CN104597927B - 一种基于pid的转速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种针对控制对象的动态误差、饱和现象以及调节特性特征参数的转速控制方法，从而在一定范围内解决了控制对象时变性对控制方法带来的严重影响。这种基于PID的转速控制方法，通过对执行机构的在线限幅以解决传统积分限幅过大的缺陷，通过变积分方法解决传统PID方法在系统超调后调节时间长的缺陷。本发明具有运算量小、稳定性好、且控制精度高的优点。

Description

一种基于PID的转速控制方法

技术领域

本发明属于工程控制技术领域，具体涉及一种基于PID转速控制方法。

背景技术

应急动力装置在高转速状态下工作，一般转速都在70，000RPM左右。工作在如此高的转速状态下，会对应急动力装置某些部件产生较大的离心力，并且离心力的大小随着转速的平方值的增大而增大。因此，为了避免发生灾难性的故障，应急动力装置的转速值应该被控制在一定的范围内，由于应急动力装置工作范围广(地面到10km高空)，装置的动力源压力从0.3MPa到0.8MPa，这使得采用常规的PID方法很难做到使应急动力装置转速稳定在一定的范围内。

在实际工程应用中，被控对象的特征参数总是伴随着被控对象自身特性的衰退、使用环境的不同而在一定的范围内变化。目前常规PID控制方法，在被控制对象在工作环境和自身特性发生变化时存在动态响应差、易引起超调以及调节时间长等问题。

面对这种时变系统，在处理类似控制问题时，也有采用分段PID方法或者自适应PID方法。完成这些先进控制方法往往需要进行大量的探索试验并对实验数据进行分析总结并归纳出所控制对象特征参数的变化规律，最终建立多为特征参数对应表。这使得方法开发周期变长、方法结构复杂度提高、方法开发费用昂贵。

常规的位置式PID算法的优点是计算精度比较高，缺点是每次都要对e(k)进行累加，很容易出现积分饱和的情况，由于位置式PI调节器直接控制的是执行机构，积分一旦饱和就会引起执行机构位置的大幅度变化，造成控制对象的不稳定。其计算如式1所示：

u(k)＝Kp*e(k)+Ki*T*∑e(i)+Kd*(e(k)–e(k-1))/T (1)

式中：

u代表输出；

e代表输入的误差；

Kp代表比例系数；

Ki代表积分系数；

Kd代表微分系数；

T代表采样周期。

发明内容

本发明提出了一种针对控制对象的动态误差、饱和现象以及调节特性特征参数的强鲁棒性控制方法，从而在一定范围内解决了控制对象时变性对控制方法带来的严重影响。

在系统控制中“饱和现象”是一种常见的现象，饱和现象是指系统的输出与系统的输入运动不一致的现象。对输入信号进行限幅是解决“饱和现象”的一种行之有效的方法。输入信号限幅往往存在限幅门限难以确定的困难，然而合理的限幅门限是决定抗“饱和现象”的主要影响因素。为此，本发明基于对象物理特性进行预先积分实现在线限幅。

在系统控制中超调量(或者动态误差)和调节时间往往是评价系统好坏的关键指标，为此，本发明还同时进行基于快速跟踪性的变速积分。

基于以上考虑，本发明进而研究提出以下解决方案：

一种基于PID的转速控制方法，在常规的位置式PID控制方法的基础上，基于对象物理特性进行预先积分门限计算作在线限幅，同时进行快速跟踪性的变速积分。

具体控制原理如下：

u(k)＝Kp*e(k)+Ki*T*∑h*e(i)+Kd*(e(k)–e(k-1))/T

e(k)＝r(k)–y(k)

其中，h的取值分为以下三种情况：

h＝β y>r+α&&y(k)–y(k-1)>0

h＝0 output>＝max&&y(k)–y(k-1)>0

h＝1 else；

式中：

u代表输出；

e代表输入的误差；

r代表系统的期望值；

y代表系统的实际输出值；

α是与被控对象相关的门限值；

β表示变速积分的积分速度；

output代表系统执行机构的输出位置；

max代表期望的执行机构输出位置的最大值；

Kp代表比例系数；

Ki代表积分系数；

Kd代表微分系数；

T代表采样周期。

上述基于PID的转速控制方法，具体包括如下过程：

1)计算涡轮转速的偏差，e＝y–r；

2)计算比例输出，P＝kp*e；

3)判断转速是否超过稳态期望值加α％且对象控制量变化量是否大于0，即y(k)–y(k-1)>0&&y>r+α；

4)如果步骤3)条件为真，则积分步长h＝M1；

5)如果步骤3)条件为假，则积分步长h＝M2；

若物理对象的控制量与被控量具有正相关性，则M1＞M2；若物理对象的控制量与被控量具有负相关性，则M1＜M2；

6)判断执行机构是否达到极限位置；

7)如果步骤6)条件为假，直接到第11)步；

8)如果步骤6)条件为真，判断被控对象输出量变化量是否大于0，即y(k)–y(k-1)>0；

9)如果步骤8)条件为真，则积分步长h＝M3；

10)如果步骤8)条件为假，直接到第11)步；

11)计算积分，sum＝sum+h*e；

12)PID计算，Output＝P+ki*sum。

本发明具有以下优点：

本发明通过对执行机构的在线限幅以解决传统积分限幅过大的缺陷，同时通过变积分方法解决传统PID方法在系统超调后调节时间长的缺陷。本发明具有运算量小、稳定性好、且控制精度高的优点。

附图说明

图1基于对象物理特性的预先积分在线限幅技术与常规PID转速对比图。

图2基于对象物理特性的预先积分在线限幅技术与常规PID积分项对比图。

图3基于快速跟踪性的变速积分技术与常规PID转速对比图。

图4基于快速跟踪性的变速积分技术与常规PID积分项对比图。

图5本发明计算方法与常规PID转速对比图。

图6本发明计算方法与常规PID积分项对比图。

图7实例的控制系统方框图。

图8实例实施流程。

具体实施方式

本发明的具体原理如下：

u(k)＝Kp*e(k)+Ki*T*∑h*e(i)+Kd*(e(k)–e(k-1))/T (2)

e(k)＝r(k)–y(k) (3)

h＝βy>r+α&&y(k)–y(k-1)>0 (4)

h＝0 output>＝max&&y(k)–y(k-1)>0 (5)

h＝1 else (6)

式中：

u代表输出；

e代表输入的误差；

r代表系统的期望值；

y代表系统的实际输出值；

α是与被控对象相关的门限值，对象响应越快其值越大，反之越小；

β表示变速积分的积分速度，理论上其值越大消除超调越迅速，但其值太大可能会造成震荡；

output代表系统执行机构的输出位置；

max代表设计者期望的执行机构输出位置的最大值；

Kp代表比例系数；

Ki代表积分系数；

Kd代表微分系数；

T代表采样周期。

应急动力装置电子控制器(EPUC)作为EPU的核心部分，主要用于对EPU进行起动控制、稳态控制、停车控制，实时监控、数据通讯和运行健康数据管理等，以确保动力装置的起动、稳定工作和加减载过程的安全性、稳定性和可靠性。

为了满足EPU控制器的起动、稳态、停车控制功能，在此采用串级校正的控制模式进行EPU控制系统的设计。鉴于应急动力装置的工作特点，控制系统被划分为动力涡轮转速控制回路和引气伺服阀位置控制回路组成，控制系统方框图如图6所示。

为了满足控制指标的要求，我们采用串级的控制模式，其控制方块图如图7所示。主控制回路采用PI控制算法，副控制回路采用P控制算法。

由于应急动力装置最终的控制目标是控制涡轮转速稳定100％转速并且处于要求的误差范围，加之应急动力系统的引气条件的不确定性(系统的输入变量的时变性)，而常规的PI算法不可能满足应急动力装置在全包线内，因此项目采用了本发明提出的方法进行系统的PID控制，实例实施的流程图如图8所示。

1)计算涡轮转速的偏差，e＝y–r；

2)判断转速是否超过稳态期望值加1％且对象控制量变化量是否大于0，即y(k)–y(k-1)>0&&y>101；

3)如果步骤2条件为真，则积分步长h＝8；

4)如果步骤2条件为假，则积分步长h＝1；

5)判断执行机构是否达到极限位置；

6)如果步骤5条件为假，直接到第10步；

7)如果步骤5条件为真，判断被控对象输出量变化量是否大于0，即y(k)–y(k-1)>0；

8)如果步骤7条件为真，则积分步长h＝0；

9)如果步骤8条件为假，直接到第10步；

10)计算积分，sum＝sum+h*e；

11)PID计算，Output＝Kp_1*e+ki*sum。

对于该控制系统，副回路可以按照下式计算：

I_Output＝Kp_2*(Output–degree(k)).

按照上述的流程，通过仿真计算和试验验证，结果表明提出的方法，在相同条件下比常规PID方法的控制效果更好，控制精度更高，如图1至6所示。

Claims (1)

1.一种基于PID的转速控制方法，其特征在于：基于对象物理特性进行预先积分门限计算作在线限幅，同时进行快速跟踪性的变速积分；控制原理如下：

u(k)＝Kp*e(k)+Ki*T*∑h*e(i)+Kd*(e(k)–e(k-1))/T

e(k)＝r(k)–y(k)

其中，h的取值分为以下三种情况：

h＝β y>r+α&&y(k)–y(k-1)>0

h＝0 output>＝max&&y(k)–y(k-1)>0

h＝1 else；

式中：

u代表输出；

e代表输入的误差；

r代表系统的期望值；

y代表系统的实际输出值；

α是与被控对象相关的门限值；

β表示变速积分的积分速度；

output代表系统执行机构的输出位置；

max代表期望的执行机构输出位置的最大值；

Kp代表比例系数；

Ki代表积分系数；

Kd代表微分系数；

T代表采样周期；

针对应急动力系统的控制，具体包括如下过程：

1)计算涡轮转速的偏差，e＝y–r；

2)计算比例输出，P＝Kp*e；

3)判断转速是否超过稳态期望值加α％且对象控制量变化量是否大于0，即y(k)–y(k-1)>0&&y>r+α；

4)如果步骤3)条件为真，则积分步长h＝M1；

5)如果步骤3)条件为假，则积分步长h＝M2；

若物理对象的控制量与被控量具有正相关性，则M1＞M2；若物理对象的控制量与被控量具有负相关性，则M1＜M2；

6)判断执行机构是否达到极限位置；

7)如果步骤6)条件为假，直接到第11)步；

8)如果步骤6)条件为真，判断被控对象输出量变化量是否大于0，即y(k)–y(k-1)>0；

9)如果步骤8)条件为真，则积分步长h＝M3；

10)如果步骤8)条件为假，直接到第11)步；

11)计算积分，sum＝sum+h*e；

12)PID计算，Output＝P+Ki*sum。