CN106773655B - 数字pi调节器的参数调整方法和优选数字pi调节器 - Google Patents

数字pi调节器的参数调整方法和优选数字pi调节器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种数字PI调节器的参数调整方法，其特征在于，算法逻辑表达式为，U(kT)＝Kx*[Kp*e(kT)+Ki*Σe(kT)]式中：Kx：优选系数，根据e(kT)选取；T：采样周期；k：采样、运算次数；U(kT)：第k次数字PI调节器的输出；Kp：比例系数；e(kT)：第k次输入数字PI调节器的偏差；Ki：积分系数；Σ：(0‑k)次求和；所述e(kT)大于0时，所述Kx取C；所述e(kT)小于0时，所述Kx取‑C，所述C为大于0，小于1的常数。

Description

数字PI调节器的参数调整方法和优选数字PI调节器
技术领域
本发明涉及数字PI调节器的参数调整方法和优选数字PI调节器。
背景技术
数字PI调节器广泛用于各种工业控制中。作为线性控制器，PI调节器根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)值通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PI调节器的参数(比例系数、积分系数)通常由调试人员现场调试完成。如果对每一个系统都现场调试，不仅工作量大、效率低，还存在着调试周期长的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能减少现场调试工作量的参数调整方法和优选数字PI调节器。
本发明的第一技术方案为数字PI调节器的参数调整方法，其特征在于，算法逻辑表达式为，
U(kT)＝Kx*[Kp*e(kT)+Ki*Σe(kT)]
式中：Kx：优选系数，根据e(kT)选取；T：采样周期；k：采样、运算次数；U(kT)：第k次数字PI调节器的输出；Kp：比例系数；e(kT)：第k次输入数字PI调节器的偏差；Ki：积分系数；Σ：(0-k)次求和；
所述e(kT)大于0时，所述Kx取C；所述e(kT)小于0时，所述Kx取-C，所述C为大于0，小于1的常数。
第二技术方案为数字PI调节器的参数调整方法，其特征在于，算法逻辑表达式为，
U(kT)＝Kx*[Kp*e(kT)+Ki*Σe(kT)]
式中：Kx：优选系数，根据e(kT)选取；T：采样周期；k：采样、运算次数；U(kT)：第k次数字PI调节器的输出；Kp：比例系数；e(kT)：第k次输入数字PI调节器的偏差；Ki：积分系数；Σ：(0-k)次求和；
所述e(kT)大于e[k(T-1)]时，所述Kx取上次的Kx加C1的值；所述e(kT)小于e[k(T-1)]时，所述Kx取上次的Kx减C2的值，所述C1与所述C2为常数。
第三技术方案基于第二技术方案，其特征在于，所述C1与所述C2是相同的常数。
第四技术方案为优选数字PI调节器，其特征在于，包括计算Kx的步骤和根据Kx计算输出U(kT)的步骤，
计算Kx的步骤包括以下步骤，
步骤1(S30)，判断当前的偏差e是否大于上次的偏差e0，e＞e0时，进入步骤2(S40)，e≯e0时，进入步骤3(S55)
步骤2(S40)，计算Kx＝Kx+C1，当前的Kx由上次的Kx加C1得到，
步骤3(S55)，计算Kx＝Kx-C2，当前的Kx由上次的Kx减C2得到，
C1、C2为相同或不同的常数，
步骤4(S90)，调用数字PI调节器，
步骤5(S100)，计算A＝A+Kx*Ki*e，得到Kx*Ki*e的累加值，
步骤6(S130)，计算B＝Kx*Kp*e，
步骤7(S140)，计算C＝A+B，得到Kx*Ki*e的累加值与Kx*Kp*e的和，
步骤8(S210)，C作为数字PI调节器的输出U。
5第五技术方案基于第四技术方案，其特征在于，计算Kx的步骤中，在步骤2(S40)之后还包括以下步骤，
步骤2a(S50)，判断本次偏差e的绝对值是否大于最大值Max，|e|＞Max时,使e＝Max，进入步骤4(S90)，|e|≯Max时，进入步骤2b(S60)，判断本次偏差e的绝对值是否小于Min，
步骤2b(S60)，|e|≮Min时，进入步骤4(S90)，|e|＜Min时，使e＝Min后，进入步骤4(S90)。
第六技术方案基于第五技术方案，其特征在于，计算Kx的步骤中，在步骤3(S55)之后还包括所述步骤2a(S50)、所述步骤2b(S60)。
第七技术方案基于第五或第六技术方案，其特征在于，在所述步骤5(S100)之后还包括，
步骤5a(S110)，判断A是否大于Max，A＞Max时，使A＝Max后，进入所述步骤6(S130)，A≯Max时，进入步骤5c(S120)，判断A是否小于Min，
步骤5b(S120)，判断A是否小于Min，A≮Min时，进入步骤6(S130)，A小于Min时，使A＝Min后，进入步骤6(s130)。
第八技术方案基于第七技术方案，其特征在于，在所述步骤7(S140)之后还包括，
步骤7a(S150)，判断C是否大于Max，C＞Max时，使C＝Max后，进入步骤8(S210)，C≯Max时，进入步骤7b(S160)，
步骤7b(S160)，判断C是否小于Min，C≮Min时，进入步骤8(S210)，C＜Min时，使C＝Min后，进入步骤8(S210)。
9第九技术方案基于第八技术方案，其特征在于，还具有步骤9(S10)、步骤10(S20)，
步骤9(S20)，选择是否对参数Kx进行优选，选择优选时，进入步骤1(S30)，用所述C1和C2计算所述Kx，不选择优选时，进入步骤10(S20)，用常数C计算所述Kx。
效果
由上可知，本发明的方法，比例系数和积分系数只要现场调试一次，在其他调试现场输入调试得到的比例系数和积分系数，即可自动整定PI调节器的参数，降低了工作强度、提高了调试效率。
附图说明
图1为本发明的优选数字PI控制器的原理说明图；
图2为初始化的流程图；
图3为计算优选参数kx的流程图；
图4为优选数字PI控制器的控制流程图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式进行说明。在下述实施方式中描述的具体实施例仅作为示例性说明，不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明的优选数字PI控制器的原理说明图；
如图1所示，本发明的优选数字PI控制器10具有优选参数计算模块1、比例计算模块2、积分计算模块3、加法模块4。
其算法逻辑表达式为：
U(kT)＝Kx*[Kp*e(kT)+Ki*Σe(kT)]
式中：Kx：优选系数，根据e(kT)选取；T：采样周期；k：采样、运算次数；U(kT)：第k次数字PI调节器的输出；Kp：比例系数；e(kT)：第k次输入数字PI调节器的偏差；Ki：积分系数；Σ：(0-k)次求和；
Kx有两种取值方式，一种为：e(kT)大于0时，Kx取C；e(kT)小于0时，Kx取-C，C为大于0，小于1的常数。C可根据负载的大小或控制对象的输出功率，通过现场调试的方式确定，如C＝0.5。C＝1时，就是通常的没有参数优选功能的PI控制器。
首先，根据偏差e(kT)是否大于0，选取优选系数Kx，Kx为固定值C，在本实施方式中C为0.5。
如果e(kT)>0：Kx＝0.5；
U(kT)＝0.5*[Kp*e(kT)+Ki*Σe(kT)]
如果e(kT)<0：Kx＝-0.5；
U(kT)＝-0.5*[Kp*e(kT)+Ki*Σe(kT)]
实际使用时，如有N个现场；每一个负载都不一样，但是线性的，线性度是已知。在第一个现场调试出一套(Kp、Ki)参数，此时如果负载的线性度是1.0；在第二个现场，已知负载的线性度是0.5，这样就可以调用优选PI调节器：第一现场时使Kx＝1.0，输入Kp、Ki即可；第二现场时Kx＝0.5，输入Kp、Ki即可。其他现场依次类推。没必要每一个现场都调整一套Kp、Ki参数；大大提高了效率。
另一种为：e(kT)大于e[k(T-1)]时，Kx取上次的Kx加C1的值；e(kT)小于e[k(T-1)]时，Kx取上次的Kx减C2的值，C1与所述C2为常数，由于每个采样周期，Kx会发生变化，逐渐逼近理想值，C1、C2取较小的值，有利于调整精度，如0.001。具体可根据经验或现场调试确定。
有一些机械机构，通过PI调节器后，仍有震动；宏观上的震动在微观上是加速度有时大于零、有时小于零所致。对于这样的系统，通过调用优选PI调节器：使(优选Kx)＝Y，当e>e0时减少Kx；当e<e0时加大Kx；能够使该机构运行稳定。
使用时，根据偏差e(kT)是否大于上次的偏差e(k(T-1))，选取优选系数Kx，e(kT)>e(kT-T)时的增量C1为0.001，e(kT)＜e(kT-T)时的增量为C2为0.001，这样与上次的e(kT-T)相比，e(kT)增加时，Kx的值不断变大，而e(kT)减小时，Kx的值不断变小达到调整的目的。
以下通过流程图对本发明的流程进行说明。
图2为初始化的流程图。
步骤S1，对输入变量Kx、e、e0、Kp、Ki进行初始化，初始化的结果，Kx＝1.0；e＝0；e0＝0；Kp＝C1；Ki＝C2。
其中，Kx：优选系数；e：当前偏差；e0：上次偏差；Kp：比例系数；Ki：积分系数；C1，C2：常数。
步骤S2，对输出变量U进行初始化，使U＝0。
初始化结束后，进入确定Kx的流程。
图3为计算优选参数kx的流程图；
步骤S10，选择是否优选Kx。如果选择优选，进入步骤S30，如果选择不优选，进入步骤20，使Kx＝C后，调用优选数字PI调节器。
步骤S30，判断当前的偏差e是否大于上次的偏差e0，如果e＞e0，进入步骤S40，如果e≯e0，进入步骤S45。
步骤S40，计算Kx＝Kx+C1，得到当前的Kx。
步骤S50，判断本次偏差e的绝对值是否大于最大值Max。如果|e|＞Max,进入步骤S70，使e＝Max后，进入步骤S90，调用优化数字PI调节器。由Max赋值的e用于优化数字PI调节器计算时的偏差值。
如果步骤S50的判断为|e|≯Max，进入步骤S60。
步骤S60，判断本次偏差e的绝对值是否小于Min，如果|e|≮Min，进入步骤S90，调用优化数字PI调节器。如果|e|＜Min，进入步骤S85，使e＝Min后，进入步骤S90，调用优化数字PI调节器。由Min赋值的e用于优化数字PI调节器计算时的偏差值。
在步骤S45，判断当前的偏差e是否小于上次的偏差e0，如果e≮e0，进入步骤S90，调用优化数字PI调节器。如果e＜e0，进入步骤S55，计算Kx＝Kx+C2，得到当前的Kx后，进入步骤S50。
通过以上的处理，得到优选Kx。即，如果不优选Kx，使用固定值C，选择优选Kx，根据偏差e，计算Kx。
图4为优选数字PI控制器的流程图。
步骤S100,计算A＝A+Kx*Ki*e，并更新累加器A。
步骤S110，判断累加器A的值A是否大于Max，如果A＞Max，将累加器的值A设定为Max后，进入步骤S130。如果A≯Max，进入步骤S120。
步骤S120，判断累加器A的值A是否小于Min，如果A＜Min，将累加器A的值A设定为Min后，进入步骤S130。如果A≯Max，进入步骤S130。
步骤S130，计算Kx*Kp*e，并更新累加器B。
步骤140，计算C＝A+B，更新累加器C。
步骤S150，判断累加器C的值C是否大于Max，如果C＞Max，将累加器C的值C设定为Max后，进入步骤S210，结束本次的计算。
如果C≯Max，进入步骤S160，判断累加器C的值C是否小于Min，如果C≮Min，进入步骤S210，结束本次的计算。如果C＜Min，进入步骤S170，将累加器C的值设定为Min后，进入步骤S210，结束本次的计算。
步骤S210，将累加器C的值C作为PI控制其10的输出U输出到图1中的控制对象，进行PI控制。

Claims (8)

1.数字PI调节器的参数调整方法，其特征在于，算法逻辑表达式为，
U(kT)＝Kx*[Kp*e(kT)+Ki*Σe(kT)]
式中：Kx：优选系数，根据e(kT)选取；T：采样周期；k：采样、运算次数；U(kT)：第k次数字PI调节器的输出；Kp：比例系数；e(kT)：第k次输入数字PI调节器的偏差；Ki：积分系数；Σ：(0-k)次求和；
所述e(kT)大于e[k(T-1)]时，所述Kx取上次的Kx加C1的值；所述e(kT)小于e[k(T-1)]时，所述Kx取上次的Kx减C2的值，所述C1与所述C2为常数，
其中：比例系数Kp、积分系数Ki是由其他系统上的数字PI调节器通过现场调试得到。
2.根据权利要求1所述的数字PI调节器的参数调整方法，其特征在于，所述C1与所述C2是相同的常数。
3.优选数字PI调节器，其特征在于，算法逻辑表达式为，
U(kT)＝Kx*[Kp*e(kT)+Ki*Σe(kT)]
式中：Kx：优选系数，根据e(kT)选取；T：采样周期；k：采样、运算次数；U(kT)：第k次数字PI调节器的输出；Kp：比例系数；e(kT)：第k次输入数字PI调节器的偏差；Ki：积分系数；Σ：(0-k)次求和；
其中：比例系数Kp、积分系数Ki是由其他系统上的数字PI调节器通过现场调试得到，
包括计算Kx的步骤和根据Kx计算输出U(kT)的步骤，
计算Kx的步骤包括以下步骤，
步骤1(S30)，判断当前的偏差e是否大于上次的偏差e0，e＞e0时，进入步骤2(S40)，e≯e0时，进入步骤3(S55)，
步骤2(S40)或步骤3(S55)后，进入步骤4(S90)，
步骤2(S40)，计算Kx＝Kx+C1，当前的Kx由上次的Kx加C1得到，
步骤3(S55)，计算Kx＝Kx-C2，当前的Kx由上次的Kx减C2得到，
C1、C2为相同或不同的常数，
步骤4(S90)，调用数字PI调节器，
步骤5(S100)，计算A＝A+Kx*Ki*e，得到Kx*Ki*e的累加值，
步骤6(S130)，计算B＝Kx*Kp*e，
步骤7(S140)，计算C＝A+B，得到Kx*Ki*e的累加值与Kx*Kp*e的和，
步骤8(S210)，C作为数字PI调节器的输出U。
4.根据权利要求3所述的优选数字PI调节器，其特征在于，计算Kx的步骤中，在步骤2(S40)之后还包括以下步骤，
步骤2a(S50)，判断本次偏差e的绝对值是否大于最大值Max，|e|＞Max时,使e＝Max，进入步骤4(S90)，|e|≯Max时，进入步骤2b(S60)，判断本次偏差e的绝对值是否小于Min，
步骤2b(S60)，|e|≮Min时，进入步骤4(S90)，|e|＜Min时，使e＝Min后，进入步骤4(S90)。
5.根据权利要求4所述的优选数字PI调节器，其特征在于，计算Kx的步骤中，在步骤3(S55)之后还包括所述步骤2a(S50)、所述步骤2b(S60)。
6.根据权利要求4或5所述的优选数字PI调节器，其特征在于，在所述步骤5(S100)之后还包括，
步骤5a(S110)，判断A是否大于Max，A＞Max时，使A＝Max后，进入所述步骤6(S130)，A≯Max时，进入步骤5c(S120)，判断A是否小于Min，
步骤5b(S120)，判断A是否小于Min，A≮Min时，进入步骤6(S130)，A小于Min时，使A＝Min后，进入步骤6(s130)。
7.根据权利要求6所述的优选数字PI调节器，其特征在于，在所述步骤7(S140)之后还包括，
步骤7a(S150)，判断C是否大于Max，C＞Max时，使C＝Max后，进入步骤8(S210)，C≯Max时，进入步骤7b(S160)，
步骤7b(S160)，判断C是否小于Min，C≮Min时，进入步骤8(S210)，C＜Min时，使C＝Min后，进入步骤8(S210)。
8.根据权利要求7所述的优选数字PI调节器，其特征在于，还具有步骤9(S10)、步骤10(S20)，
步骤9(S10)，选择是否对参数Kx进行优选，选择优选时，进入步骤1(S30)，用所述C1和C2计算所述Kx，不选择优选时，进入步骤10(S20)，用大于0、小于1的常数设定所述Kx。
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