CN1071017A - 二自由度实用型pid控制器 - Google Patents

Abstract

一种二自由度实用型PID控制系统，在普通不 完全微分型PID控制系统的设定值装置中加上一个 设定值滤波器(12)，此设定值滤波器由微分补偿器 (13)、比例补偿器(14)和积分补偿器(15)所组成，而 积分补偿器则由第一积分延时器(15A)、第二积分延 时器(15B)和减法器(15C)所组成。通过适当选择各 环节的二自由度系数α、β、γ，可以组成各种不同类型 的PID控制器，并同时实现最佳的跟踪特性和最佳 的抗干扰特性。

Description

本发明涉及一种自动化仪表，特别是二自由度PID控制器，其基本控制器为不完全微分型（即实用型）的PID控制器。

目前，工业控制中仍广泛采用PID（比例、积分、微分）控制器，其运算功能为：

MV（S）＝Kp[1+1/（TiS）+（TdS）/（1+ηTdS）]E（S）    （1）

式中，MV（S）为操作变量;

E（S）为偏差;

Kp为比例系数;

Ti为积分时间;

Td为微分时间;

1/η为微分增益;

S为拉普拉斯算符。

（1）式为常规偏差PID控制。对于这种控制来说，当设定值SV突变时，PID控制器会产生过分的D（微分）、P（比例）作用，导致操作变量MV的大幅度变化，给控制系统带来冲击，从而使设定值跟踪特性出现相当大的超调。

为克服常规偏差PID控制器的上述缺点，在实践中广泛应用两种类型的PID控制器，即测量值微分先行型PID控制器和不完全微分型PID控制器。

测量值微分先行型PID控制器的运算功能为：

MV（S）＝Kp[1+1/（TiS）]E（S）-

Kp[（TdS）/（1+ηTdS）]PV（S）    （2）

式中，PV（S）为受控量或过程变量。

因为该控制器只对测量值做比例微分运算，当设定值突变时，不会引起操作变量的大幅度变化。

不完全微分型PID控制器的运算功能为：

MV（S）＝Kp[（1+TdS）/（1+ηTdS）][1+1/TiS）]E（S）    （3）

这相当于在理想的PID运算中串入一个一阶滞后滤波器，故可限制设定值突变所引起的操作变量变化。因此，不完全微分型PID控制器又称为实用型PID控制器。

但上述两种PID控制器仍然属于一自由度控制方式。因此仍然存在一些缺点。

众所周知，反馈控制系统的性能分为两个方面，即设定值跟踪特性（简称跟踪特性）和扰动抑制特性（简称扰动特性）。对于上述一自由度的PID控制器系统而言，跟踪特性与扰动特性各对应着一组最佳的PID参数（比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td）。两组参数值相差甚远，不能同时独立地整定。这就带来一个问题：若按扰动特性整定，系统会出现过大的超调振荡，跟踪特性就很差;若按跟踪特性整定，则系统迟迟不能消除扰动误差，过渡时间变得很长，而使扰动特性恶化。若要兼顾两种特性，一般的处理办法是取两组参数的平均值。但这样一来，系统的两方面特性都变得较差。

1963年，美国学者I.M.Horowitz在其著作《Synthesis    of    Feed-back》中提出了二自由度控制的概念，认为能够独立地设定跟踪特性与扰动特性的系统是具有二自由度的。

欧洲专利EP0417635A2公开了第一种二自由度控制系统，包括：设定值滤波器，按照控制系统的一个设定值（SV）和控制值（PV），根据过程扰动信号执行微分运算;

PI控制运算器，用于测定信号和控制值之间的偏差（E），并对此偏差执行PI控制运算，从而输出一个操作变量信号（MV）;

一个加法器将过程扰动信号加到由PI控制运算器输出的操作变量信号（MV）上，从而得到一个和信号并将此和信号用于控制系统。

该二自由度控制系统适用于测量值微分先行型PID控制器为基本控制器的PID控制器系统。但不适用于基本控制运算器为不完全微分型的PID控制器。

本发明的目的是提供一种基本控制器为不完全微分型的PID控制器的二自由度控制系统，即提供一种二自由度不完全微分型比例积分微分控制器系统，系统的抗扰动性可由不完全微分PID控制器作最佳整定，而系统的跟踪特性则由几个补偿器的整定来保证。

本发明的另一个目的是在比例、微分项上赋予二自由度系数，而用近似式代替积分环节。

本发明的再一个目的是尽量简化操作，提供二自由度系统参数的最佳值，在提高性能的同时，保持与常规不完全微分型PID控制器同样的整定工作量。

按照本发明，在常规不完全微分PID控制器前面，在设定值输入之后增设一个设定值滤波器，该设定值滤波器由设定值微分补偿器、设定值比例补偿器、设定值积分补偿器所组成，设定值比例补偿器和设定值积分补偿器并联，而设定值微分补偿器则串联在它们的前面和设定值相连接。设定值比例补偿器和设定值积分补偿器并联到一个加法器上。整个设定值滤波器连接到减法器上，而后和基本不完全微分PID控制器相连接。

按照本发明，控制系统抗扰动性可由设定基本不完全微分PID控制器的参数Kp、Ti、Td（按扰动最佳整定）实现最优，例如用齐格勒-尼柯尔斯法或临界比例度法等。

按照本发明的系统设定值跟踪控制器仍为不完全微分PID结构，但在比例、微分项上赋予二自由度系数，而将积分项分解二部分，并赋予自由度系数，通过整定这些二自由度系数来保证跟踪特性。

按照本发明当设定值SV作用于系统时，经设定值滤波器优化处理，弥补了常规不完全微分PID控制器对设定值偏差过分的控制作用，保证整个控制系统实现二自由度控制。

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1为常规不完全微分型PID控制器框图。

图2为常规测量值微分先行型PID控制器框图。

图3为本发明的二自由度不完全微分型PID控制器框图。

图1、2、3中A为用部件表示的框图，B为用拉普拉斯算符表示各环节用控制器系统信号传递关系的框图。

图4为常规单自由度控制系统的设定值跟踪特性（A）和扰动抑制特性（B）曲线。

图5为本发明的控制系统的设定值跟踪特性（A）和扰动抑制特性（B）曲线。

如图1所示的不完全微分型PID控制器由设定值（SV）减法器（1）、不完全微分型微分器（D）（2）、比例积分器（PI）（3）、加法器4串接而成。加法器将控制器信号和干扰信号相加，并用运算结果去控制受控对象。此控制器的运算功能如上面第（3）式所示，相当于在理想的PID运算中串入一个一阶滞后滤波器，故可限制设定值的突变所引起的操作变量变化。

如图2所示的测量值微分先行型PID控制器，此控制器的运算功能如上面（2）式所示。

如图3所示，本发明的二自由度不完全微分型（实用型）PID控制器是在图1所示的常规不完全微分型PID控制器前面接上一个设定值滤波器（12），此设定值滤波器（12）由一个设定值微分补偿器（13）[用拉普拉斯算符表示为（1+γTdS）/（1+TdS）]，与此设定值微分补偿器（13）相接的是并联的设定值比例补偿器（14）和设定值积分补偿器（15），再将它们的输出端并接到加法器（16）上，此加法器的输出端亦即设定值滤波器的输出端与减法器（1）相接，经设定值滤波器（12）优化后的设定值经减法器（1）与反馈量相减后送到基本不完全微分PID控制器（18），其输出信号和干扰信号经加法器（4）相加后去控制受控对象。

如图3B所示，此系统抑制扰动的控制器为

MV（S）/E（S）＝Kp[（1+TdS）/（1+ηTdS）]（1+1/TiS）    （4）

因此，系统的抗扰性可由不完全微分PID控制器（18）的参数Kp、Ti、Td设定（按扰动特性最佳整定）实现最优，例如可采用齐格勒-尼柯尔斯法或临界比例度法等。

系统设定跟踪的控制器的拉普拉斯算符表示式为：

MV（S）/SV（S）＝Kp[（1+γTdS）/（1+ηTdS）]

[α+（1/TiS）-β/（1+TiS）]    （5）

此控制器仍然为不完全微分PID结构，但对设定值比例补偿器（14）赋予二自由度比例系数α，对设定值微分补偿器（13）赋予二自由度微分系数γ，对设定值积分补偿器赋予二自由度积分系数β并以近似式

1/TiS-β/1+TiS    （6）

来取代。通过改变β，即可如下所示等效改变积分时间：

β＝0    积分时间不变;

β＞0    积分时间增大;

β＜0    积分时间减少。

故设定值跟踪特性可由α、β、γ的整定来得到保证。即当设定值SV作用于系统时，经设定值滤波器（12）优化处理，弥补了不完全微分PID控制器对设定值偏差过分的控制作用，设定值特性的要求可由设定值比例补偿器（14）中的α、设定值积分补偿器（15）中的β、设定值微分补偿器（13）中的γ取值来保证。

即单独设定图3中的不完全微分PID控制器（18）的Kp、Ti、Td，使系统抗扰特性最佳，通过整定设定值滤波器（12）中的二自由度系数α、β、γ，可保证跟踪特性最优。

对于各种工业过程，一般情况下α取值在0.1～0.85之间，β取值在0.1～0.3之间，γ取值在0.3～0.8之间，形成完全的二自由度PID控制器。

按照本发明，通过对α、β、γ的特殊取值，利用同一个控制器结构，形成各种不同的PID控制器系统。表1示出了7种不同的不完全微分PID控制方式。硬件结构均是相同的。

与普通PID控制器相比较，本发明的二自由度控制系统的优点是：

1.可同时使控制系统的抗扰性和跟踪性实现最佳化。

2.参数整定方法简单。

3.各种不同的PID控制器系统有同一的结构。

与测量值微分先行型二自由度PID控制器系统相比，本发明有下列优点：

1.解决了基本控制器为不完全微分型PID控制器的二自由度控制问题，而这种控制器被称为实用型PID控制器。

2.易于在偏差通道施加非线性环节，组成各种非线性PID控制器系统。

3.特别适用于工业控制系统中的基础自动化环节。

将本发明的二自由度控制系统用于鞍钢某厂年产能力为15万t的钢坯加热炉上，使炉温控制误差降低到原来的一半，可节约煤气2%，提高成材率0.1%，年直接经济效益59万元人民币。

表1 各种不完全微分PID的控制方式

N O	α	β	γ	综合控制算法	备注
						1	1	0	1	常见PID（不完全微分）控制	1自由度PID
2	1	0	η	微分先行PID控制	1自由度PID
						3	0	0	η	比例先行PID（1－PD)控制	1自由度PID
4	α	0	1	P－PID控制（仅P为2自由度）	不完全2自由度PID
						5	α	0	γ	PD－PID控制（仅PD为2自由度）	不完全2自由度PID
6	α	β	1	PD－PID控制（仅PD为2自由度）	不完全2自由度PID
						7	α	β	γ	PID－PID控制（PID完全2自由度）	完全2自由度PID

Claims (5)

1、一种由减法器(1)、设定值滤波器(12)、不完全微分PID控制器(18)和加法器(4)所组成的二自由度实用型PID控制系统，其特征在于所说的设定值滤波器(12)由一个设定值微分补偿器(13)、与此设定值微分补偿器相接的并联的设定值比例补偿器(14)和设定值积分补偿器(15)，与它们的输出端相并接的加法器(16)所组成，加法器(16)的输出端(亦即设定值滤波器(12)的输出端)与减法器(1)相接。

2、根据权利要求1的二自由度实用型PID控制系统，其特征在于所说的积分补偿器（15）由第一延时器（15A）、带有二自由度积分系数β的第二积分延时器（15C），和减法器（15C）相互连接而成。

3、一种权利要求1的二自由度PID控制系统，其特征在于对所述的设定值比例补偿器（14）赋予二自由度比例系数α＝0.1～0.85。

4、一种权利要求1的二自由度PID控制系统，其特征在于对所述的设定值积分补偿器（15）赋予二自由度积分系数β＝0.1～0.3。

5、一种权利要求1的二自由度PID控制系统，其特征在于对所述的设定值微分补偿器（13）赋予二自由度微分系数γ＝0.3～0.8。

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