CN106125546B - 一种应用被控量的变化趋势的pid控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用被控量的变化趋势的PID控制方法，本方法根据被控量的变化率选择合适的正负偏差值，被控量在设定值与负偏差值之间变化并处于上升过程或被控量在设定值与正偏差值之间变化并处于下降过程时，调节阀阀位保持不动，其它时候按常规PID的控制技术进行调节。利用本发明的方法对被控量进行调节控制时，可以减少超调次数和幅度，缩短滞后时间，被控量的跟踪效果得到了明显的提高，控制精度和平缓度可以提高50％以上；同时，还减少了执行机构如调节阀频繁动作的时间，延长了设备的使用时间。

Description

一种应用被控量的变化趋势的PID控制方法

技术领域

本发明涉及PID控制技术领域，具体涉及一种应用被控量的变化趋势的PID控制方法。

背景技术

在实际的控制系统中，用常规的PID控制技术对被控量进行调节时，经常发生超调、波动大、滞后等问题，被控量不能及时、准确跟踪设定值，控制效果难以达到用户的需求。

传统的PID控制方法的调节过程如图1所示，在A→B段、E→F段、I→J段，被控量的实际值小于设定值，控制器输出的控制量增大。如果执行机构采用调节阀，则控制器输出的控制量增大对应调节阀的开度增大。例如在用水过程中水池的水位下降，低于设定值10米时，进水调节阀增加开度，加大进水水量。在B→C段、D→E段、F→G段、H→I段、J→K段，实际值在死区内变化，控制器输出的控制量保持不变。如果执行机构采用调节阀，则控制器输出的控制量保持不变对应调节阀的开度保持不变。例如水池的水位在设定值附近(9.5米～10.5米)波动时，进水调节阀开度保持不变。在C→D段、G→H段，被控量的实际值大于设定值，控制器输出的控制量减小。如果执行机构采用调节阀，则控制器输出的控制量减小对应调节阀的开度减小。如在用水过程中，用水量减小，水池的水位上升，大于设定值10米时，进水调节阀减小开度，减少进水水量。这种调节过程的缺陷是：被控量在上升过程或下降过程中，进入死区后，控制器输出的控制量才保持不变，由于执行机构的执行和实际值的检测有一定的滞后时间，如果把死区范围选得较小，这会造成被控量超调和振荡；如果把死区范围加大，可以减小超调幅度，但是降低了控制精度；如果把执行机构的调节速度减慢，也可以减小超调幅度，但是降低了响应时间，跟踪不及时。

该发明对被控量的变化趋势进行预判，控制器对输出的控制量进行提前处理，能够解决PID控制的超调、振荡大、滞后等问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用被控量的变化趋势的PID控制方法，其能解决PID控制的超调、振荡大、滞后等问题，使被控量能够及时、准确跟踪设定值。

本发明的目的是这样实现的：一种应用被控量的变化趋势的PID控制方法，包括如下步骤：

S1)设置死区参数和被控量的设定值；

S2)通过数据采集获取被控量的实际值，计算被控量实际值的变化率，根据该变化率计算出用于趋势判断的正、负偏差值；

S3)判断被控量的实际值所处的区间范围；

当被控量的实际值在大于正偏差值或小于负偏差值的区间时，判断被控量的实际值是大于设定值还是小于设定值，当被控量的实际值小于设定值时，控制器输出的控制量增大，当被控量的实际值大于设定值时，控制器输出的控制量减小。在这种情况下，由于被控量的实际值，离设定值比较远，因此，既可以提高执行机构的调节速度，提高被控量的跟踪速度，又可以有效地避免超调的发生。

当被控量的实际值处于死区下限值与负偏差值之间时，判断被控量实际值的变化趋势，确认被控量实际值是在上升过程还是在下降过程，当被控量实际值处于下降过程时，控制器输出的控制量增大，使被控量实际值从下降过程转为上升过程，在这种情况下，由于被控量是在下降过程中，提高执行机构如调节阀的调节速度，被控量从下降过程快速地转为上升过程，及时跟踪设定值。当被控量实际值处于上升过程时，控制器输出的控制量保持不变；由于执行结构如调节阀的执行和实际值的检测有一定的滞后时间，被控量会继续增大。在这种情况下，由于提前固定了控制量，即提前固定了调节阀的阀位或开度，可以有效地减少正超调的发生。

当被控量的实际值处于死区上限值与死区下限值之间(死区范围内)时，控制器输出的控制量保持不变；

当被控量的实际值处于死区上限值与正偏差值之间时，判断被控量实际值的变化趋势，确认被控量的实际值是在上升过程还是在下降过程，当被控量实际值处于上升过程时，控制器输出的控制量减小，使被控量实际值从上升过程转为下降过程，在这种情况下，由于被控量是在上升过程中，提高执行机构如调节阀的调节速度，被控量从上升过程快速地转为下降过程，及时跟踪设定值。当被控量实际值处于下降过程时，控制器输出的控制量保持不变，由于执行机构如调节阀的执行和实际值的检测有一定的滞后时间，被控量会继续减小。在这种情况下，由于提前固定了控制量，即提前固定了调节阀的阀位或开度，可以有效地减少负超调的发生。

S4)每隔一定的时间T重复步骤S2)、S3)，直至控制结束。

通过传感器获取被控量的实际值，反馈给PID控制器。控制量是PID控制器输出的，用于控制执行机构。如果执行机构采用调节阀，则控制器输出的控制量增大对应调节阀的开度增大，控制器输出的控制量保持不变对应调节阀的开度保持不变，控制器输出的控制量减小对应调节阀的开度减小。

从控制开始每隔一定的时间T获取一次被控量的实际值，根据前后两次的差值计算被控量实际值的变化率，根据该变化率计算出用于趋势判断的正、负偏差值，然后进行步骤S3)，直至控制结束。T根据实际情况可以人为设定、调整，可以为1秒、5秒或其它时间间隔。

步骤S2)中当被控量实际值的变化率的数值较大时，选择的正、负偏差的偏差数值也较大；当被控量实际值的变化率的数值较小时，选择的正、负偏差的偏差数值也较小。根据不同的变化率计算出合理的用于趋势判断的正、负偏差值。正偏差值＝设定值+偏差值；负偏差值＝设定值-偏差值，设最小变化率为a，最大变化率为b，最小偏差值为x，最大偏差值为y。

偏差值的计算公式如下：

变化率等于当前值与前一次值的差值取绝对值/时间间隔T。

本发明的有益效果为：根据被控量的变化率选择合适的正负偏差值，被控量在设定值与负偏差值之间变化并处于上升过程或被控量在设定值与正偏差值之间变化并处于下降过程时，控制器输出的控制量保持不变，其它时候按常规PID的控制技术进行调节。利用本发明的方法对被控量进行调节控制时，可以减少超调次数和幅度，缩短滞后时间，被控量的跟踪效果得到了明显的提高，控制精度和平缓度可以提高50％以上；同时，还减少了执行机构如调节阀频繁动作的时间，延长了设备的使用时间。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为传统的PID控制方法的调节过程示意图；

图2为本发明的PID控制方法的调节过程示意图。

具体实施方式

参见图2，一种应用被控量的变化趋势的PID控制方法，包括如下步骤：

S1)设置死区参数和被控量的设定值；

S2)通过数据采集获取被控量的实际值，计算被控量实际值的变化率，根据该变化率计算出用于趋势判断的正、负偏差值；步骤S2)中当被控量实际值的变化率的数值较大时，选择的正、负偏差的偏差数值也较大；当被控量实际值的变化率的数值较小时，选择的正、负偏差的偏差数值也较小。根据不同的变化率计算出合理的用于趋势判断的正、负偏差值。正偏差值＝设定值+偏差值；负偏差值＝设定值-偏差值，设最小变化率为a，最大变化率为b，最小偏差值为x，最大偏差值为y。偏差值的计算公式如下：

变化率等于当前值与前一次值的差值取绝对值/时间间隔T。

a、b、x、y根据实际情况可以设定、调整。a、b、x、y根据被控量的变化特性(如快、慢等)进行选择。被控量实际值的变化率指的是被控量实际值的变化斜率。从控制开始到控制结束这段时间内每隔T时间获取一次被控量的实际值。根据前后两次的差值和时间间隔T计算被控量的实际值的变化率，判断变化趋势，确认是在上升过程还是在下降过程。T根据实际情况可以人为设定、调整，可以为1秒、5秒或其它时间间隔。

S3)判断被控量的实际值所处的区间范围；

当被控量的实际值在大于或等于正偏差值或者在小于或等于负偏差值的区间时，判断被控量的实际值是大于设定值还是小于设定值，当被控量的实际值小于设定值时，控制器输出的控制量增大，当被控量的实际值大于设定值时，控制器输出的控制量减小；

当被控量的实际值处于死区下限与负偏差之间时，判断被控量实际值的变化趋势，确认被控量实际值是在上升过程还是在下降过程，当被控量实际值处于下降过程时，控制器输出的控制量增大，使被控量实际值从下降过程转为上升过程，当被控量实际值处于上升过程时，控制器输出的控制量保持不变；

当被控量的实际值处于死区上限值与死区下限值之间(死区范围内)时，控制器输出的控制量保持不变；

当被控量的实际值处于死区上限值与正偏差值之间时，判断被控量实际值的变化趋势，确认被控量的实际值是在上升过程还是在下降过程，当被控量实际值处于上升过程时，控制器输出的控制量减小，使被控量实际值从上升过程转为下降过程，当被控量实际值处于下降过程时，控制器输出的控制量保持不变；

S4)重复步骤S2)、S3)，直至控制结束。

通过传感器获取被控量的实际值，反馈给PID控制器。控制量是PID控制器输出的，用于控制执行机构。如果执行机构采用调节阀，则控制器输出的控制量增大对应调节阀的开度增大，控制器输出的控制量保持不变对应调节阀的开度保持不变，控制器输出的控制量减小对应调节阀的开度减小。

以下面的控制实例对本发明的方法进行说明。

控制实例：水池水位的控制。一个水池，深度为15米，有一个进水管道和若干个出水管道，进水管道安装调节阀对进水水量进行调节，确保在用水过程中水池的水位始终保持在10米的水位。

在进水和用水过程中，水池的水位是变化的，水池的水位称为实际值，为了控制水池的水位，被控制的对象水池的水位即为被控量。执行机构是进水调节阀。

本发明的PID控制方法用于水池水位的控制时，包括如下步骤：

S1)设置死区参数和被控量的设定值。本实施例在用水过程中水池的水位要求始终保持在10米的水位，10米即为设定值。水池的水位在设定值附近小范围内(±0.2米)波动时，水位不再需要调节，水池的水位在设定值附近的±0.2米小范围内即为死区。

S2)通过数据采集获取被控量的实际值，计算被控量实际值的变化率，根据该变化率计算出用于趋势判断的正、负偏差值。正负偏差值如果选择过大，趋势调节介入过早，跟踪不及时；正负偏差值如果选择过小，趋势调节介入过晚，容易发生超调。当被控量的变化斜率即变化率较大时，选择较大正负偏差值；当被控量的变化斜率较小时，选择较小正负偏差值。根据被控量的变化斜率选择不同的正负偏差值，就能避免跟踪不及时和超调问题，达到很好的控制效果。本实施例T设为1S。本实施例每秒取一次水池水位的实际值，根据前后两次的差值和时间间隔计算水池水位的变化斜率即变化率。当被控量水池水位以0.1米/秒及0.1米/秒以上的速度迅速上升或下降时，偏差数值选择3米，即正偏差值为13米，负偏差值为7米，在此范围内进行趋势判断，对调节阀进行控制。当被控量水池水位以0.01米/秒及0.01米/秒以下的速度缓慢上升或下降时，偏差数值选择1米，即正偏差值为11米，负偏差值为9米，在此范围内进行趋势判断，对调节阀进行控制。当水池水位的变化斜率在0.01米/秒～0.1米/秒之间变化时，对应最小偏差值1米和最大偏差值3米，按线性变化计算偏差值，偏差值＝(变化率－0.01)×(3－1)/(0.1－0.01)+1。

S3)当被控量在大于或等于正偏差值或者在小于或等于负偏差值以外的区间变化时，调节阀按传统的PID控制技术继续增加或减小开度。在这种情况下，由于被控量的实际值，离设定值比较远，因此，既可以提高调节阀的调节速度，提高被控量的跟踪速度，又可以有效地避免超调的发生。

被控量在正偏差值与负偏差值之间变化时，每秒(时间间隔根据需要选择)计算一次被控量的变化率，判断变化趋势，确认是在上升过程还是在下降过程。

当被控量在设定值与负偏差之间变化时：

在B→C段、D→E段、M→N段、Q→R段，被控量处于上升过程，调节阀的开度保持不变，由于调节阀的执行和实际值的检测有一定的滞后时间，被控量会继续增大。在这种情况下，由于提前固定了阀位，可以有效地减少正超调的发生。

在C→D段、L→M段、P→Q段，被控量处于下降过程，调节阀增加开度，被控量从下降过程转为上升过程。在这种情况下，由于被控量是在下降过程中，提高调节阀的调节速度，被控量从下降过程快速地转为上升过程，及时跟踪设定值。

当被控量在设定值与正偏差之间变化时：

在E→F段、G→H段、J→K段、N→O段，被控量处于上升过程，减小调节阀的开度，被控量从上升过程转为下降过程。在这种情况下，由于被控量是在上升过程中，提高调节阀的调节速度，被控量从上升过程快速地转为下降过程，及时跟踪设定值。

在F→G段、I→J段、K→L段、O→P段，被控量处于下降过程，调节阀的开度保持不变，由于调节阀的执行和实际值的检测有一定的滞后时间，被控量会继续减小。在这种情况下，由于提前固定了阀位，可以有效地减少负超调的发生。

S4)重复步骤S2)、S3)，直至控制结束。

利用被控量的变化趋势参与调节后，被控量接近设定值时，实际值变化比较平滑，选择较小的死区，即可以使调节收敛，又可以提高控制精度。当被控量水池水位接近设定值10米时，根据以上的控制方法，调节阀的开度变化比较小，水池水位的变化比较平滑；利用被控量的变化趋势参与调节前，死区选择0.5米，利用被控量的变化趋势参与调节后，死区选择0.2米，水池水位控制在9.8米～10.2米之间，提高了控制精度。死区是常规PID的一个常用参数，本发明对被控量的变化趋势进行预判，控制器对输出的控制量进行提前处理，能够解决PID控制的超调、振荡大、滞后等问题，能缩小死区的范围，提高控制精度。

本发明不仅仅局限于上述实施例，在不背离本发明技术方案原则精神的情况下进行些许改动的技术方案，应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种应用被控量的变化趋势的PID控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)设置死区参数和被控量的设定值；

S2)通过数据采集获取被控量的实际值，计算被控量实际值的变化率，根据该变化率计算出用于趋势判断的正、负偏差值；

S3)判断被控量的实际值所处的区间范围；

当被控量的实际值在大于正偏差值或小于负偏差值的区间时，判断被控量的实际值是大于设定值还是小于设定值，当被控量的实际值小于设定值时，控制器输出的控制量增大，当被控量的实际值大于设定值时，控制器输出的控制量减小；

当被控量的实际值处于死区下限值与负偏差值之间时，判断被控量实际值的变化趋势，确认被控量实际值是在上升过程还是在下降过程，当被控量实际值处于下降过程时，控制器输出的控制量增大，使被控量实际值从下降过程转为上升过程，当被控量实际值处于上升过程时，控制器输出的控制量保持不变；

当被控量的实际值处于死区上限值与死区下限值之间时，控制器输出的控制量保持不变，所述死区上限值与死区下限值为死区范围内；

当被控量的实际值处于死区上限值与正偏差值之间时，判断被控量实际值的变化趋势，确认被控量的实际值是在上升过程还是在下降过程，当被控量实际值处于上升过程时，控制器输出的控制量减小，使被控量实际值从上升过程转为下降过程，当被控量实际值处于下降过程时，控制器输出的控制量保持不变；

S4)重复步骤S2)、S3)，直至控制结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：从控制开始每隔一定的时间T获取一次被控量的实际值，根据前后两次的差值计算被控量实际值的变化率，根据该变化率计算出用于趋势判断的正、负偏差值，然后进行步骤S3)，直至控制结束。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：正偏差值＝设定值+偏差值；负偏差值＝设定值-偏差值，设最小变化率为a，最大变化率为b，最小偏差值为x，最大偏差值为y，偏差值的计算公式如下：

变化率等于当前值与前一次值的差值取绝对值/时间间隔T。