CN107168047B - 提高重复补偿pid控制系统的控制性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进的重复补偿PID控制系统，在重复补偿PID控制器的延时环节所在支路上串联第二PID控制器，第二PID控制器与所述PID控制器的PID参数设置为相同，且位于延时环节之前。本发明还公开了一种上述系统的构建方法，先在不加入第二PID控制器的基础上调节系统参数，然后再加入第二PID控制器，第二PID控制器的PID参数不需要调节，沿用主支路上PID控制器的参数即可。使用本发明可以优化伺服系统的参数，改善系统延时对控制系统的影响，而且伺服控制系统稳定回路的调试时间还不会增加。

Description

提高重复补偿PID控制系统的控制性能的方法
技术领域
本发明涉及PID控制技术领域，具体涉及一种提高重复补偿PID控制系统的控制性能的方法。
背景技术
很多导引头光学舱采用直流伺服系统，要求跟踪输入指令快速无超调，控制回路性能指标高，抗扰动能力强等，这样就对直流伺服系统提出了更高的要求，直流伺服系统具有结构简单、重量轻，启动力矩大，调速范围宽，控制容易，维护方便等优点，在导引头光学舱中得到了广泛的应用。
常规PID控制器因其结构简单，不需要对象的精确数学模型，易于操作、适用面广等特点而得到了广泛的应用，但鲁棒性差，控制精度不高，适应能力较差，应用在伺服系统中，参数调整时间长，很难提高系统性能指标。因此需要改进常规PID控制算法，使其满足伺服系统对稳定性的要求。
重复补偿控制原理来源于内模原理，其原理指的是，如果参考信号的发生器包含在一个稳定的闭环系统中，被控输出就能无误差地跟踪参考信号。Inoue等人基于上述思想提出了重复补偿控制理论，利用内膜原理，在稳定闭环系统内设置一个可以产生与参考输入同周期的内部模型，从而使系统实现对外部周期参考信号的渐近跟踪。重复补偿控制系统框图如图1所示。
重复补偿控制系统中，加到被控对象上面的输入信号除了偏差信号之外，还叠加了上一周期同时刻的控制偏差，把上一次运行的偏差反映到现在，和当前的控制偏差叠加到一起对被控对象进行控制。如图2所示。图中r为输入信号，y为系统输出，u为控制器输出，由于此系统中具有一个延时因子，因此它的开环传递函数在虚轴上含有无数个极点。所以系统对任何阶输入或干扰的系统误差是渐近趋于零，鲁棒性较强。
重复补偿控制虽可以保证输出精度跟踪给定值，但它却有2个缺点：由图1可以看出，重复补偿得到的控制指令并不是立即输出，而是滞后一个参考周期才输出。如果系统内部出现干扰，消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。干扰出现后的一个周期内，系统对干扰并不产生调节作用，这一周期系统几乎处于开环状态，存在一个延迟因子、控制器在第一个周期里，没有信号输出。
可见，现有的重复补偿PID控制方案会使伺服控制系统稳定回路调试时间增加。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提高重复补偿PID控制系统的控制性能的方法，可以优化伺服系统的参数，改善系统延时对控制系统的影响，而且伺服控制系统稳定回路的调试时间还不会增加。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种改进的重复补偿PID控制系统，在重复补偿PID控制器的延时环节所在支路上串联第二PID控制器，且位于延时环节之前；将第二PID控制器的PID参数设置为与所述重复补偿PID控制器的PID参数相同。
优选地，在两个PID控制器的PID参数被设置为相同的基础上，进一步对两个PID控制器进行参数微调。
基于上述系统，本发明提供的一种提高重复补偿PID控制系统的控制性能的方法，包括如下步骤：
步骤一、构建传统的重复补偿PID控制器，通过优化PID参数和延时环节参数，调试系统的稳定指标，并根据系统所需的频率在保证系统稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率；
步骤二、在延时环节所在支路上增加第二PID控制器，且位于延时环节之前，第二PID控制器的PID参数与步骤一构建的PID控制器的PID参数相同，从而在实现延时控制的基础上，改善跟踪精度和响应时间。
优选地，所述步骤一包括如下两个步骤：
步骤101：在闭环控制系统中采用PID控制器，通过优化PID参数，调试系统的稳定指标；
步骤102：在步骤101构建的PID控制器基础上增加与PID控制器并列的延时环节，根据系统所需的频率，在保证系统稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率。
优选地，该方法进一步包括步骤三：微调两路PID控制器的参数，可以调节为不同数值，从而获得更加优化的系统性能指标。
有益效果：
(1)为了解决重复补偿控制滞后输出和干扰延时的缺点，同时为了使系统的控制性能得到提高，本发明在重复补偿延时环节前再增加一个PID控制器，对延时环节做出补偿，从而消除输出周期性的跟踪误差，减小系统在负载下的输出畸变。
(2)该增加的PID控制器并非与原有的PID控制器独立，而是参数相同的PID控制器。常规PID进行参数补偿时，调节一个参数，同时影响隔离度和系统幅频特性，寻找最优参数比较困难。改进重复补偿PID控制中具有两路PID补偿，两路PID具有相同参数，在保证系统稳定特性，提高跟踪精度和响应时间的同时，不增加调节变量，从而减少了PID参数调整的困难和所需时间。
(3)当系统性能指标需要微调时，可通过调节系统的延时环节前的比例环节实现，方法简单，易于实现。
附图说明
图1为常规PID控制算法原理框图。
图2为重复补偿PID控制算法原理框图。
图3为改进重复补偿的PID控制系统框图。
图4为常规PID控制器仿真框图。
图5为导引头光学舱直流伺服系统重复补偿PID控制方位轴仿真图框图。
图6为导引头光学舱直流伺服系统改进重复补偿PID控制方位轴仿真图框图。
图7为常规PID控制器跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.037)。
图8为重复补偿PID控制器跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.035)。
图9为改进重复补偿PID控制器跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.025)。
图10为普通PID控制器阶越响应曲线超调量为1.41，响应时间为0.1s。
图11为重复补偿PID控制器超调量1.4，响应时间为0.13s。
图12为改进重复补偿PID控制器超调量1.48，响应时间为0.07s。
图13为普通PID控制器幅频特性曲线带宽32Hz，相角裕度65°，幅值裕度9.41。
具体实施方式
针对直流伺服系统用常规PID控制方法，调节参数周期长，系统精度难以提高的缺点，本发明提出了一种基于重复补偿的PID控制方案。该方案对重复补偿控制结构进行了改进。改进后的控制方案在保证系统性能指标的同时，缩短了参数调节周期，提高了系统隔离扰动的精度。
本发明所提供的控制方案在导引头光学舱上有着比较好的应用前景。本实施例就以某光学舱的直流电机作为控制对象，如图2所示，该系统采用陀螺敏感控制对象的当前位置，进行反馈。PID控制器的输入为给定量r与控制对象的反馈量y的差值，该差值还输入到延时环节，PID控制器与延时环节的输出叠加后作为控制对象的输入。
针对该光学舱的直流电机进行仿真，通过矢量解耦，简化后得到的直流伺服系统的开环传递函数为：
Figure GDA0002526239150000051
陀螺开环传递函数为：
Figure GDA0002526239150000052
下文的仿真均以上述两个传递函数为基础。
如图3所示，本发明在该重复补偿PID控制系统的延时环节所在支路上进一步串联另一个PID控制器，该PID控制器与原PID控制器的PID参数设置为相同，且位于延时环节之前。该改进的重复补偿数字PID控制系统的构建和参数优化过程为：
步骤101、搭建常规PID控制器
在控制系统中采用PID控制器，通过优化PID参数，调试系统的稳定指标，原理框图如图1所示，仿真框图如图4所示，系统跟踪误差仿真曲线如图7所示，系统阶越响应曲线如图10所示，系统幅频特性曲线如图13所示。
步骤102、加入延时环节，形成重复补偿PID控制算法
在步骤101构建的常规PID控制器基础上增加与PID控制器并列的延时环节，根据系统所需的频率，在保证系统稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率。原理框图如图2所示，仿真框图如图5所示，系统跟踪误差仿真曲线如图8所示，系统阶越响应曲线如图11所示。
本实施例先优化PID参数再加入延时环节优化延时环节参数是为了减少优化难度。在实际中也可以同时进行优化。
步骤103、改进重复补偿数字PID控制器
在延时环节前增加第二PID控制器，保证控制器两个PID相同参数，从而在实现延时控制的基础上，有效改善跟踪精度和响应时间。原理框图如图3所示，仿真框图如图6所示，系统跟踪误差仿真曲线如图9所示，系统阶越响应曲线如图12所示。
步骤104、微调两路PID控制器
微调两路PID控制器的参数，可以调节为不同数值，从而获得更加优化的系统性能指标。
从仿真结果可以看出，伺服系统在改进重复补偿PID控制下，响应与参考信号的误差小，改进重复补偿PID控制器，系统的性能指标较好，系统超调时间短，超调量小。
PID控制器主要是对输出跟踪误差进行实时的控制，减小不确定的干扰造成的输出畸变。当系统处在稳态时，重复补偿控制器起主要的调节作用，使得稳态下输出能很好的跟踪参考信号；当系统出现比较大的瞬态干扰时，PID控制会起到比较大的作用，调节输出信号，使跟踪误差迅速减小，这样就形成了基于重复补偿的PID控制结构。采用本发明提供的改进重复补偿PID控制算法构建的PID控制系统，具有结构简单，设计合理和控制精度高等优点。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种提高重复补偿PID控制系统的控制性能的方法，用于直流伺服系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、构建传统的重复补偿PID控制器，通过优化PID参数和延时环节参数，调试系统的稳定指标，并根据系统所需的频率在保证系统稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率；
本步骤一包括如下两个步骤：
步骤101：在闭环控制系统中采用PID控制器，通过优化PID参数，调试系统的稳定指标；
步骤102：在步骤101构建的PID控制器基础上增加与PID控制器并列的延时环节，根据系统所需的频率，在保证系统稳定精度的基础上调节跟踪误差的频率；
步骤二、在延时环节所在支路上增加第二PID控制器，且位于延时环节之前，第二PID控制器的PID参数与步骤一构建的PID控制器的PID参数相同，从而在实现延时控制的基础上，改善跟踪精度和响应时间；
步骤三：微调两路PID控制器的参数，可以调节为不同数值，从而获得更加优化的系统性能指标。
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