CN109001973A - 一种积分分离式pid控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种积分分离式PID控制方法，包括对输入误差安排过渡过程的跟踪微分器TD1，采用积分分离算法的PID控制器以及反馈回路滤波器TD2；其中，通过跟踪微分器TD1，得到输入误差信号的误差跟踪信号和误差微分信号；积分环节采用新的积分分离算法，该算法能够根据误差和分离阀值的大小合理改变积分增益系数；并与比例环节和微分环节一同构成积分分离式PID控制器；积分分离式PID控制器输出控制量信号，作用于被控对象；反馈回路中加入跟踪微分器TD2作为反馈回路滤波器，用来对输出信号的测量噪声进行滤波。本发明的积分分离式PID控制方法能够提高控制系统的响应速度，减小超调量，降低积分反馈的不良影响。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种积分分离式PID控制方法。
背景技术
由于实际工业系统的被控数学模型难以精确建立，现代设计理论给出的方法并不实用，PID仍然是目前工业控制中应用最广泛的控制技术。经典PID原理采用“基于误差来消除误差”的控制策略，通过对误差的现在(P)、过去(I)以及将来(D)进行加权求和得到控制量作用于被控对象，算法简单，参数易整定，并且鲁棒性好。
但是经典PID技术也存在一些不合理的地方，比如：(1)初始误差大导致初始控制量太大，容易使系统行为出现超调现象；(2)高品质的误差微分信号难以获取；(3)积分环节容易造成闭环回路的动态特性变差，对系统稳定性带来不良影响；等等。针对PID控制的初始误差过大和微分信号难以获取问题，韩京清提出了跟踪微分器的设计算法，能够得到输入信号的近似跟踪信号和高品质微分信号，有效解决了PID控制中超调与快速性的矛盾；另一方面，针对积分环节的饱和问题，不少学者在积分分离思想的基础上进行研究，具体思路是“误差较大时，不投入积分环节；误差较小时，投入积分环节”，既能够消除静态误差，又在一定程度上降低了积分反馈的不良影响。而目前积分分离算法多采用简单的两段式，并没有充分考虑误差大小以及分段阀值对积分环节的影响，限制了积分分离PID的控制能力。
发明内容
本发明就是为了克服目前积分分离算法的不足，提出一种新的积分分离算法，保证积分系数能够根据误差大小合理变化，进一步降低积分反馈给系统带来的不良影响；同时，针对输出信号的测量噪声问题，在反馈回路中加入滤波器进行处理，并对输入信号与反馈信号之间的误差安排过渡过程，得到光滑的过渡信号和高品质微分信号，改善初始控制量过大的问题，减小控制系统的超调。
本发明的技术方案是；一种积分分离式PID控制方法，设被控对象为二阶对象，其传递函数形式为：
其中，K是系统增益，T1和T2是系统时间常数；
其控制方法包括以下步骤；
S1：设计反馈回路滤波器TD2，输入输出信号y(t)，输出滤波信号y0(t)；
S2：设计跟踪微分器TD1，输入误差信号e(t)，输出e(t)的误差跟踪信号e1(t)和误差微分信号e2(t)；
S3：设计积分分离环节，输入误差跟踪信号e1(t)，输出积分控制分量uki(t)；
S4：设计比例环节和微分环节，分别输入误差跟踪信号e1(t)和误差微分信号e2(t)，输出比例控制分量ukp(t)和微分控制分量ukd(t)；
S5：将积分控制分量uki(t)、比例控制分量ukp(t)、微分控制分量ukd(t)三部分相加，得到控制信号u(t)，作用于被控对象。
进一步，步骤S1中设计反馈回路滤波器TD2，采用跟踪微分器算法，只输出y(t)的跟踪信号y0(t)作为滤波信号，且反馈回路滤波因子与积分步长的比值n1越大，滤波效果越好；也可以通过卡尔曼滤波等滤波方式来实现。
跟踪微分器算法，具体如下：
其中，ry是反馈回路速度因子，是反馈回路滤波因子，h是积分步长，是h的整数倍，即fhan(x1(k)-x(t)，x2(k)，r，h0)是非线性函数，算法如下：
进一步，步骤S2中设计跟踪微分器TD1，是对误差信号e(t)安排的过渡过程，若参考信号(例如单位阶跃信号)不被噪声污染，误差信号滤波因子与积分步长的比值n2取1，否则取为大于2的正整数值；
跟踪微分器TD1，算法如下：
其中，re是误差信号的速度因子，是误差信号滤波因子，n2为正整数。
进一步，步骤S3中设计积分分离环节，积分增益系数β的算法如下：
其中，δ是积分分离系数，δ取0.3～0.7，Δe是积分分离阀值，Δe取目标值的10％～30％，
积分控制分量：uki(t)＝βki∫e1dt，其中，ki是积分增益。
进一步，步骤S5中控制信号u(t)，公式如下：
＝kpe1+βki∫e1dt u＝ukp+uki+ukd
+kde2
其中，kp是比例增益，kd是微分增益。
本发明设计了一种积分分离式PID控制方法，包括对输入误差安排过渡过程的跟踪微分器TD1，采用积分分离算法的PID控制器以及反馈回路滤波器TD2。其中，通过跟踪微分器TD1，得到输入误差信号的误差跟踪信号和误差微分信号；积分环节采用新的积分分离算法，该算法能够根据误差和分离阀值的大小合理改变积分增益系数；并与比例环节和微分环节一同构成积分分离式PID控制器；积分分离式PID控制器输出控制量信号，作用于被控对象；反馈回路中加入跟踪微分器TD2作为反馈回路滤波器，用来对输出信号的测量噪声进行滤波。本发明的积分分离式PID控制方法能够提高控制系统的响应速度，减小超调量，降低积分反馈的不良影响。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
(1)安排了误差信号的过渡过程，同时得到误差跟踪信号和误差微分信号；一方面避免了经典微分过程中的噪声放大问题；另一方面，保证了控制量从零开始快速变化，且不存在大的突变，有利于执行机构运动。
(2)设计了新的积分分离函数，充分考虑误差大小以及分段阀值对积分环节的影响，提高了积分分离PID的控制能力。
(3)设计了反馈回路滤波环节，对输出信号的测量噪声起到较好的抑制作用。
(4)本发明提供的控制方法，与常规PID相比，具有较好的动态控制性能和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的原理图。
图2是本发明的流程图。
图3是阶跃响应曲线图。
图4是阶跃响应的控制量对比图。
图5是误差信号经过TD1输出后的对比图。
图6是图5中a部分放大图。
图7是图5中b部分放大图。
图8是模型发生失配时的响应对比图。
图9是图8中c部分放大图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1：
如图1和图2所示，一种积分分离式PID控制方法，设被控对象为二阶对象，其传递函数形式为：
其中，K是系统增益，T1和T2是系统时间常数；
其控制方法包括以下步骤；
S1：设计反馈回路滤波器TD2，输入输出信号y(t)，输出滤波信号y0(t)；
S2：设计跟踪微分器TD1，输入误差信号e(t)，输出e(t)的误差跟踪信号e1(t)和误差微分信号e2(t)；
S3：设计积分分离环节，输入误差跟踪信号e1(t)，输出积分控制分量uki(t)；
S4：设计比例环节和微分环节，分别输入误差跟踪信号e1(t)和误差微分信号e2(t)，输出比例控制分量ukp(t)和微分控制分量ukd(t)；
S5：将积分控制分量uki(t)、比例控制分量ukp(t)、微分控制分量ukd(t)三部分相加，得到控制信号u(t)，作用于被控对象。
步骤S1中设计反馈回路滤波器TD2，采用跟踪微分器算法，只输出y(t)的跟踪信号y0(t)作为滤波信号，且反馈回路滤波因子与积分步长的比值n1越大，滤波效果越好；也可以通过卡尔曼滤波等滤波方式来实现。
跟踪微分器算法，具体如下：
其中，ry是反馈回路速度因子，是反馈回路滤波因子，h是积分步长，是h的整数倍，即fhah(x1(k)-x(t)，x2(k)，r，h0)是非线性函数，算法如下：
步骤S2中设计跟踪微分器TD1，是对误差信号e(t)安排的过渡过程，若参考信号(例如单位阶跃信号)不被噪声污染，误差信号滤波因子与积分步长的比值n2取1，否则取为大于2的正整数值；
跟踪微分器TD1，算法如下：
其中，re是误差信号的速度因子，是误差信号滤波因子，n2为正整数。
步骤S3中设计积分分离环节，积分增益系数β的算法如下：
其中，δ是积分分离系数，δ取0.3～0.7，Δe是积分分离阀值，Δe取目标值的10％～30％，
积分控制分量：uki(t)＝βki∫e1dt，其中，ki是积分增益。
步骤S5中控制信号u(t)，公式如下：
＝kpe1+βki∫e1dt u＝ukp+uki+ukd
+kde2
其中，kp是比例增益，kd是微分增益。
根据上述的控制方法，取参数K＝4，T1＝4.8，T2＝0.4；
则，传递函数为：
这里将本发明控制方法与常规PID控制方法做对比，首先对常规PID的控制参数进行整定，整定后得到的PID控制参数为：kp＝1.3，ki＝0.28，kd＝0.8，并将该组参数作为本发明方法的参数设定值。
输入单位阶跃信号，则目标值为1，并在50s加入目标值10％的扰动。相关参数设定为：h＝0.01.ry＝20，re＝0.2，δ＝0.5，Δe＝0.3，得到如图3所示的阶跃响应曲线，从图3可知，本发明提供的积分分离式PID控制方法，较常规PID具有较快的响应速度，较小的超调量和较强的抗干扰能力。
由图4可知，本发明提供的积分分离式PID控制方法，保证了控制量从零开始快速变化，且不存在大的突变，有利于执行机构运动。
由图5一图7可知，通过跟踪微分器TD1安排误差信号的过渡过程，解决了初始误差过大的问题，并且得到了高品质的微分信号，降低了超调量，提高了控制器性能。
由图8-图9可知，令系统增益K分别减小20％和增大20％，保持控制参数不变，对比与常规PID的响应曲线，可见，本发明提供的积分分离式PID控制方法，在模型失配的情况下仍然能够快速准确到达目标位置，具有较强的鲁棒性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种积分分离式PID控制方法，其特征在于，设被控对象为二阶对象，其传递函数形式为：
其中，K是系统增益，T1和T2是系统时间常数；
其控制方法包括以下步骤；
S1：设计反馈回路滤波器TD2，输入输出信号y(t)，输出滤波信号y0(t)；
S2：设计跟踪微分器TD1，输入误差信号e(t)，输出e(t)的误差跟踪信号e1(t)和误差微分信号e2(t)；
S3：设计积分分离环节，输入误差跟踪信号e1(t)，输出积分控制分量uki(t)；
S4：设计比例环节和微分环节，分别输入误差跟踪信号e1(t)和误差微分信号e2(t)，输出比例控制分量ukp(t)和微分控制分量ukd(t)；
S5：将积分控制分量uki(t)、比例控制分量ukp(t)、微分控制分量ukd(t)三部分相加，得到控制信号u(t)，作用于被控对象。
2.根据权利要求1所述的一种积分分离式PID控制方法，其特征在于，步骤S1中设计反馈回路滤波器TD2，采用跟踪微分器算法，只输出y(t)的跟踪信号y0(t)作为滤波信号，且反馈回路滤波因子与积分步长的比值n1越大，滤波效果越好；
跟踪微分器算法，具体如下：
其中，ry是反馈回路速度因子，h0y是反馈回路滤波因子，h是积分步长，h0y是h的整数倍，即h0y＝n1h，fhan(x1(k)-x(t)，x2(k)，r，h0)是非线性函数，算法如下：
3.根据权利要求2所述的一种积分分离式PID控制方法，其特征在于，步骤S2中设计跟踪微分器TD1，是对误差信号e(t)安排的过渡过程，若参考信号不被噪声污染，误差信号滤波因子与积分步长的比值n2取1，否则取为大于2的正整数值；
跟踪微分器TD1，算法如下：
其中，re是误差信号的速度因子，h0e是误差信号滤波因子，h0e＝n2h，n2为正整数。
4.根据权利要求3所述的一种积分分离式PID控制方法，其特征在于，步骤S3中设计积分分离环节，积分增益系数β的算法如下：
其中，δ是积分分离系数，δ取0.3～0.7，Δe是积分分离阀值，Δe取目标值的10％～30％，
积分控制分量：uki(t)＝βki∫e1dt，其中，ki是积分增益。
5.根据权利要求4所述的一种积分分离式PID控制方法，其特征在于，步骤S5中控制信号u(t)，公式如下：
其中，kp是比例增益，kd是微分增益。
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