CN110703592B - 一种pid调节方法及pid调节器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PID调节方法及PID调节器,本发明一种PID调节算法通过比例、积分、微分三个环节的控制对执行机构的进行参数调节,调节后的参数通过传感器的反馈来重新调整执行机构的参数,最终达到设定的传感器的设定参数值的PID调节算法,本发明PID参数调节十分方便简单,可以大大的节省调整参数的时间,调整的时候不会出现稳态误差的问题,系统输出的响应速度变快,调节的精度也很高。
Description
技术领域
本发明属于PID调节技术领域,具体涉及一种PID调节方法及PID调节器。
背景技术
PID控制即比例-积分-微分控制,它是建立在经典控制理论基础上的一种控制策略,在工业过程控制中应用最广泛,历史最悠久,生命力最强的控制方式,在目前的工业生产中,90%以上的控制系统都为PID控制系统。它采用了基于数学模型的方法,由于算法简单、鲁棒性好和可靠性高、控制效果良好,因此被广泛应用于工业控制过程,对于传统PID控制系统,在把其投入运行之前,必须先整定好三个参数:比例系数、积分系数、微分系数,以便得到最佳控制效果,如果控制系统参数整定不好,即使控制系统本身很先进,其控制效果也会很差。
但是现有的PID调节方法中比例环节、积分环节、微分环节的参数难以调整,系统输出响应慢、容易超调,存在稳态误差。
故此,现有的PID调节方法及PID调节器有待于进一步完善。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处,提供一种通过比例、积分、微分三个环节的控制对执行机构的参数调节,调节后的参数通过传感器的反馈来重新调整执行机构的参数,最终达到设定的传感器的设定参数值的PID调节方法,本发明PID参数调节十分方便简单,可以大大的节省调整参数的时间,调整的时候不会出现稳态误差的问题,系统输出的响应速度变快,调节的精度也很高。
本发明另一个目的提供一种采用上述PID调节方法的PID调节器
就PID调节方法而言,为了达到上述目的,本发明采用以下方案:
一种PID调节方法,应用于PID执行机构中,其特征在于:用于依据PID增量式算法公式计算得到当前的输出值,包括:
A、通过比例环节控制对执行机构的参数调节,通过比例调节常数Kp调节输出参数U(t)的响应速度,比例环节调节参数=kp*err(t),其中Kp为比例调节常数,err(t) 为当前的误差值;
B、通过积分环节控制对执行机构的参数调节,通过加上上一次的输出值U(t-1)与kp*err(t)相加来对误差进行累计;
C、通过微分环节控制对执行机构的参数调节,通过微分调节常数Kd调节反馈的当前值pv的变化率,通过sp/pv或者pv/sp的比值调节积分环节,微分环节调节参数=kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1))或者kd*( sp/pv))*(err(t)-err(t-1)),其中err(t-1)为上一次的误差值;
D、将调节后的比例环节参数、积分环节参数、微分环节参数通过传感器的反馈来重新调整执行机构的参数,最终达到传感器的设定参数值,获得一个稳定的动态平衡系统。
作为本发明PID调节方法的另一种改进,依据PID增量式算法公式计算得到当前的输出值,包括:当pv<sp时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)),当sp<pv时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1)),计算当前的输出值,其中kp,sp,pv不等于0。
一种PID调节方法,应用于PID执行机构中,其特征在于:用于依据PID位置式算法公式计算得到当前的输出值,包括:
A、通过比例环节控制对执行机构的参数调节,通过比例调节常数Kp调节输出参数U(t)的响应速度,比例环节调节参数=kp*err(t),其中Kp为比例调节常数,err(t) 为当前的误差值;
B、通过微分环节控制对执行机构的参数调节,通过微分调节常数Kd调节反馈的当前值pv的变化率,微分环节调节参数=kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1))或者kd*( sp/pv))*(err(t)-err(t-1)),其中err(t-1)为上一次的误差值;
C、将调节后的比例环节参数、积分环节参数、微分环节参数通过传感器的反馈来重新调整执行机构的参数,最终达到传感器的设定参数值,获得一个稳定的动态平衡系统。
作为本发明PID调节方法的另一种改进,依据PID位置式算法公式计算得到当前的输出值,包括:当pv<sp时,U(t)= kp*err(t)+kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)),当sp<pv时,U(t)= kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1)),计算当前的输出值,其中kp,sp,pv不等于0。
就PID调节器的方法而言,为了达到上述目的,本发明采用以下方案:
一种PID调节器,用于依据如上所述PID增量式算法公式计算得到当前的输出值,包括:
第一采集模块,用于获取预设的设定值sp
第二采集模块,用于获取反馈的当前值pv;
第一计算模块,用于依据采集得到的当前值pv和设定值sp计算当前值pv与设定值sp之间当前的误差值err(t),其中err(t)=(sp-pv);依据公式kp*err(t)计算得到比例环节调整参数;
第二计算模块,用于依据计算公式kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1))或者kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1))计算微分环节调整参数;
第三计算模块,用于依据公式:当pv<sp时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)),当sp<pv时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1)),计算当前的输出值,其中kp,sp,pv不等于0;
第一调节模块,用于通过比例调节常数Kp调节输出参数U(t)的响应速度;
第二调节模块,通过上一次的的输出值U(t-1)与kp*err(t)相加来对误差进行累计;
第三调节模块,通过微分调节常数Kd调节反馈的当前值pv的变化率,在误差大的时候通过sp/pv或者pv/sp的比值抑制积分环节,在误差小的时候通过sp/pv或者pv/sp的比值加大积分环节。
综上所述,本发明相对于现有技术其有益效果是:
一、本发明算法相对现在使用的PID算法来说,在误差大的时候有更好的快速响应能力,在误差小的时候降低快速响应能力,能够更好的避免超调。
二、本发明算法相对现在使用的PID算法来说能够更加方便快捷的调节参数,省略了积分常数,极大的缩短了对PID参数的调节时间,增加了调节参数的友好性。
三、本发明算法可以实现很好的精度控制。
四、本发明算法避免了PID算法中的稳态误差的问题。
附图说明
图1为本发明的PID调节方法的示意图。
具体实施方式
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,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
实施例1
本发明一种PID调节方法,应用于PID执行机构中,用于依据PID增量式算法公式计算得到当前的输出值,包括:
A、通过比例环节控制对执行机构的参数调节,通过比例调节常数Kp调节输出参数U(t)的响应速度,比例环节调节参数=kp**err(t),其中Kp为比例调节常数,err(t) 为当前的误差值;
B、通过积分环节控制对执行机构的参数调节,通过加上上一次的输出值U(t-1)与kp*err(t)相加来对误差进行累计;
C、通过微分环节控制对执行机构的参数调节,通过微分调节常数Kd调节反馈的当前值pv的变化率,通过sp/pv或者pv/sp的比值调节积分环节,微分环节调节参数=kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)) 或者kd*( sp/pv))*(err(t)-err(t-1)),其中err(t-1)为上一次的误差值;
D、将调节后的比例环节参数、积分环节参数、微分环节参数通过传感器的反馈来重新调整执行机构的参数,最终达到传感器的设定参数值,获得一个稳定的动态平衡系统。
本发明依据PID增量式算法公式计算得到当前的输出值,包括:当pv<sp时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)),当sp<pv时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1)),计算当前的输出值,其中kp,sp,pv不等于0。
实施例2
一种PID调节方法,应用于PID执行机构中,用于依据PID位置式算法公式计算得到当前的输出值,包括:
A、通过比例环节控制对执行机构的参数调节,通过比例调节常数Kp调节输出参数U(t)的响应速度,比例环节调节参数=kp*err(t),其中Kp为比例调节常数,err(t) 为当前的误差值;
B、通过微分环节控制对执行机构的参数调节,通过微分调节常数Kd调节反馈的当前值pv的变化率,微分环节调节参数=kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)) 或者kd*( sp/pv))*(err(t)-err(t-1)),其中err(t-1)为上一次的误差值;
C、将调节后的比例环节参数、积分环节参数、微分环节参数通过传感器的反馈来重新调整执行机构的参数,最终达到传感器的设定参数值,获得一个稳定的动态平衡系统。
本发明依据PID位置式算法公式计算得到当前的输出值,包括:当pv<sp时:U(t)=kp*err(t)+kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)),当sp<pv时,U(t)= kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1)),计算当前的输出值,其中kp,sp,pv不等于0。
本发明增量式和位置式两者的区别主要在于位置式PID省去了积分环节,可以用于自带积分环节的执行器。如图1中所示,带有反馈调节的系统中,需要通过调节执行器的输出参数U(t)来调节,然后通过传感器pv值反馈是否和设定值sp是否一致,如果不一致,继续调整输出参数U(t),直到sp=pv为止。
增量型:当pv<sp时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1))
当sp<pv时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1))其中kp,sp,pv不等于0
位置型:当pv<sp时,U(t)= kp*err(t)+kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)),当sp<pv时,U(t)= kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1))其中kp,sp,pv不等于0
其中:
U(t):当前的输出值
U(t-1) :上一次的的输出值
Kp:比例调节常数
Kd:微分调节常数
pv:反馈的当前值
sp:设定值
err(t) :当前的误差值
err(t-1) :上一次的误差值
下面将对增量式的PID算法进行分析:
1.比例环节:kp*err(t),此公式作用在于缩小误差,通过比例调节常数Kp调节输出参数U(t)的响应速度,在误差小的时候降低快速响应能力。
2.积分环节:U(t-1),通过加上上一次的的输出值U(t-1)与kp*err(t)相加来对误差进行累计。
3.微分环节:如果只是通过U(t-1)+kp*err(t)这个比例积分环节进行调节的情况下进行调节,最终输出参数U(t)会出现来回震荡的情况,无法稳定的一个输出值,所以此时需要加入微分环节,此时通过加入kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1))或者kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1))此环节,通过微分调节常数Kd调节反馈的当前值pv的变化率,在误差大的时候通过sp/pv的比值抑制积分环节,在误差小的时候通过sp/pv的比值加大积分环节,最终达到理想的输出效果。
本发明算法通过调节Kp和kd的值来调节输出值U(t)使得pv的值逐步逼近sp的值,最终实现一个系统的稳定控制。在快速响应的系统中可以将kd的值设置为0,只需要设置kp值来调节算法的快速相应度就可以快速调节出一个平衡控制出来,而对于控制的精度有比较高要求的话,可以在调节好kp值后,再通过调节kd中实现更高的精度要求。
应用实施例:
在日常生活中常常会用到水罐的液位控制,水罐在不断的有水流进来,而需要通过水泵将水罐里面的水抽到其他地方去来维持水罐的液位恒定,例如我需要将液位控制在50%的时候,这时就需要用到PID调节,通过PID调节水泵的转速来控制液位,在液位高的时候,加大转速,在液位小的时候,减小转速。将液位始终维持在设定的液位范围内。当液位高的时候,使用公式:U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1)),实际液位和设定液位差值越大,则增加kp*err(t)的计算值,减小kd*(sp/pv) *(err(t)-err(t-1))的计算值,当液位低的时候,使用公式U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*( pv/ sp)*(err(t)-err(t-1)),实际液位和设定液位差值越大,则减小kp*err(t)的计算值,增加kd*(sp/pv) *(err(t)-err(t-1))的计算值,最终实现在sp和pv值相差大的时候减小微分环节作用,加大比例环节的作用;在sp和pv值相差小的时候加大微分环节作用,削减比例环节的作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种PID调节方法,应用于PID执行机构中,其特征在于:用于依据PID增量式算法公式计算得到当前的输出值,包括:
A、通过比例环节控制对执行机构的参数调节,通过比例调节常数Kp调节输出参数U(t)的响应速度,通过kp来调节快速响应能力,比例环节调节参数=kp*err(t),其中Kp为比例调节常数,err(t) 为当前的误差值;
B、通过积分环节控制对执行机构的参数调节,通过加上上一次的输出值U(t-1)与kp*err(t)相加来对误差进行累计;
C、通过微分环节控制对执行机构的参数调节,通过微分调节常数Kd*(pv/sp)或者Kd*(sp/pv)调节反馈的当前值pv的变化率,sp为设定值,当pv<sp时,微分环节调节参数=kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)),当sp<pv时,微分环节调节参数= kd*( sp/pv)*(err(t)-err(t-1)),其中err(t-1)为上一次的误差值;
D、将调节后的比例环节调节参数、积分环节调节参数、微分环节调节参数通过传感器的反馈来重新调整执行机构的参数,最终达到传感器的设定参数值,获得一个稳定的动态平衡系统。
2.根据权利要求1所述的一种PID调节方法,其特征在于:依据PID增量式算法公式计算得到当前的输出值,包括:当pv<sp时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)),当sp<pv时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1)),计算当前的输出值,其中kp,sp,pv不等于0。
3.一种PID调节器,用于依据如权利要求1或2所述PID增量式算法公式计算得到当前的输出值,包括:
第一采集模块,用于获取预设的设定值sp;
第二采集模块,用于获取反馈的当前值pv;
第一计算模块,用于依据采集得到的当前值pv和设定值sp计算当前值pv与设定值sp之间当前的误差值err(t),其中err(t)=(sp-pv);依据公式kp*err(t)计算得到比例环节调整参数;
第二计算模块,用于依据计算公式:当pv<sp时,kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)) 计算得到微分环节调整参数,当sp<pv时, kd*( sp/pv))*(err(t)-err(t-1)) 计算得到微分环节调整参数;
第三计算模块,用于依据计算公式:当pv<sp时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(pv/sp)*(err(t)-err(t-1)),当sp<pv时,U(t)=U(t-1)+kp*err(t)+kd*(sp/pv)*(err(t)-err(t-1)),计算当前的输出值,其中kp,sp,pv不等于0;
第一调节模块,用于通过比例调节常数Kp调节输出参数U(t)的响应速度;
第二调节模块,通过上一次的输出值U(t-1)与kp*err(t)相加来对误差进行累计;
第三调节模块,通过微分调节常数Kd调节反馈的当前值pv的变化率,在误差大的时候通过sp/pv或者pv/sp的比值抑制微分环节对积分环节的作用,在误差小的时候通过sp/pv或者pv/sp的比值加大微分环节对积分环节的作用。
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GR01 | Patent grant | ||
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