CN109031943B - 模拟量控制回路控制器参数整定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟量控制回路控制器参数整定方法及装置，应用于终端设备。所述方法包括：获取控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时的扰动响应曲线图阵列；对获取到的每个扰动响应曲线图进行数据分析，得到控制回路模型的品质指标的指标数据阵列；根据品质指标的指标数据阵列绘制出各项时域指标及各项积分指标对应的三维等高线图；将各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足目标控制要求的公共的用于表示全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域。所述方法可对控制回路的全局最优控制器参数进行区域圈定，得到对应的全局最优控制器参数分布情况。

Description

模拟量控制回路控制器参数整定方法及装置

技术领域

本发明涉及模拟量反馈控制系统技术领域，具体而言，涉及一种模拟量控制回路控制器参数整定方法及装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，基于PID(比例-积分-微分，Proportion-Integral-Derivative)控制器或PI(比例-积分，Proportion-Integral)控制器或PD(比例-微分，Proportion-Derivative)控制器、状态观察器、相位补偿器、各式滤波器、前馈控制器、串级回路控制器、2×2多回路控制器构成的模拟量反馈控制回路通常被应用于工业生产、自动化控制等领域以形成对应的反馈控制系统。对反馈控制系统而言，如何确保该反馈控制系统中的每个反馈控制回路稳定性强、快速性好、可靠性强且鲁棒性强、，以确保该反馈控制系统的控制性能达到最佳状态，便是一个极为重要的技术问题。

而对反馈控制回路而言，模拟量反馈控制回路包括的PID控制器或其他控制器所对应的控制器参数(例如，比例增益、积分时间及微分时间)当前是否处于最优的参数数值，便是影响该反馈控制回路的稳定性、可靠性及鲁棒性的重要因素，因此如何确定模拟量反馈控制回路的全局最优控制器参数便是一个极为重要的问题。

目前，业界主流通常针对模拟量反馈控制回路进行逐步试错性调试或模型仿真处理以获取最优控制器参数点的方式，确定该模拟量反馈控制回路的全局最优控制器参数。由于现场非控制通道的干扰或噪声较大，这种控制器参数整定方式的整定准确性不高，应用局限性较大，给出的是一个控制器参数点，无法确实地保证获取到的最优控制器参数点真的是与该模拟量反馈控制回路匹配的全局最优参数，无法保证模拟量反馈控制回路的稳定性、可靠性、快速性及鲁棒性，并且现场调试试验中安全风险较大。

发明内容

为了克服现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种模拟量控制回路控制器参数整定方法及装置，所述模拟量控制回路控制器参数整定方法的整定准确性高，应用范围广，能够对模拟量控制回路的全局最优控制器参数进行区域圈定，得到该模拟量控制回路的全局最优控制器参数的具体分布情况，用大规模的不涉及现场安全性的数值实验来替代大多数昂贵费时有安全性隐患的现场调试试错试验，从而基于圈定出的参数区域提高控制回路的稳定性、快速性、可靠性及鲁棒性，并提高控制策略确定性及可追踪性。

就方法而言，本发明实施例提供一种模拟量控制回路控制器参数整定方法，应用于终端设备，所述方法包括：

获取控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的扰动响应曲线图阵列；

对获取到的每个扰动响应曲线图进行数据分析，得到所述控制回路模型对应的品质指标在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的指标数据阵列，其中所述品质指标包括多项时域指标及多项积分指标；

根据所述品质指标的指标数据阵列绘制出各项时域指标及各项积分指标各自对应的三维等高线图；

将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域，以实现对所述控制回路模型的控制器参数整定。

可选地，在本发明实施例中，上述将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域的步骤包括：

按照预设迭加参与指标从绘制的所有三维等高线图中，筛选出与所述预设迭加参与指标匹配的多个目标三维等高线图；

将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域。

可选地，在本发明实施例中，上述终端设备中存储有每项时域指标及每项积分指标各自对应的预设指标数值区间，所述将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域的步骤包括：

从获取到的每个目标三维等高线图中提取出指标数值位于与该目标三维等高线图匹配的预设指标数值区间的目标区域图像；

将各目标三维等高线图的目标区域图像进行迭加求交集处理，得到对应的所述目标参数区域。

可选地，在本发明实施例中，上述终端设备中预存有所述控制回路模型、所述控制对象模型及与所述控制对象模型匹配的目标控制要求，所述方法还包括：

对控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的控制器参数进行配置，并控制所述控制回路模型基于配置后的控制器参数按照所述目标控制要求在所述控制对象模型上进行模型仿真。

可选地，在本发明实施例中，上述方法还包括：

对预设控制器参数组合所对应的预设参数范围、预设迭加参与指标、每项时域指标对应的预设指标数值区间及每项积分指标对应的预设指标数值区间进行配置。

就装置而言，本发明实施例提供一种模拟量控制回路控制器参数整定装置，应用于终端设备，所述装置包括：

数据获取模块，用于获取控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的扰动响应曲线图阵列；

数据分析模块，用于对获取到的每个扰动响应曲线图进行数据分析，得到所述控制回路模型对应的品质指标在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的指标数据阵列，其中所述品质指标包括多项时域指标及多项积分指标；

图像绘制模块，用于根据所述品质指标的指标数据阵列绘制出各项时域指标及各项积分指标各自对应的三维等高线图；

图像迭加模块，用于将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域，以实现对所述控制回路模型的控制器参数整定。

可选地，在本发明实施例中，上述图像迭加模块包括：

图像筛选子模块，用于按照预设迭加参与指标从绘制的所有三维等高线图中，筛选出与所述预设迭加参与指标匹配的多个目标三维等高线图；

迭加处理子模块，用于将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域。

可选地，在本发明实施例中，上述终端设备中存储有每项时域指标及每项积分指标各自对应的预设指标数值区间，所述迭加处理子模块将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域的方式包括：

从获取到的每个目标三维等高线图中提取出指标数值位于与该目标三维等高线图匹配的预设指标数值区间的目标区域图像；

将各目标三维等高线图的目标区域图像进行迭加求交集处理，得到对应的所述目标参数区域。

可选地，在本发明实施例中，上述终端设备中预存有所述控制回路模型、所述控制对象模型及与所述控制对象模型匹配的目标控制要求，所述装置还包括：

模型仿真模块，用于对控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的控制器参数进行配置，并控制所述控制回路模型基于配置后的控制器参数按照所述目标控制要求在所述控制对象模型上进行模型仿真。

可选地，在本发明实施例中，上述装置还包括：

参数配置模块，用于对预设控制器参数组合所对应的预设参数范围、预设迭加参与指标、每项时域指标对应的预设指标数值区间及每项积分指标对应的预设指标数值区间进行配置。

相对于现有技术而言，本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定方法及装置具有以下有益效果：所述模拟量控制回路控制器参数整定方法的整定准确性高，应用范围广，能够对模拟量控制回路的全局最优控制器参数进行区域圈定，得到该模拟量控制回路的全局最优控制器参数的具体分布情况，用大规模的不涉及现场安全性的数值实验来替代大多数昂贵费时有安全性隐患的现场调试试错试验，从而基于圈定出的参数区域提高控制回路的稳定性、快速性、可靠性及鲁棒性，并提高控制策略确定性及可追踪性。首先，所述方法获取控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的扰动响应曲线图阵列。接着，所述方法对获取到的每个扰动响应曲线图进行数据分析，得到所述控制回路模型对应的品质指标在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的指标数据阵列，其中所述品质指标包括多项时域指标及多项积分指标。然后，所述方法根据所述品质指标的指标数据阵列绘制出各项时域指标及各项积分指标各自对应的三维等高线图。最后，所述方法将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域，从而通过对控制回路的全局最优控制器参数进行区域圈定，得到准确性高的与该控制回路模型对应的全局最优控制器参数的具体分布情况，以便于通过圈定出的参数区域提高控制回路的稳定性、快速性、可靠性及鲁棒性，并提高控制策略确定性及可追踪性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明权利要求保护范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的终端设备的方框示意图。

图2为本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定方法的流程示意图之一。

图3为图2中步骤S240包括的子步骤的流程示意图。

图4为本发明实施例提供的目标参数区域的一种示意图。

图5为本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定方法的流程示意图之二。

图6为本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定方法的流程示意图之三。

图7为本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定装置的方框示意图之一。

图8为图7中图像迭加模块的方框示意图。

图9为本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定装置的方框示意图之二。

图10为本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定装置的方框示意图之三。

图标：10-终端设备；11-存储器；12-处理器；13-通信单元；14-显示单元；100-模拟量控制回路控制器参数整定装置；110-数据获取模块；120-数据分析模块；130-图像绘制模块；140-图像迭加模块；141-图像筛选子模块；142-迭加处理子模块；150-模型仿真模块；160-参数配置模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1，是本发明实施例提供的终端设备10的方框示意图。在本发明实施例中，所述终端设备10能够用大规模的不涉及现场安全性的数值实验来替代大多数昂贵费时有安全性隐患的现场调试试错试验，并对模拟量控制回路按照目标控制要求地应用到控制对象上的全局最优控制器参数进行区域圈定，得到准确性高的与该模拟量控制回路对应的全局最优控制器参数的具体分布情况，从而基于圈定出的参数区域提高模拟量控制回路的稳定性、快速性、可靠性及鲁棒性，并提高控制策略确定性及可追踪性。其中所述全局最优控制器参数为确保对应控制回路在使用运行过程中能够长时间工作在最佳性能状态的控制器参数，所述控制器参数包括所述控制回路的比例增益、积分时间及微分时间等控制参数，所述控制对象即为所述模拟量控制回路在实际应用过程中的对象设备，所述目标控制要求用于表示所述模拟量控制回路在所述控制对象上应用时所应达到的工况要求。其中，所述终端设备10可以是，但不限于，智能手机、个人电脑(Personal Computer，PC)、平板电脑、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、移动上网设备(Mobile InternetDevice，MID)等。

在本实施例中，所述终端设备10包括模拟量控制回路控制器参数整定装置100、存储器11、处理器12、通信单元13及显示单元14。所述存储器11、所述处理器12、所述通信单元13及所述显示单元14各个元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述模拟量控制回路控制器参数整定装置100包括至少一个能够以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器11中的软件功能模块，所述处理器12通过运行存储在存储器11内的所述模拟量控制回路控制器参数整定装置100对应的软件功能模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。

在本实施例中，所述存储器11可用于存储控制回路的品质指标的相关信息，所述品质指标用于表示对应控制回路在当前控制器参数的基础上运行时的工作性能品质，所述品质指标包括多项时域指标及多项积分指标，所述时域指标用于表示控制回路在当前控制器参数的基础上运行时的稳定性，所述积分指标用于表示控制回路在当前控制器参数的基础上运行时的波动性。所述存储器11中存储有包括上升时间指标、延时时间指标、调节时间指标、超调量指标、衰减率指标、阻尼振荡周期与频率指标、稳定过程指标及过程值振荡次数指标在内的多项时域指标的相关信息，所述存储器11中存储有包括偏差积分指标、绝对偏差积分指标、偏差平方积分指标、偏差绝对值乘时间积分指标、偏差平方乘时间积分指标、时间平方乘绝对偏差积分指标及时间平方乘偏差平方积分指标在内的多项积分指标的相关信息。其中，所述相关信息包括各指标对应的数据分析公式或数据分析功能模块，及各指标在所述终端设备10中的预设指标数值区间。

在本实施例中，所述存储器11可以是，但不限于，随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除可编程只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。所述存储器11可用于存储程序，所述处理器12在接收到执行指令后，执行所述程序。

在本实施例中，所述处理器12可以是一种具有信号的处理能力的集成电路芯片。所述处理器12可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

在本实施例中，所述通信单元13用于通过网络建立所述终端设备10与其他电子设备之间的通信连接，并通过网络与所述其他电子设备进行数据交互。例如，所述终端设备10可通过所述通信单元13从其他电子设备处获取需要进行模拟量控制回路控制器参数整定的控制回路模型，或该控制回路模型在一定比例增益区间和/或积分时间区间内运行仿真时的扰动响应曲线图。

其中，所述控制回路模型在进行模型仿真时，需要针对某个控制对象模型进行仿真，整个仿真过程需要满足该控制对象模型的目标控制要求，则整个仿真过程完成后将得到所述控制回路模型针对该控制对象模型的与所述目标控制要求匹配的扰动响应曲线图，所述扰动响应曲线图用于表示所述控制回路模型在所述控制对象模型上运行仿真时的针对某些设定值的响应状况，所述设定值为运行仿真输出信号的具体数值，所述控制对象模型可以包括传感器模型、执行器模型、控制设备模型等，所述目标控制要求为所述控制对象模型对应控制对象在使用过程中应当达到的工况要求，所述扰动响应曲线图所对应的扰动方式可以作用在该控制回路模型对应控制回路中各指定位置上，所述扰动形式通常为设定值扰动，所述设定值扰动可以是，但不限于，阶跃扰动、钭坡扰动或钭坡阶跃组合扰动。

在本实施例中，所述显示单元14包括显示屏，所述显示单元14通过所述显示屏进行图像显示。其中，所述终端设备10可通过所述显示单元14对获取到的扰动响应曲线图进行显示，也可对经所述终端设备10绘制成型的各指标对应的三维等高线图进行显示，还可以对经所述终端设备10整定得到的与控制回路模型对应的用于表示该控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域的图像进行显示。其中所述三维登高线图是以预设控制器参数组合中的两项控制器参数及指标数值为三维坐标轴绘制出的等高线图像。

在本实施例中，所述终端设备10通过所述模拟量控制回路控制器参数整定装置100对控制回路进行整定准确性高且应用范围广的控制器参数整定，通过对控制回路的全局最优控制器参数进行区域圈定，得到该控制回路的全局最优控制器参数的具体分布情况，从而基于圈定出的参数区域提高控制回路的稳定性、快速性、可靠性及鲁棒性。

可以理解的是，图1所示的结构仅为终端设备10的一种结构示意图，所述终端设备10还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

请参照图2，是本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定方法的流程示意图之一。在本发明实施例中，所述模拟量控制回路控制器参数整定方法应用于上述的终端设备10，下面对图2所示的模拟量控制回路控制器参数整定方法的具体流程和步骤进行详细阐述。

步骤S210，获取控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的扰动响应曲线图阵列。

在本实施例中，所述控制回路模型为与真实控制回路相互匹配的仿真模型，所述控制对象模型为所述真实控制回路需要控制的对象的模型，所述目标控制要求为所述控制对象模型所对应的真实控制对象在使用过程中的工况要求，所述控制回路模型的物理特征及运行环境特征均与对应的真实控制回路匹配，所述控制对象模型的物理特征及运行环境特征均与对应的真实控制对象，电子设备可通过基于所述控制回路模型在所述控制对象模型上进行仿真的方式了解到对应的真实控制回路在控制真实控制对象的实际运行过程中的工作状况。其中，所述真实控制回路可以是单独的控制回路，也可以是由多个控制回路组成的控制系统中的某个控制回路。其中，所述预设控制器参数组合为从所有控制器参数类型中选取两种控制器参数进行二维表示的参数组合，所述预设控制器参数组合中的每项控制器参数各自对应有一个预设参数范围，所述预设控制器参数组合中每项控制器参数所对应的预设参数范围需要足够大，能够确保对应参数类型的最优控制器参数一定在这个范围内。

在本实施例的一种实施方式中，所述终端设备10的存储器11并未存储有需要进行控制器参数整定的控制回路模型、控制对象模型及该控制对象模型的目标控制要求，所述终端设备10可通过通信单元13从其他电子设备处获取到该控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内于控制对象模型上按照目标控制要求运行仿真时对应输出的扰动响应曲线图阵列。其中，所述扰动响应曲线图用于表示所述控制回路模型控制所述控制对象模型运行仿真时与所述目标控制要求对应的设定值输出响应状况。

在本实施例的另一种实施方式中，所述终端设备10的存储器11内存储有需要进行控制器参数整定的控制回路模型、控制对象模型及该控制对象模型的目标控制要求，所述终端设备10可基于所述控制回路模型在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内于控制对象模型上按照目标控制要求进行模型仿真，得到所述控制回路模型在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的扰动响应曲线图阵列，从而通过模型仿真方式用大规模的不涉及现场安全性的数值实验来替代大多数昂贵费时有安全性隐患的现场调试试错试验。

在本实施例中，假定所述预设控制器参数组合以比例增益及积分时间为主要二维表示，下面以比例增益及积分时间为例对本发明的具体实施过程进行描述，但可以理解的是，本发明中的预设控制器参数组合并不局限于以比例增益及积分时间进行二维表示，还可以是以比例增益及微分时间进行二维表示，还可以是以其他任意两项类型的控制器参数进行二维表示。当所述预设控制器参数组合以比例增益及积分时间为主要二维表示时，所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围包括预设比例增益区间及预设积分时间区间。

其中，整个模型仿真可按照网格法进行遍历执行，所述网格法即为于预设比例增益区间及预设积分时间区间内按照预设的比例增益间隔及积分时间间隔进行仿真，所述预设比例增益区间可以是0.02～30，也可以是0.055～40；所述预设积分时间区间可以是2～400秒，也可以是40～5000秒。所述终端设备10可采用比例增益间隔为0.1，且积分时间间隔为10秒的方式在所述预设比例增益区间及所述预设积分时间区间内对所述控制回路模型进行仿真，也可采用比例增益间隔为0.2，且积分时间间隔为50秒的方式在所述预设比例增益区间及所述预设积分时间区间内对所述控制回路模型进行仿真。具体的预设比例增益区间、预设积分时间区间、比例增益间隔及积分时间间隔可根据实际需求进行不同的配置。对于大于三项控制器参数的情况，一般应用所述整个模型仿真可按照足够大样本的平均分布的蒙特卡洛随机取样组合法进行仿真，所述整个模型仿真也可通过蒙特卡洛随机取样组合法预选再结合网格法进行分组迭代仿真。

步骤S220，对获取到的每个扰动响应曲线图进行数据分析，得到所述控制回路模型对应的品质指标在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的指标数据阵列。

在本实施例中，所述品质指标包括多项时域指标及多项积分指标，所述终端设备10在获取到所述控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的扰动响应曲线图阵列后，将针对每项时域指标及每项积分指标对每张扰动响应曲线图进行数据分析，得到每项时域指标及每项积分指标各自在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的指标数据阵列，其中所述指标数据阵列可按照数据矩阵、数据集合或数据列表的形式存在。

步骤S230，根据所述品质指标的指标数据阵列绘制出各项时域指标及各项积分指标各自对应的三维等高线图。

在本实施例中，所述品质指标的指标数据阵列包括各项时域指标及各项积分指标各自的指标数据阵列，所述终端设备10将根据每项指标的指标数据阵列、所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的数据信息，绘制出每项指标在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的三维等高线图，不同品质指标的指标数据所对应的数据间隔可以相同也可以不同，例如衰减率指标(以ψ表示)对应的数据间隔可以是0.05，也可以是0.1，衰减率指标对应的数据间隔与其他品质指标的数据间隔可以相同，也可以不同。其中，当所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围以预设比例增益区间及预设积分时间区间为主要二维表示时，绘制出的所述三维等高线图可以是以比例增益为X轴、以积分时间为Y轴、以指标数值为Z轴的等高线图，也可以是以积分时间为X轴、以比例增益为Y轴、以指标数值为Z轴的等高线图，具体的绘图方式可根据实际需求进行不同的配置。

步骤S240，将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域。

在本实施例中，当所述预设控制器参数组合以比例增益及积分时间为主要二维表示时，所述终端设备10通过将绘制出的表示所述控制回路模型在预设比例增益区间及预设积分时间区间内的品质指标的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到公共存在于所述各三维等高线图上的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域，以实现对所述控制回路模型的控制器参数整定。其中所述目标参数区域表示所述控制回路模型对应的真实控制回路按照所述目标参数区域对应的比例增益及积分时间运行时，能够同时满足参与图像迭加求交处理的各三维等高线图中与该目标参数区域对应的品质指标数值，以确保所述真实控制回路处于最优工作性能状态。

其中，参与到本次控制器参数整定过程中的各指标对应的三维等高线图均是基于控制对象模型的同一目标控制要求实现的，本次控制器参数整定过程对应得到的目标参数区域与所述目标控制要求相互匹配。若某个控制对象模型对应的目标控制要求存在多个目标控制要求，则所述终端设备10可通过将多个目标控制要求各自对应的目标参数区域进行迭加求交处理，得到同时满足多个所述目标控制要求的最优目标参数区域。

在本实施例的一种实施方式中，所述终端设备10通过将得到的所有时域指标的三维等高线图及所有积分指标的三维等高线图进行图像迭加求交处理的方式，得到所述目标参数区域，从而实现对所述控制回路模型的控制器参数整定。

在本实施例的另一种实施方式中，所述终端设备10通过从得到的所有时域指标的三维等高线图及所有积分指标的三维等高线图中筛选出部分指标对应的三维登高线图进行图像迭加求交处理的方式，降低所述终端设备10的数据处理量，提高控制器参数整定的整体效率，从而实现对控制器参数的快速整定。

可选地，请参照图3，是图2中步骤S240包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述步骤S240可以包括子步骤S241及子步骤S242。

子步骤S241，按照预设迭加参与指标从绘制的所有三维等高线图中，筛选出与所述预设迭加参与指标匹配的多个目标三维等高线图。

在本实施例中，所述终端设备10的存储器11中预先存储有参与到图像迭加求交处理的品质指标的相关信息即所述预设迭加参与指标的相关信息。所述终端设备10可根据所述迭加参与指标从绘制的所有三维等高线图中，筛选出与所述预设迭加参与指标匹配的多个目标三维等高线图。其中，所述迭加参与指标可以是衰减率指标、超调量指标及调整时间指标的组合，也可以是衰减率指标、超调量指标及任意一项积分指标的组合，还可以是所有时域指标的组合，具体的所述预设迭加参与指标可根据实际需求进行不同的配置。

子步骤S242，将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域。

在本实施例的一种实施方式中，所述终端设备10在获取到需要参与到图像迭加求交处理过程的所有目标三维等高线图后，直接将所述所有目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到所述所有目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域。

在本实施例的另一种实施方式中，为提高控制器参数整定的准确性及整定效率，所述终端设备10将通过从每个目标三维等高线图中提取出该目标三维等高线图对应的有效指标数值的有效等高线区域，并基于提取出的每个目标三维等高线图的有效等高线区域进行图像迭加处理，得到所述所有目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域。

其中，所述将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域的步骤包括：

从获取到的每个目标三维等高线图中提取出指标数值位于与该目标三维等高线图匹配的预设指标数值区间的目标区域图像；

将各目标三维等高线图的目标区域图像进行迭加求交集处理，得到对应的所述目标参数区域。

在本实施例中，所述终端设备10中存储有每项时域指标及每项积分指标各自对应的预设指标数值区间，所述预设指标数值区间用于表示对应指标在所述控制回路模型对应的真实控制回路处于最优性能工作状态时的有效指标数值区间。例如，衰减率指标对应的预设指标数值区间可以是0.7～0.95，超调量指标对应的预设指标数值区间可以是5％～30％。

所述终端设备10可根据每项时域指标及每项积分指标各自对应的预设指标数值区间从每个目标三维等高线图中，提取出该目标三维等高线图中指标数值位于与该目标三维等高线图对应的预设指标数值区间的目标区域图像。请参照图4，是本发明实施例提供的目标参数区域的一种示意图，其中该目标参数区域是由衰减率指标(以ψ表示)、超调量指标(以σ表示，其中β即为超调量指标σ的超调指数)及时间平方乘绝对偏差积分指标(以ISTAE表示)各自在以积分时间为X轴、以比例增益为Y轴、以指标数值为Z轴的坐标中所对应的三维等高线图相互迭加求交得到的，并以Best区域作为所述目标参数区域的具体位置进行显示，例如图4中目标参数区域是ψ在0.95±0.5内且σ≤1.1时的比例增益数值为0.8～0.95、积分时间数值为700～850及微分时间为0.2倍积分时间的区域，图4中不稳定区域为稳定性不佳的发散振荡区间，预设控制器参数组合在此区间内的相关参数数值之间的组合禁止使用。其中，各指标对应的三维等高线图中可通过用不同颜色的色块表示不同数值区间内的指标数据分布情况，而各指标对应的三维等高线图进行迭加求交集处理后，可采用与其他颜色不同的色块表示所述目标参数区域。

请参照图5，是本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定方法的流程示意图之二。在本发明实施例中，所述终端设备10中预存有所述控制回路模型、所述控制对象模型及与所述控制对象模型匹配的目标控制要求，在所述步骤S210之前，所述模拟量控制回路控制器参数整定方法还可以包括步骤S209。

步骤S209，对控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的控制器参数进行配置，并控制所述控制回路模型基于配置后的控制器参数按照目标控制要求在控制对象模型上进行模型仿真。

在本实施例中，所述终端设备10通过对所述控制回路模型在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的控制器参数进行调整，并控制所述控制回路模型基于调整后的控制器参数在控制对象模型上按照目标控制要求进行模型仿真的方式，得到所述控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的所有扰动响应曲线图。

请参照图6，是本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定方法的流程示意图之三。在本发明实施例中，在所述步骤S209之前，所述模拟量控制回路控制器参数整定方法还可以包括步骤S208。

步骤S208，对预设控制器参数组合所对应的预设参数范围、预设迭加参与指标、每项时域指标对应的预设指标数值区间及每项积分指标对应的预设指标数值区间进行配置。

在本实施例中，无论所述终端设备10是否进行所述控制回路模型的模型仿真，所述终端设备10都将在使用人员的操控下对所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围、预设迭加参与指标、每项时域指标对应的预设指标数值区间及每项积分指标对应的预设指标数值区间进行配置，以确保所述终端设备10能够正常地绘制出所述控制回路模型对应的每项时域指标及每项积分指标各自在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的三维等高线图，并得到所述控制回路模型在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的目标参数区域，从而实现对所述控制回路模型的控制器参数整定。

在本实施例中，所述终端设备10的使用人员在得到所述控制回路模型对应的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域后，可简单地对其进行验证后使用到对所述控制对象模型对应的控制控制对象进行控制的真实控制回路上。

请参照图7，是本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定装置100的方框示意图之一。在本发明实施例中，所述模拟量控制回路控制器参数整定装置100应用于上述的终端设备10，所述模拟量控制回路控制器参数整定装置100包括数据获取模块110、数据分析模块120、图像绘制模块130及图像迭加模块140。

所述数据获取模块110，用于获取控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的扰动响应曲线图阵列。

在本实施例中，所述数据获取模块110可以执行图2中所示的步骤S210，具体的执行过程可参照上文中对步骤S210的详细描述。

所述数据分析模块120，用于对获取到的每个扰动响应曲线图进行数据分析，得到所述控制回路模型对应的品质指标在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的指标数据阵列，其中所述品质指标包括多项时域指标及多项积分指标。

在本实施例中，所述数据分析模块120可以执行图2中所示的步骤S220，具体的执行过程可参照上文中对步骤S220的详细描述。

所述图像绘制模块130，用于根据所述品质指标的指标数据阵列绘制出各项时域指标及各项积分指标各自对应的三维等高线图。

在本实施例中，所述图像绘制模块130可以执行图2中所示的步骤S230，具体的执行过程可参照上文中对步骤S230的详细描述。

所述图像迭加模块140，用于将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域，以实现对所述控制回路模型的控制器参数整定。

在本实施例中，所述图像迭加模块140可以执行图2中所示的步骤S240，具体的执行过程可参照上文中对步骤S240的详细描述。

可选地，请参照图8，是图7中图像迭加模块140的方框示意图。在本实施例中，所述图像迭加模块140可以包括图像筛选子模块141及迭加处理子模块142。

所述图像筛选子模块141，用于按照预设迭加参与指标从绘制的所有三维等高线图中，筛选出与所述预设迭加参与指标匹配的多个目标三维等高线图。

在本实施例中，所述图像筛选子模块141可以执行图3中所示的子步骤S241，具体的执行过程可参照上文中对子步骤S241的详细描述。

所述迭加处理子模块142，用于将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域。

在本实施例中，所述终端设备10中存储有每项时域指标及每项积分指标各自对应的预设指标数值区间，所述迭加处理子模块142将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域的方式可以包括：

从获取到的每个目标三维等高线图中提取出指标数值位于与该目标三维等高线图匹配的预设指标数值区间的目标区域图像；

将各目标三维等高线图的目标区域图像进行迭加求交集处理，得到对应的所述目标参数区域。

其中，所述迭加处理子模块142可以执行图3中所示的子步骤S242，具体的执行过程可参照上文中对子步骤S242的详细描述。

请参照图9，是本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定装置100的方框示意图之二。在本发明实施例中，所述终端设备10中预存有所述控制回路模型、所述控制对象模型及与所述控制对象模型匹配的目标控制要求，所述模拟量控制回路控制器参数整定装置100还可以包括模型仿真模块150。

所述模型仿真模块150，用于对控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的控制器参数进行配置，并控制所述控制回路模型基于配置后的控制器参数按照所述目标控制要求在所述控制对象模型上进行模型仿真。

在本实施例中，所述模型仿真模块150可以执行图5中所示的步骤S209，具体的执行过程可参照上文中对步骤S209的详细描述。

请参照图10，是本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定装置100的方框示意图之三。在本发明实施例中，所述模拟量控制回路控制器参数整定装置100还可以包括参数配置模块160。

所述参数配置模块160，用于对预设控制器参数组合所对应的预设参数范围、预设迭加参与指标、每项时域指标对应的预设指标数值区间及每项积分指标对应的预设指标数值区间进行配置。

在本实施例中，所述参数配置模块160可以执行图6中所示的步骤S208，具体的执行过程可参照上文中对步骤S208的详细描述。

综上所述，在本发明实施例提供的模拟量控制回路控制器参数整定方法及装置中，所述模拟量控制回路控制器参数整定方法的整定准确性高，应用范围广，能够对模拟量控制回路的全局最优控制器参数进行区域圈定，得到该模拟量控制回路的全局最优控制器参数的具体分布情况，用大规模的不涉及现场安全性的数值实验来替代大多数昂贵费时有安全性隐患的现场调试试错试验，从而基于圈定出的参数区域提高控制回路的稳定性、快速性、可靠性及鲁棒性，并提高控制策略确定性及可追踪性。首先，所述方法获取控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的扰动响应曲线图阵列。接着，所述方法对获取到的每个扰动响应曲线图进行数据分析，得到所述控制回路模型对应的品质指标在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的指标数据阵列，其中所述品质指标包括多项时域指标及多项积分指标。然后，所述方法根据所述品质指标的指标数据阵列绘制出各项时域指标及各项积分指标各自对应的三维等高线图。最后，所述方法将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域，从而通过对控制回路的全局最优控制器参数进行区域圈定，得到准确性高的与该控制回路模型对应的全局最优控制器参数的具体分布情况，以便于通过圈定出的参数区域提高控制回路的稳定性、快速性、可靠性及鲁棒性，并提高控制策略确定性及可追踪性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种模拟量控制回路控制器参数整定方法，其特征在于，应用于终端设备，所述方法包括：

获取控制回路模型基于网格法在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内遍历地按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的扰动响应曲线图阵列，其中所述控制回路模型为与真实控制回路相互匹配的仿真模型，所述控制对象模型为所述真实控制回路需要控制的对象的模型，所述目标控制要求为所述控制对象模型所对应的真实控制对象在使用过程中的工况要求，所述预设控制器参数组合为从比例增益、微分时间及积分时间中选取的两种控制器参数的参数组合，所述预设控制器参数组合中的每项控制器参数各自对应有一个预设参数范围，所述扰动响应曲线图用于表示所述控制回路模型在所述控制对象模型上运行仿真时针对运行仿真输出信号的设定值的响应状况；

对获取到的每个扰动响应曲线图进行数据分析，得到所述控制回路模型对应的品质指标在所述预设控制器参数组合的预设参数范围内的指标数据阵列，其中所述品质指标包括多项时域指标及多项积分指标；

根据所述品质指标的指标数据阵列绘制出各项时域指标及各项积分指标各自对应的三维等高线图；

将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域，以实现对所述控制回路模型的控制器参数整定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域的步骤包括：

按照预设迭加参与指标从绘制的所有三维等高线图中，筛选出与所述预设迭加参与指标匹配的多个目标三维等高线图；

将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述终端设备中存储有每项时域指标及每项积分指标各自对应的预设指标数值区间，所述将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域的步骤包括：

从获取到的每个目标三维等高线图中提取出指标数值位于与该目标三维等高线图匹配的预设指标数值区间的目标区域图像；

将各目标三维等高线图的目标区域图像进行迭加求交集处理，得到对应的所述目标参数区域。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述终端设备中预存有所述控制回路模型、所述控制对象模型及与所述控制对象模型匹配的目标控制要求，所述方法还包括：

对控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的控制器参数进行配置，并控制所述控制回路模型基于配置后的控制器参数按照所述目标控制要求在所述控制对象模型上进行模型仿真。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对预设控制器参数组合所对应的预设参数范围、预设迭加参与指标、每项时域指标对应的预设指标数值区间及每项积分指标对应的预设指标数值区间进行配置。

6.一种模拟量控制回路控制器参数整定装置，其特征在于，应用于终端设备，所述装置包括：

数据获取模块，用于获取控制回路模型基于网格法在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内遍历地按照目标控制要求于控制对象模型上运行仿真时对应的扰动响应曲线图阵列，其中所述控制回路模型为与真实控制回路相互匹配的仿真模型，所述控制对象模型为所述真实控制回路需要控制的对象的模型，所述目标控制要求为所述控制对象模型所对应的真实控制对象在使用过程中的工况要求，所述预设控制器参数组合为从比例增益、微分时间及积分时间中选取的两种控制器参数的参数组合，所述预设控制器参数组合中的每项控制器参数各自对应有一个预设参数范围，所述扰动响应曲线图用于表示所述控制回路模型在所述控制对象模型上运行仿真时针对运行仿真输出信号的设定值的响应状况；

数据分析模块，用于对获取到的每个扰动响应曲线图进行数据分析，得到所述控制回路模型对应的品质指标在所述预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的指标数据阵列，其中所述品质指标包括多项时域指标及多项积分指标；

图像绘制模块，用于根据所述品质指标的指标数据阵列绘制出各项时域指标及各项积分指标各自对应的三维等高线图；

图像迭加模块，用于将绘制出的各三维等高线图进行图像迭加求交处理，得到各三维等高线图之间满足所述目标控制要求的公共的用于表示所述控制回路模型的全局最优控制器参数分布状况的目标参数区域，以实现对所述控制回路模型的控制器参数整定。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述图像迭加模块包括：

图像筛选子模块，用于按照预设迭加参与指标从绘制的所有三维等高线图中，筛选出与所述预设迭加参与指标匹配的多个目标三维等高线图；

迭加处理子模块，用于将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述终端设备中存储有每项时域指标及每项积分指标各自对应的预设指标数值区间，所述迭加处理子模块将筛选出的多个所述目标三维等高线图进行图像迭加处理，得到多个所述目标三维等高线图上存在的公共的所述目标参数区域的方式包括：

从获取到的每个目标三维等高线图中提取出指标数值位于与该目标三维等高线图匹配的预设指标数值区间的目标区域图像；

将各目标三维等高线图的目标区域图像进行迭加求交集处理，得到对应的所述目标参数区域。

9.根据权利要求6-8中任意一项所述的装置，其特征在于，所述终端设备中预存有所述控制回路模型、所述控制对象模型及与所述控制对象模型匹配的目标控制要求，所述装置还包括：

模型仿真模块，用于对控制回路模型在预设控制器参数组合所对应的预设参数范围内的控制器参数进行配置，并控制所述控制回路模型基于配置后的控制器参数按照所述目标控制要求在所述控制对象模型上进行模型仿真。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

参数配置模块，用于对预设控制器参数组合所对应的预设参数范围、预设迭加参与指标、每项时域指标对应的预设指标数值区间及每项积分指标对应的预设指标数值区间进行配置。

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