CN109696826B - 一种改进数字pid控制器及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进数字PID控制器及其构建方法。本发明在传统PID控制器的基础上，采用双闭环的方式，能够在保证系统稳定精度和稳定度的基础上，有效提高系统的跟踪精度，降低系统的超调量。具有控制精度高，系统稳定性好，系统超调量低等特点，且不增加调试参数，调试过程简洁，可靠。

Description

一种改进数字PID控制器及其构建方法
技术领域
本发明涉及PID控制技术领域，具体涉及一种改进数字PID控制器及其构建方法。
背景技术
随着制导技术的不断发展，对导弹的命中率要求越来越高，对导引头的制导精度提出了更高的要求，要求伺服平台能够提高跟踪精度，降低超调，从而实现精确打击目标的目的。
数字PID控制器具有传输稳定、抗干扰能力强、信噪比稳定、非线性失真小等特点，被广泛应用于伺服控制系统中，然而，常规PID能够对系统实现粗调，不能实现系统精准控制，需要对常规数字PID控制器进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种改进数字PID控制器，能够在不增加调试参数，不牺牲系统控制精度和系统稳定度的基础上，提高系统的跟踪精度，降低系统的超调量。
本发明的改进数字PID控制器，首先对被控对象进行无反馈的PID控制，然后在PID控制回路中的积分和微分环节中增加一个比例和积分环节，并对PID控制回路中的比例积分环节增加一路由比例和积分环节组成的负反馈、对PID控制回路增加一路由比例和积分环节组成的负反馈；其中，两路负反馈的对应的比例和积分环节的参数相同。
本发明还提供了一种上述控制器的构建方法，包括如下步骤：
步骤1，针对被控系统，采用无反馈PID控制算法对被控系统进行控制；调试PID控制参数，使得控制系统稳定；
步骤2，保持步骤1的PID参数不变，在PID的输入端增加由比例和积分环节组成的负反馈，形成单闭环PID控制；调试负反馈回路上的比例和积分参数，优化系统性能；
步骤3，保持步骤2的单闭环PID控制参数不变，在积分和微分环节之间添加一个比例和积分环节，形成改进单环PID控制；其中，所述添加的比例和积分环节的参数和步骤2负反馈回路上的比例和积分环节的参数一致；调试改进单环PID控制中负反馈回路上的比例和积分参数，优化系统性能；
步骤4，保持步骤3的改进单环PID控制参数不变，在系统输入的比例和积分环节上增加一路由比例和积分环节组成的负反馈，形成改进双闭环PID控制；其中，增加的负反馈的比例和积分的参数与步骤3负反馈回来上的比例和积分环节的参数一致。
有益效果：
本发明在传统PID控制器的基础上，采用双闭环的方式，能够在保证系统稳定精度和稳定度的基础上，有效提高系统的跟踪精度，降低系统的超调量。具有控制精度高，系统稳定性好，系统超调量低等特点，且不增加调试参数，调试过程简洁，可靠。
附图说明
图1为常规PID控制算法原理框图。
图2为单闭环PID控制算法原理框图。
图3为改进单闭环PID控制算法原理框图。
图4为改进双闭环PID控制算法原理框图。
图5为一种改进双闭环PID控制算法原理框图。
图6为常规PID控制算法。
图7为常规PID控制算法仿真框图。
图8为常规PID控制算法阶越响应曲线(超调量为1.43，响应时间为0.12s)。
图9为常规PID控制算法幅频特性曲线(带宽28.3Hz,相角裕度57.3°，幅值裕度8.06，谐振峰值1.48)。
图10为常规PID控制算法跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.27)。
图11为单闭环控制算法。
图12为单闭环控制算法仿真框图。
图13为单环PID控制算法阶越响应曲线(超调量为1.4，响应时间为0.112s)。
图14为单环PID控制算法幅频特性曲线(带宽31.9Hz,相角裕度81.2°，幅值裕度9.9，谐振峰值1.31)。
图15为单环PID控制算法跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.25)。
图16为单环改进PID控制算法。
图17为单环改进PID控制算法仿真框图。
图18为单环改进PID控制算法阶越响应曲线(超调量为1.12，响应时间为0.104s)。
图19为单环改进PID控制算法幅频特性曲线(带宽29.2Hz,相角裕度49°，幅值裕度8.76，谐振峰值1.13)。
图20为单环改进PID控制算法跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.22)。
图21为改进双闭环PID控制算法。
图22为改进双闭环PID控制算法仿真框图。
图23为改进双闭环PID控制算法阶越响应曲线(系统最大超调量为1.13，响应时间为0.114s)。
图24为改进双闭环PID控制算法波特图(带宽32.9，谐振峰值1.29，幅值裕度8.2，相角裕度41.9)。
图25为改进双闭环PID控制算法跟踪误差曲线(跟踪误差幅值为0.201)
图26为改进双闭环PID控制算法跟踪回路仿真框图。
图27为改进双闭环PID控制算法跟踪精度(1个像素)。
图28为改进双闭环PID控制算法视线角速度输出(稳定后输出为0.88，1.07，输出精度为8.5％)。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种改进数字PID控制器及其构建方法，为一种改进双闭环全数字PID控制器，可应用于搜索成像系统，能够在保证伺服控制系统控制精度和稳定度的前提下，有效提高系统的跟踪精度，降低系统的超调量。
本发明采用如图5所示的双闭环反馈回路实现系统的PID控制。首先针对被控系统，采用无反馈PID控制算法对被控系统进行控制；然后在PID控制回路中的积分和微分环节中增加一个比例和积分环节，并对PID控制回路中的比例积分环节增加一路由比例和积分环节组成的负反馈、对PID控制回路增加一路由比例和积分环节组成的负反馈；其中，两路负反馈的对应的比例和积分环节的参数相同。
针对某搜索成像系统的进行仿真，通过矢量解耦，简化后得到的直流伺服系统电机开环传递函数为：
Figure BDA0001899765970000041
速度传感器开环传递函数为：
Figure BDA0001899765970000051
改进双闭环全数字PID控制算法构建过程如下：
a)常规PID控制算法
在控制系统中采用无反馈的常规PID控制算法，如图1所示，通过优化PID参数，调试系统的稳定指标，调试参数较少，对系统稳定指标进行粗调。
控制算法如图6所示，仿真框图如图7所示，阶越响应曲线如图8所示，波特图如图9所示，跟踪误差仿真曲线如图10所示。
从仿真结果可以看出：系统的超调量较高(阶越响应为1.43)，响应时间较长(阶越响应系统稳定时间为0.12s)，跟踪误差不好(0.27)。系统稳定性良好，能够满足精度要求不高的系统。
b)单闭环PID控制算法
保持a)中的PID参数不变，在输入端引入反馈环节，该反馈回路上包括一个比例环节和一个积分环节，通过负反馈原理，对系统性能指标进行优化，如图2所示。对系统实现优化误差的精确控制。
在常规PID控制算法基础上增加闭环上的比例和积分控制，实现单环PID控制；控制算法如图11所示，仿真框图如图12所示，阶越响应曲线如图13所示，波特图如图14所示，跟踪误差仿真曲线如图15所示。
从仿真结果可以看出：系统的超调量较高(阶越响应为1.4)，响应时间较长(阶越响应系统稳定时间为0.997s)，跟踪误差不好(0.25)。系统稳定性良好，能够满足精度要求不高的系统。
c)改进单环PID控制算法
在单环PID控制器的基础上进行改进，为了对系统性能指标进行微调，保持b)的单闭环PID控制参数不变，在积分和微分环节之间添加一个比例和积分环节，形成改进单环PID控制，对系统实现进一步稳定控制，如图3所示。
控制算法如图16所示，仿真框图如图17所示，阶越响应曲线如图18所示，波特图如图19所示，跟踪误差仿真曲线如图20所示。
从仿真结果可以看出：系统的超调量较高(阶越响应为1.12)，响应时间较长(阶越响应系统稳定时间为0.104s)，跟踪误差较好(0.22)。系统稳定性良好，能够满足精度较高的系统。
d)改进双闭环PID控制算法
在不增加调节参数个数的前提下，引入双环PI控制器，通过优化双环的误差，实现系统的精准控制。
如图4所示，保持步骤3的改进单环PID控制参数不变，在系统输入的比例和积分环节上增加一路由比例和积分环节组成的负反馈，形成改进双闭环PID控制；其中，增加的负反馈的比例和积分的参数与步骤3负反馈回来上的比例和积分环节的参数一致。
控制算法如图21所示，仿真框图如图22所示，阶越响应曲线如图23所示，波特图如图24所示，跟踪误差仿真曲线如图25所示。
从仿真结果可以看出：系统的超调量较高(阶越响应为1.13)，响应时间较长(阶越响应系统稳定时间为0.114s)，跟踪误差较好(0.201)。系统稳定性良好，能够满足高精度的系统。
跟踪回路仿真框图如图26所示，跟踪精度如图27所示，从图27可以看出系统为1个像素，视线角速度输出如图28所示。从图28可以看出稳定后输出为0.88，1.07，输出精度为8.5％。由仿真可以看出，本发明提出的改进双闭环全数字PID控制算法能够在保证搜索成像系统的稳定精度和稳定度的同时，能够提高系统跟踪精度，降低系统的超调量。
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)

1.一种改进数字PID控制器的构建方法，其特征在于，
所述改进数字PID控制器首先对被控对象进行无反馈的PID控制，然后在PID控制回路中的积分和微分环节中增加一个比例和积分环节，并对PID控制回路中的比例积分环节增加一路由比例和积分环节组成的负反馈、对PID控制回路增加一路由比例和积分环节组成的负反馈；其中，两路负反馈的对应的比例和积分环节的参数相同；
所述构建方法包括如下步骤：
步骤1，针对被控系统，采用无反馈PID控制算法对被控系统进行控制；调试PID控制参数，使得控制系统稳定；
步骤2，保持步骤1的PID参数不变，在PID的输入端增加由比例和积分环节组成的负反馈，形成单闭环PID控制；调试负反馈回路上的比例和积分参数，优化系统性能；
步骤3，保持步骤2的单闭环PID控制参数不变，在积分和微分环节之间添加一个比例和积分环节，形成改进单环PID控制；其中，所述添加的比例和积分环节的参数和步骤2负反馈回路上的比例和积分环节的参数一致；调试改进单环PID控制中负反馈回路上的比例和积分参数，优化系统性能；
步骤4，保持步骤3的改进单环PID控制参数不变，在系统输入的比例和积分环节上增加一路由比例和积分环节组成的负反馈，形成改进双闭环PID控制；其中，增加的负反馈的比例和积分的参数与步骤3负反馈回来上的比例和积分环节的参数一致。
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