知类型的被控过程进行辨识，获得被控过程模型参数；2)根据控制要求选定PID控制器类型；3)根据被控过程类型、PID控制器类型从基于多容惯性标准传递函数的PID控制器参数整定计算表中查出对应的PID参数整定计算公式，利用该公式根据被控过程模型参数计算PID控制器参数，并根据参数计算结果控制各PID控制器。与现有技术相比，本发明参数整定方法适用于要求反应缓而超调量小的控制系统，并具有稳定性强、鲁棒性高和减少执行器磨损的特点。

Description

基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法

技术领域

本发明涉及一种PID参数整定方法，尤其是涉及一种基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法。

背景技术

PID控制器是世界上应用最广泛的工业控制器。PID控制器的发明可追溯至1939的美国专利，它是由英国的考伦德(AlbertCallender)和斯蒂文森(AllanStevenson)申报的。PID控制器的目的是：要确保整个控制系统的稳定性，抑制外部干扰的影响和优化系统的性能，在此前提下尽可能的要求操作的简单、易懂，并尽可能地有很广的适用范围。因此，基于先进的科技手段，我们可以更好地应用PID控制方法，以更好地改进工业现场的效率和生产成本。

PID控制系统的性能主要取决于PID控制器参数的整定。因此，PID控制器的参数整定技术成为PID控制器实施成功的关键。自从1942年Tayor公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出Ziegler--Nichols整定准则(简称Z-N整定法)后，就再没有更有影响力的PID控制器参数整定方法出现。不过，Z-N整定法是以实现衰减率为四分之一为整定目标的方法。按Z-N整定后的控制系统必然有反应快但超调量大的特征。这对于要求反应缓而超调量小的控制系统就不适合。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高PID控制系统稳定性和鲁棒性、适用范围广的基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法，该方法包括以下步骤：

1)对当前已知类型的被控过程进行辨识，获得被控过程模型参数；

2)根据控制要求选定PID控制器类型；

3)根据被控过程类型、PID控制器类型从基于多容惯性标准传递函数的PID控制器参数整定计算表中查出对应的PID参数整定计算公式，利用该公式根据被控过程模型参数计算PID控制器参数，并根据参数计算结果控制各PID控制器。

所述的基于多容惯性标准传递函数的PID控制器参数整定计算表具体为：

表中，G_c(s)为PID控制器的传递函数表达式，G₀(s)表示被控过程的传递函数表达式，K、T、τ分别为被控过程的放大系数、时间常数和纯滞后时间，K_p、T_i、T_d分别为PID控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

所述的基于多容惯性标准传递函数的PID控制器参数整定计算表存储在数据存储器中。

所述的被控过程的类型包括有自平衡过程和无自平衡过程，所述的有自平衡过程的表达式为：所述的无自平衡过程的表达式为：

所述的PID控制器类型包括比例控制器、比例积分控制器、比例微分控制器和比例微积分控制器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明基于具有无超调性能的多容惯性(MPC)标准传递函数进行PID参数整定，经本发明方法整定后的PID控制系统具有稳定性强、鲁棒性高和减少执行器磨损的特点；

2)本发明方法适用范围广，且适用于要求反应缓而超调量小的控制系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法，该方法适用于要求反应缓而超调量小的控制系统，并具有稳定性强、鲁棒性高和减少执行器磨损的特点。该方法中采用的基于多容惯性标准传递函数的PID控制器参数整定计算表存储在数据存储器中，可重复使用。

所述的PID控制器参数整定计算表如表1所示，该计算表的推导过程可简述为，先推导出针对线性化被控过程模型的PID控制系统传递函数，再与多容惯性(MCP)标准传递函数比对并解出PID参数计算公式，相应控制器参数(K_p、T_i、T_d)的整定计算公式共16个。与Z-N法公式相比，多了针对PD控制器的2个公式。PD控制器在工业控制中应用很广泛。

表1

表1中，G_c(s)为PID控制器的传递函数表达式，G₀(s)表示被控过程的传递函数表达式，K、T、τ分别为被控过程的放大系数、时间常数和纯滞后时间，K_p、T_i、T_d分别为PID控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

上述PID参数整定方法包括以下步骤：

1)对当前已知类型的被控过程进行辨识，获得被控过程模型参数。所述的对当前被控过程的参数进行辨识采用的方法包括阶跃响应试验法，即在被控过程输入端加一阶跃信号然后在输出端测取过程的阶跃响应数据，再用阶跃响应图解建模法求得被控过程参数。

所述的被控过程的类型包括有自平衡过程和无自平衡过程，所述的有自平衡过程的表达式为：所述的无自平衡过程的表达式为；

2)根据设定选取所需的PID控制器类型，PID控制器类型包括比例控制器(P：G_c(s)＝K_p)、比例积分控制器(PI：)、比例微分控制器(PD：G_c(s)＝K_p(1+T_ds))和比例微积分控制器(PID：)。

3)根据被控过程类型、PID控制器类型从PID控制器参数整定计算表中查出对应的PID参数整定计算公式，利用该公式根据被控过程模型参数计算PID控制器参数，并根据参数计算结果控制各PID控制器。

假设某被控过程可由式(1)描述，并且得知，各控制参数K＝3、T＝1、τ＝0.1。若选PID控制器由式(2)描述，则可比对表1中对应公式计算相应的PID控制器参数如式(3)、式(4)和式(5)所示。

$G_0\left(s\right)=\frac{3}{s+1}{e}^{-0.1s}---\left(1\right)$

$G_c\left(s\right)=K_p(1+\frac{1}{T_{i}s}+T_{d}s)---\left(2\right)$

$K_p=\frac{1}{K}(\frac{{(4T+\mathrm{\τ})}^3}{{64T}^2\mathrm{\τ}}-1)=\frac{1}{3}(\frac{{(4+0.1)}^3}{64\×0.1}-1)=3.2563---\left(3\right)$

$T_i=\frac{{1024T}^3{\mathrm{\τ}}^2}{{(4T+\mathrm{\τ})}^4}(\frac{{(4T+\mathrm{\τ})}^3}{{64T}^2\mathrm{\τ}}-1)=\frac{{1024\×\left(0.1\right)}^2}{{(4+0.1)}^4}(\frac{{4+0.1}^3}{64\×0.1}-1)=0.3540---\left(4\right)$

$T_d=(\frac{{6(4T+\mathrm{\τ})}^2}{64T}-T-\mathrm{\τ})/(\frac{{4T+\mathrm{\τ}}^3}{{64T}^2\mathrm{\τ}}-1)=(\frac{{(4+0.1)}^2}{64/6}-1-0.1)/(\frac{{(4+0.1)}^3}{64\×0.1}-1)=0.04621---\left(5\right).$

Claims (4)

1.一种基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对当前已知类型的被控过程进行辨识，获得被控过程模型参数；

2)根据控制要求选定PID控制器类型；

3)根据被控过程类型、PID控制器类型从基于多容惯性标准传递函数的PID控制器参数整定计算表中查出对应的PID参数整定计算公式，利用该公式根据被控过程模型参数计算PID控制器参数，并根据参数计算结果控制各PID控制器；

所述的基于多容惯性标准传递函数的PID控制器参数整定计算表具体为：

表中，G_c(s)为PID控制器的传递函数表达式，G₀(s)表示被控过程的传递函数表达式，K、T、τ分别为被控过程的放大系数、时间常数和纯滞后时间，K_p、T_i、T_d分别为PID控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

2.根据权利要求1所述的一种基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法，其特征在于，所述的基于多容惯性标准传递函数的PID控制器参数整定计算表存储在数据存储器中。

3.根据权利要求1所述的一种基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法，其特征在于，所述的被控过程的类型包括有自平衡过程和无自平衡过程，所述的有自平衡过程的表达式为：所述的无自平衡过程的表达式为： $G_0\left(s\right)=\frac{K}{s}{e}^{-\mathrm{\τ}s}.$ 。

4.根据权利要求1所述的一种基于MCP标准传递函数的PID参数整定方法，其特征在于，所述的PID控制器类型包括比例控制器、比例积分控制器、比例微分控制器和比例微积分控制器。