CN108983598A - 一种pid调节方法、系统和存储装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及PID算法领域,具体涉及一种PID调节方法、系统和存储装置。所述PID调节方法的步骤包括:获取输入变量的微分结果;将微分结果、误差和当前积分及进行累加以获取积分和,并获所述取积分和的积分结果,以作为PID输出结果。所述PID调节处理单元包括:输入端口,微分算法模块,对输入端的输入变量进行微分算法以获取微分结果,积分算法模块,对微分结果、输入端的误差及当前积分和进行累加以获取积分和,再对积分和进行积分算法以获取积分结果;输出端口。本发明不需要太大的微分系数,通过累积效应,使得微分效果更明显,从而达到快速调节的目的,解决在传统PID算法的基础上使用微分项,容易造成系统不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及PID算法领域,具体涉及一种PID调节方法、系统和存储装置。
背景技术
当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值,与期望值相比较,用这个偏差来纠正系统的响应,执行调节控制。PID控制的基础是比例控制;积分控制可消除稳态误差,但可能增加超调;微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
其中,微分部分通常用来加快系统调节速度,但是,微分又常常引起系统的不稳定。
具体是,在PID控制中,微分是对输入量进行微分计算,然后加入系统控制,增加微分系数,可以加快系统调节速度;由于输入量在小幅变化和大幅变化时在系统中的作用表现是不同的,在相同的微分系数条件下,输入量大幅变化时容易使得系统过调,造成系统不稳定,最差的情况就是引起系统震荡。
如何解决在传统PID算法的基础上使用微分项,容易造成系统不稳定的问题,是本领域技术人员一直重点研究的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种PID调节方法、系统和存储装置,解决在传统PID算法的基础上使用微分项,容易造成系统不稳定的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种PID调节方法,所述PID调节方法的步骤包括:获取输入变量的微分结果;将微分结果、误差和当前积分及进行累加以获取积分和,并获所述取积分和的积分结果,以作为PID输出结果。
其中,较佳方案是:所述输入变量为当前输入值和上次输入值的差值。
其中,较佳方案是:所述误差为目标值与当前值的差值。
其中,较佳方案是,所述PID调节方法的步骤还包括:设置积分系数和微分系数;将输入变量与微分系数的乘积作为微分结果;将积分和与积分系数的乘积作为积分结果。
其中,较佳方案是,所述PID调节方法的步骤包括:获取输入变量的微分结果;获取误差的比例结果;将微分结果、误差和当前积分及进行累加以获取积分和,并获所述取积分和的积分结果;将积分结果和比例结果累加,以作为PID输出结果。
其中,较佳方案是,所述PID调节方法的步骤还包括:设置比例系数;将误差与比例系数的乘积作为比例结果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种PID调节系统,所述PID调节系统包括输入端、PID调节处理单元、执行模块,所述PID调节处理单元包括:输入端口,与输入端连接;微分算法模块,与输入端口连接,并对输入端的输入变量进行微分算法以获取微分结果;积分算法模块,分别与微分算法模块和输入端口连接,并对微分结果、输入端的误差及当前积分和进行累加以获取积分和,再对积分和进行积分算法以获取积分结果;输出端口,分别与积分算法模块和执行模块连接,将积分结果输出至执行模块中以作为PID输出结果。
其中,较佳方案是:所述PID调节处理单元包括设置在输入端口和输出端口之间的比例算法模块,所述比例算法模块对输入端的误差进行比例算法以获取比例结果;以及,所述输出端口先将积分结果和比例结果累加,再输出至执行模块中以作为PID输出结果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种存储装置,所述存储装置存储有计算机程序,所述计算机程序能够被执行以实现如所述PID调节方法的步骤。
本发明的有益效果在于,与现有技术相比,本发明不需要太大的微分系数,通过累积效应,使得微分效果更明显,从而达到快速调节的目的,解决在传统PID算法的基础上使用微分项,容易造成系统不稳定的问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明PID调节方法的流程示意图;
图2是图1基于微分系数和积分系数的流程示意图;
图3是图2的运算结构示意图;
图4是图1增加比例运算的PID的流程示意图;
图5是图4基于比例系数的流程示意图;
图6是图5的运算结构示意图;
图7是本发明PID调节系统的结构示意图;
图8是图7增加比例运算的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图,对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1、图2和图3所示,本发明提供一种PID调节方法的优选实施例。
所述PID调节方法的步骤包括:
步骤S11、获取输入变量的微分结果;
步骤S12、将微分结果、误差和当前积分及进行累加以获取积分和;
步骤S13、并获所述取积分和的积分结果,以作为PID输出结果。
在步骤S11中,所述输入变量为当前输入值和上次输入值的差值,即DError=Input-Input0,其中,Input表示当前输入值,Input0表示上次输入值,DError表示输入变量,并且,再将Input0赋值给Input,等待下次运算。其中,输入变量是测量关键,是被控变量的实际值,与期望值相比较,用这个偏差来纠正系统的响应,执行调节控制。
进一步地,参考图2,所述步骤S11包括步骤S111和步骤S112,具体是:步骤S111、设置微分系数;步骤S112、将输入变量与微分系数的乘积作为微分结果。其中,在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号(输入变量)的微分(即误差的变化率)成正比关系,其公式为Sum1=DError*Kd,其中,Sum1表示微分结果,Kd表示微分系数。
在步骤S12中,获取积分和,即Sum=Sum+Error+DError*Kd,Error=Target-Next,其中,Sum表示微分和,Error表示误差,Target表示目标值,Next表示当前值;不需要太大的微分系数,通过累积效应,使得微分效果更明显,从而达到快速调节的目的,并且避免微分系数大,造成系统过调,引起系统控制的不稳定。
在步骤S13中,获取步骤S12中的积分和的积分结果,对每一次累加的积分和实现积分,获取当前状态的积分结果,达到快速调节的目的,不需要采用较大微分系数。
进一步地,参考图2,所述步骤S13包括步骤S131和步骤S132,具体是:步骤S131、设置积分系数;步骤S132、将积分和与积分系数的乘积作为积分结果,以作为PID输出结果。其中,在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系,其公式为PIDResult=Sum*Ki,其中,PIDResult表示PID输出结果,Ki表示积分系数。
在本实施例中,所述基于微分系数和微分系数的PID调节方法步骤如下:
步骤S111、设置微分系数;
步骤S112、将输入变量与微分系数的乘积作为微分结果;
步骤S12、将微分结果、误差和当前积分及进行累加以获取积分和;
步骤S131、设置积分系数;
步骤S132、将积分和与积分系数的乘积作为积分结果,以作为PID输出结果。
在本实施例中,步骤S111和步骤S131可预先设置,或者在调节过程根据需求进行智能动态调整,或者根据控制人员进行调整。并参考图3,输入端11接收当前输入值和上次输入值,作为输入变量发送至微分单元13中,实现微分操作;并且,输入端11接收当前值(即当前输入值)和目标值,所述目标值为控制端15的实际参数值,作为误差输入至积分单元14中,积分单元14先获取从微分单元13发送的微分结果和从输入端11发送的误差,实现积分操作;并且,将积分结果发送至控制端15中,作为控制参数/控制命令,获取控制端15的目标值。
其中,从微分单元13发送的微分结果和从输入端11发送的误差通过累加器101进行累加后发送至积分单元14中,积分结果通过累加器102累加并发送至控制端15。并且累加器102可不选。
如图4、图5和图6所示,本发明提供一种基于比例的PID调节方法的较佳实施例。
参考图4,所述PID调节方法的步骤包括:
步骤S21、获取输入变量的微分结果;
步骤S22、获取误差的比例结果;
步骤S23、将微分结果、误差和当前积分及进行累加以获取积分和;
步骤S24、并获所述取积分和的积分结果;
步骤S25、将积分结果和比例结果累加,以作为PID输出结果。
在步骤S21中,所述输入变量为当前输入值和上次输入值的差值,即DError=Input-Input0,其中,Input表示当前输入值,Input0表示上次输入值,DError表示输入变量,并且,再将Input0赋值给Input,等待下次运算。其中,输入变量是测量关键,是被控变量的实际值,与期望值相比较,用这个偏差来纠正系统的响应,执行调节控制。进一步地,参考图5,所述步骤S21包括步骤S211和步骤S212,具体是:步骤S211、设置微分系数;步骤S212、将输入变量与微分系数的乘积作为微分结果。其中,在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号(输入变量)的微分(即误差的变化率)成正比关系,其公式为Sum1=DError*Kd,其中,Sum1表示微分结果,Kd表示微分系数。
在步骤S22中,获取误差的比例结果,其中,误差公式为Error=Target-Next,Error表示误差,Target表示目标值,Next表示当前值;进一步地,并参考图5,所述步骤S22包括步骤S221和步骤S222,具体是:步骤S222、设置比例系数;步骤S223、将误差与比例系数的乘积作为比例结果。其中,比例控制是一种最简单的控制方式,其控制器的输出与输入误差信号成比例关系,当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差;其公式为Sum2=Error*Kp,其中,Sum2表示微分结果,Kp表示比例系数。
在步骤S23中,获取积分和,即Sum=Sum+Error+DError*Kd,Error=Target-Next,其中,Sum表示微分和,Error表示误差,Target表示目标值,Next表示当前值;不需要太大的微分系数,通过累积效应,使得微分效果更明显,从而达到快速调节的目的,并且避免微分系数大,造成系统过调,引起系统控制的不稳定。在步骤S24中,获取步骤S23中的积分和的积分结果,对每一次累加的积分和实现积分,获取当前状态的积分结果,达到快速调节的目的,不需要采用较大微分系数。进一步地,参考图5,所述步骤S24包括步骤S241和步骤S242,具体是:步骤S241、设置积分系数;步骤S242、将积分和与积分系数的乘积作为积分结果。其公式为Result=Sum*Ki,其中,Result表示积分结果,Ki表示积分系数。
在步骤S25中,将积分结果和比例结果累加,以作为PID输出结果;其公式为PIDResult=Sum*Ki+Error*Kp,PIDResult表示PID输出结果。
在本实施例中,所述基于比例系数的PID调节方法步骤如下:
步骤S211、设置微分系数;
步骤S212、获取输入变量的微分结果;
步骤S222、设置比例系数;
步骤S223、将误差与比例系数的乘积作为比例结果;
步骤S23、将微分结果、误差和当前积分及进行累加以获取积分和;
步骤S241、设置积分系数;
步骤S242、将积分和与积分系数的乘积作为积分结果;
步骤S25、将积分结果和比例结果累加,以作为PID输出结果。
在本实施例中,步骤S211、步骤S222和步骤S241可预先设置,或者在调节过程根据需求进行智能动态调整,或者根据控制人员进行调整。并参考图6,输入端11接收当前输入值和上次输入值,作为输入变量发送至微分单元13中,实现微分操作;并且,输入端11接收当前值(即当前输入值)和目标值,作为误差输入至积分单元14和比例单元16中,积分单元14先获取从微分单元13发送的微分结果和从输入端11发送的误差,实现积分操作,比例单元16获取从输入端11发送的误差,实现比例操作;并且,将积分结果和比例结果发送至控制端15中,作为控制参数/控制命令,获取控制端15的目标值。
其中,从微分单元13发送的微分结果和从输入端11发送的误差通过累加器101进行累加后发送至积分单元14中,积分结果和比例结果通过累加器102累加并发送至控制端15。
如图7和图8所示,本发明提供一种PID调节系统的优选实施例。
一种PID调节系统,所述PID调节系统包括输入端21、PID调节处理单元、执行模块23,所述PID调节处理单元包括输入端口、微分算法模块32、积分算法模块33和输出端口,其中,输入端口与输入端21连接;微分算法模块32与输入端口连接,并对输入端21的输入变量进行微分算法以获取微分结果;积分算法模块33分别与微分算法模块32和输入端口连接,并对微分结果、输入端的误差及当前积分和进行累加以获取积分和,再对积分和进行积分算法以获取积分结果;输出端口分别与积分算法模块33和执行模块23连接,将积分结果输出至执行模块中以作为PID输出结果。
其中,执行模块23与输出端口连接。
具体地,输入端21接收当前输入值和上次输入值,作为输入变量通过输入端口发送至微分算法模块32中,实现微分操作;并且,输入端21接收当前值(即当前输入值)和目标值,作为误差输入至积分算法模块33中,积分算法模块33先获取从微分算法模块32发送的微分结果和从输入端21发送的误差,实现积分操作;并且,将积分结果通过输出端口发送至执行模块23中,作为控制参数/控制命令,获取执行模块23的目标值。
其中,从微分算法模块32发送的微分结果和从输入端21发送的误差通过累加器31进行累加后发送至积积分算法模块33中,积分结果通过累加器34累加并发送至执行模块23。并且累加器34可不选。
在本实施例中,并参考图8,所述PID调节处理单元包括设置在输入端口和输出端口之间的比例算法模块35,所述比例算法模块35对输入端21的误差进行比例算法以获取比例结果;以及,所述输出端口31先将积分结果和比例结果累加,再输出至执行模块中以作为PID输出结果。
具体地,输入端21接收当前输入值和上次输入值,作为输入变量通过输入端口发送至微分算法模块32中,实现微分操作;并且,输入端21接收当前值(即当前输入值)和目标值,作为误差输入至积分算法模块33中和比例算法模块35中,积分算法模块33先获取从微分算法模块32发送的微分结果和从输入端21发送的误差,实现积分操作,比例算法模块35获取从输入端21发送的误差,实现比例操作;并且,将积分结果和比例结果通过输出端口发送至执行模块23中,作为控制参数/控制命令,获取执行模块23的目标值。
其中,从微分算法模块32发送的微分结果和从输入端21发送的误差通过累加器31进行累加后发送至积分算法模块33中,积分结果和比例结果通过累加器34累加并发送至执行模块23。
在本发明中,所述的微分操作、积分操作和比例操作表示进行所对应微分算法、积分算法和比例算法运算,并且,可通过现有本领域技术人员可理解的计算公式实现。
在本发明中,还提供一种存储装置的优选实施例。
所述存储装置存储有计算机程序,所述计算机程序能够被执行以实现如所述PID调节方法的步骤。
所述PID调节方法为图1、图2、图4和图5中所涉及的算法运算。
优选地,提供一较佳方案,比如在平衡车控制中,系统的控制频率是比较高的,但是车子的移动速度相比系统控制频率是比较慢的。因为系统是在每个控制周期都在采集车子的移动量,由于系统的控制频率比较高,所以在每个控制周期采集到的车子的位移是很少的。如果将此位移值直接用于系统控制,那么除非设置很大的微分系数,否则作用不明显。但是微分系数的提高又会造成系统不稳定。所以采用较小的微分系数,而将微分进行积分就是一个变通的好方法,通过累积效应达到快速调节的目的。
以上所述者,仅为本发明最佳实施例而已,并非用于限制本发明的范围,凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰,皆为本发明所涵盖。
Claims (9)
1.一种PID调节方法,其特征在于,所述PID调节方法的步骤包括:
获取输入变量的微分结果;
将微分结果、误差和当前积分及进行累加以获取积分和,并获所述取积分和的积分结果,以作为PID输出结果。
2.根据权利要求1所述的PID调节方法,其特征在于:所述输入变量为当前输入值和上次输入值的差值。
3.根据权利要求1所述的PID调节方法,其特征在于:所述误差为目标值与当前值的差值。
4.根据权利要求1所述的PID调节方法,其特征在于,所述PID调节方法的步骤还包括:
设置积分系数和微分系数;
将输入变量与微分系数的乘积作为微分结果;
将积分和与积分系数的乘积作为积分结果。
5.根据权利要求1至4任一所述的PID调节方法,其特征在于,所述PID调节方法的步骤包括:
获取输入变量的微分结果;
获取误差的比例结果;
将微分结果、误差和当前积分及进行累加以获取积分和,并获所述取积分和的积分结果;
将积分结果和比例结果累加,以作为PID输出结果。
6.根据权利要求5所述的PID调节方法,其特征在于,所述PID调节方法的步骤还包括:
设置比例系数;
将误差与比例系数的乘积作为比例结果。
7.一种PID调节系统,所述PID调节系统包括输入端、PID调节处理单元、执行模块,其特征在于,所述PID调节处理单元包括:
输入端口,与输入端连接;
微分算法模块,与输入端口连接,并对输入端的输入变量进行微分算法以获取微分结果;
积分算法模块,分别与微分算法模块和输入端口连接,并对微分结果、输入端的误差及当前积分和进行累加以获取积分和,再对积分和进行积分算法以获取积分结果;
输出端口,分别与积分算法模块和执行模块连接,将积分结果输出至执行模块中以作为PID输出结果。
8.根据权利要求7所述的PID调节系统,其特征在于:所述PID调节处理单元包括设置在输入端口和输出端口之间的比例算法模块,所述比例算法模块对输入端的误差进行比例算法以获取比例结果;以及,所述输出端口先将积分结果和比例结果累加,再输出至执行模块中以作为PID输出结果。
9.一种存储装置,其特征在于,所述存储装置存储有计算机程序,所述计算机程序能够被执行以实现如权利要求1至6任一所述PID调节方法的步骤。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: No.35 Cuijing Road, Pingshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant after: Ona Technology (Shenzhen) Group Co.,Ltd. Address before: No.35 Cuijing Road, Pingshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant before: O-NET COMMUNICATIONS (SHENZHEN) Ltd. |
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CB02 | Change of applicant information | ||
GR01 | Patent grant | ||
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