CN105487375A - 一种离散pid控制器参数整定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离散PID控制器参数整定方法，涉及工业控制领域。确定控制变量的目标值及其死区边界，设定控制系统的控制器输出增量，计算离散PID控制器的积分系数；设定控制系统的相对穿越斜率，计算离散PID控制器的比例系数；设定控制系统的相对穿越曲率，计算离散PID控制器的微分系数，进而确定一组整定参数。本方案克服了现有技术中依靠技术人员经验进行参数整定效率低下且效果不佳的缺陷，并且将整定过程转化为具有实际物理意义的参数设定，易于进行参数调整，并且对激励信号不作要求，适用于各种控制对象。

Description

一种离散PID控制器参数整定方法
技术领域
本发明涉及工业控制领域，具体涉及一种离散PID控制器参数整定方法。
背景技术
离散PID控制器具有控制器结构简单，不依赖于受控对象动态特性，以及适用于计算机控制系统等优点，在机械制造、化工过程、电力生产等工业控制领域被广泛应用。
参见图1所示，典型的工业过程控制系统中，控制变量y与控制变量的目标值y*比较之后得到当前时刻的偏差信号e，偏差信号e经采样开关SW转化为离散偏差信号en；离散偏差信号en经过死区DZ限制后进入PID控制器C，PID控制器C对离散偏差信号en进行逻辑运算，输出离散控制信号un；离散控制信号un由零阶保持单元ZOH转化为连续控制信号u输出至受控对象P，后者产生新的控制变量y。控制系统的核心逻辑为离散PID控制器C对离散偏差信号en计算，输出离散控制信号un的过程。
参见图2所示，增量式离散PID控制器内部逻辑结构中，核心参数为比例系数kp，积分系数ki，微分系数kd。该离散PID控制器计算过程如下：
Δun＝kp(en-en-1)+kien+kd(en+en-2-2en-1)
un＝un-1+Δun
式中un为控制变量y与控制死区边界相交时刻的控制器输出，un-1为上一个时间周期控制变量y与控制死区边界相交时刻的控制器输出，Δun为控制变量y与控制死区边界相交时刻的控制器输出增量，en为控制偏差，en-1为上一个时间周期的控制偏差，en-2为上两个时间周期的控制偏差。因此，对比例系数kp，积分系数ki和微分系数kd的整定是PID控制器设计的主要内容。
目前工程上整定PID控制器参数的过程主要分为以下两种方式：
(1)对于可以进行等幅振荡激励控制系统，(i)只设置比例系数kp，由0开始逐渐增大kp，直至系统出现等幅震荡，再逐渐减小kp，使系统等幅震荡消失，记录当前临界比例系数为kp*，则实际比例系数kp＝kp*×60～70％；(ii)保持比例系数kp固定，用同样的方式确定等幅振荡条件下的临界积分系数ki*，则实际积分系数ki＝ki*×60～70％；(iii)保持比例系数kp、积分系数ki固定，用同样的方式确定等幅振荡条件下的临界微分系数kd*，则实际微分系数kd＝kd*×20～50％。
(2)对于不能进行等幅振荡激励控制系统，只能通过逐次试凑比例系数、积分系数、微分系数的方式设计PID控制器。
但是，以上PID控制器参数整定过程具有以下缺点：(1)对于可以进行等幅振荡激励的控制系统，采用遍历的方式确定临界系数，耗时长；(2)对于不能进行等幅振荡激励的控制系统，PID控制器的参数整定通过主观试凑的方式确定，很大程度上依赖于设计人员的经验；(3)两种情况下，参数整定过程中参考系数无实际物理含义，不利于设计人员根据被控对象的物理表现来调整控制器系数。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种离散PID控制器参数整定方法。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种离散PID控制器参数整定方法，通过调整积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd使控制变量y在死区范围内，其步骤如下：
步骤一：确定控制变量的目标值y*及其死区边界±ε，死区范围为y*±ε；
步骤二：设定控制变量y与死区边界相交时刻的控制器输出增量Δun为穿越输出μ，即Δun＝μ，计算离散PID控制器的积分系数ki，计算公式为ki＝μ/ε；
步骤三：设定离散PID控制器在积分-比例控制模式下，控制变量y穿越死区边界时刻的斜率设定值为相对穿越斜率α，计算离散PID控制器的比例系数kp,计算公式为kp＝ki/α；
步骤四：设定离散PID控制器在积分-微分控制模式下，控制变量y穿越死区边界时刻的曲率设定值为相对穿越曲率β，计算离散PID控制器的微分系数kd,计算公式为kd＝ki/β；
步骤五：若得到的积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd的整定效果不满足要求，重新设定μ、α、β，循环步骤二至步骤四，直至积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd的整定效果满足要求。
在上述技术方案的基础上，在所述步骤二中，Δun＝kien＝μ，其中en为控制偏差，且en＝y*-y。
在上述技术方案的基础上，在所述步骤三中，在积分-比例控制模式下，当控制变量y的穿越斜率等于相对穿越斜率α时，控制器输出增量Δun等于零，穿越输出μ维持不变，否则，控制器输出增量Δun不等于零，调整穿越输出μ，使控制变量y的穿越斜率等于相对穿越斜率α。
在上述技术方案的基础上，在所述步骤四中，在积分-微分控制模式下，当控制变量y的穿越曲率等于相对穿越曲率β时，控制器输出增量Δun等于零，穿越输出穿越输出μ维持不变，否则，控制器输出增量Δun不等于零，调整穿越输出μ，使控制变量y的穿越曲率等于相对穿越曲率β。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明中一种离散PID控制器参数整定方法将离散PID控制器参数整定转化为具有实际物理含义的穿越输出μ、相对穿越斜率α、相对穿越曲率β的设定，易于对设定值调整，通过公式计算进而确定一组积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd，使离散PID控制器参数整定效果满足要求。
(2)该离散PID控制器参数整定方法克服了现有技术中依靠技术人员经验试凑得出一组积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd的值，效率低下且效果不佳的缺陷。
(3)该离散PID控制器参数整定方法对激励信号不作要求，因此使用于各种控制对象。
附图说明
图1为现有技术中离散PID控制系统的原理图；
图2为现有技术中离散PID控制器的原理图；
图3为本发明说明书中控制变量穿越控制死区的示意图；
图4为本发明说明书中离散PID控制器参数整定的流程图；
图5为离散PID控制器参数整定效果仿真示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种用于离散PID控制器参数整定方法，该方法是设定控制变量y穿越死区边界处的控制器输出增量Δun、相对穿越斜率α和相对穿越曲率β，计算离散PID控制器的积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd。
参见图3所示，本发明包括了一种控制变量y趋近于控制变量的目标值y*的过程，使控制变量y在死区范围内，定义±ε为控制死区边界，则y*±ε为控制死区范围。定义控制偏差en为控制变量值y与控制变量的目标值y*之差，即控制偏差en＝y*-y。定义离散PID控制器在积分控制模式下控制变量y与控制死区边界相交时刻的控制器输出增量Δun为穿越输出μ，即Δun＝kien＝μ。
如果需要离散PID控制器的偏差回调能力强，则增大穿越输出μ；如果需要离散PID控制器的偏差回调能力弱，则减小穿越输出μ。
定义控制变量y与死区边界相交时刻的相对穿越斜率α＝﹣(en-en-1)/en，该相对穿越斜率α表示离散PID控制器在积分-比例控制模式下，控制变量y穿越死区边界时刻的斜率设定值。式中en-1为上一个时间周期的控制偏差，en-2为上两个时间周期的控制偏差。
当控制变量的实际穿越斜率等于相对穿越斜率时，控制器输出增量为零，即Δun＝kp(en-en-1)+kien＝ki((en-en-1)/α+en)＝0，控制器输出维持不变；否则，控制器输出增量不为零(Δun≠0)，调整控制器输出，使控制变量y的穿越斜率等于相对穿越斜率α。
定义控制变量y与死区边界相交时刻的相对穿越曲率β＝﹣(en+en-2-2en-1)/en，该相对穿越曲率β表示离散PID控制器在积分-微分模式下，控制变量y穿越死区边界时刻的曲率设定值。
当控制变量的实际穿越曲率等于相对穿越曲率时，控制器输出增量为零，即Δun＝kien+kd(en+en-2-2en-2)＝ki(en+(en+en-1-2en-2)/β)＝0，控制器输出维持不变；否则，控制器输出增量不为零(Δun≠0)，调整控制器输出，使控制变量y的穿越曲率等于相对穿越曲率β。
相对穿越斜率α和相对穿越曲率β可根据控制变量的响应情况及受控对象的特性进行设定。
参见图4所示，设定控制系统的穿越输出Δun＝μ，计算离散PID控制器的积分系数ki，计算公式为ki＝μ/ε；设定控制系统的相对穿越斜率α，计算离散PID控制器的比例系数kp,计算公式为kp＝ki/α；设定控制系统的相对穿越曲率β，计算离散PID控制器的微分系数kd,计算公式为kd＝ki/β；经过计算得到一组积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd。
若得到的积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd的整定效果不满足要求，重新设定μ、α、β，计算积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd，直至积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd的整定效果满足要求。积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd的整定效果满足要求是指得到的积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd能使离散PID控制器满足实际生产中的生产工艺要求，如调整的快速性，超调量等。
参见图5所示，提供了一个本方案的具体实施例。其中，控制变量的目标值y*＝0.05，死区边界ε＝0.005，设定控制系统的穿越输出Δun＝μ＝0.01，则控制器的积分系数ki＝μ/ε＝2，积分控制效果如图5所示。
设定控制系统的相对穿越斜率α＝1/10，则控制器的比例系数kp＝ki/α＝20，实际穿越斜率大于相对穿越斜率α，在穿越点控制器的输出增量减小，用来减小实际穿越斜率，比例-积分控制效果如图5所示。
设定控制系统的相对穿越曲率β＝1/100，则控制器的微分系数kd＝ki/β＝200，实际穿越曲率小于相对穿越曲率β，在穿越点控制器的输出增量增加，用来增加实际穿越斜率，比例-积分-微分控制效果如图5所示。控制效果满足要求，则终止参数整定过程。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种离散PID控制器参数整定方法，其特征在于：通过调整积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd使控制变量y在死区范围内，其步骤如下：
步骤一：确定控制变量的目标值y*及其死区边界±ε，死区范围为y*±ε；
步骤二：设定控制变量y与死区边界相交时刻的控制器输出增量为Δun，控制器输出增量的设定值为穿越输出μ，即Δun＝μ，计算离散PID控制器的积分系数ki，计算公式为ki＝μ/ε；
步骤三：设定离散PID控制器在积分-比例控制模式下，控制变量y穿越死区边界时刻的斜率设定值为相对穿越斜率α，计算离散PID控制器的比例系数kp,计算公式为kp＝ki/α；
步骤四：设定离散PID控制器在积分-微分控制模式下，控制变量y穿越死区边界时刻的曲率设定值为相对穿越曲率β，计算离散PID控制器的微分系数kd,计算公式为kd＝ki/β；
步骤五：若得到的积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd的整定效果不满足要求，重新设定μ、α、β，循环步骤二至步骤四，直至积分系数ki、比例系数kp、微分系数kd的整定效果满足要求。
2.如权利要求1所述的一种离散PID控制器参数整定方法，其特征在于：在所述步骤二中，Δun＝kien＝μ，其中en为控制偏差，且en＝y*-y。
3.如权利要求1所述的一种离散PID控制器参数整定方法，其特征在于：在所述步骤三中，在积分-比例控制模式下，当控制变量y的穿越斜率等于相对穿越斜率α时，控制器输出增量Δun等于零，穿越输出μ维持不变，否则，控制器输出增量Δun不等于零，调整穿越输出μ，使控制变量y的穿越斜率等于相对穿越斜率α。
4.如权利要求1所述的一种离散PID控制器参数整定方法，其特征在于：在所述步骤四中，在积分-微分控制模式下，当控制变量y的穿越曲率等于相对穿越曲率β时，控制器输出增量Δun等于零，穿越输出μ维持不变，否则，控制器输出增量Δun不等于零，调整穿越输出μ，使控制变量y的穿越曲率等于相对穿越曲率β。
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