CN112462599B - 一种高性能pid控制参数整定方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能PID控制参数整定方法、装置及系统，属于工业生产过程控制技术领域，本发明采用离散模型来描述被控过程，采用PID控制器参数的Z‑N整定方法，计算PID控制器的比例、微分、积分三个控制参数，采用该PID控制器与待设计的动态性能补偿信号作为被控对象的新的控制输入，获得以跟踪误差为输出、动态性能补偿信号为输入的闭环控制系统的动态模型，以跟踪误差极小和动态性能补偿信号波动极小为目标，确定动态性能补偿信号，将动态性能补偿信号叠加到该PID控制器的输出，通过改变PID控制系统的输出控制量，改善PID控制系统的动态性能，从而确保在所有运行时间内将跟踪误差控制在目标值范围内，实现了工业过程的优化运行。
Description
技术领域
本发明涉及工业生产过程控制技术领域，特别是涉及一种高性能PID控制参数整定方法、装置及系统。
背景技术
工业过程是由一个或多个工业装备组成的生产工序，其功能是将进入的原料加工成为下道工序所需要的半成品材料，多个生产工序构成了全流程生产线。为了使得该过程的运行指标在目标值范围内，使产品质量和效率尽可能高，使成本和能耗尽可能低，实现工业过程的运行优化控制，这要求过程控制系统不仅稳定运行，而且在所有运行时间内，使控制系统的输出尽可能好地跟踪实现运行优化而变化的控制系统设定值。
由于PID控制原理简单，易于工程实现，不依赖对象的精确模型，利用被控对象输出与控制系统设定值的跟踪误差构成PID控制器，且其积分器可以消除未知干扰和未知动态特性对被控对象输出的影响，因此在工业控制中，PID控制成为最广泛使用的控制技术，目前工业领域应用的有超过95％的控制器是PI或者PID控制器。
PID控制系统设计的关键是其控制参数的选择，Ziegler-Nichols(Z-N)法是目前工业界最普遍使用的PID控制的参数整定方法，它采用被控对象模型计算被控对象的临界增益和临界周期，采用控制器参数整定公式确定比例、积分和微分三个控制器参数。由于PID控制的积分器仅能消除静态误差，难以消除未知变化的干扰和动态特性对被控对象输出的影响，当过程控制系统的设定值频繁改变或者受到未知变化的干扰和动态特性时，采用基于Z-N整定法的PID控制等常用的PID控制技术设计的控制系统的跟踪误差波动增大，难以在所有运行时间内将跟踪误差控制在目标值范围内，无法实现工业过程的优化运行，造成产品质量波动，能耗与物耗增大。因此研发高性能PID控制器参数的整定技术已经成为流程工业实现智能制造必须解决的关键问题。
发明内容
针对目前工业界常用的PID控制器参数的Z-N整定技术无法使PID控制系统实现高性能控制的难题，本发明提出了一种高性能PID控制参数整定方法、装置及系统，以消除未知变化的干扰和动态特性对被控对象输出的影响，改善控制系统的动态性能，实现高性能的PID控制。
本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种高性能PID控制参数整定方法，所述方法包括：
采用离散模型建立被控对象的PID控制器设计模型，并采用系统辨识算法辨识模型参数；
基于所述模型参数以及离散Z-N整定方法，计算PID控制器的比例、积分和微分参数；
在所述被控对象和所述PID控制器构成的闭环控制系统中，引入动态性能补偿信号，建立以跟踪误差为输出、以所述动态性能补偿信号为输入的闭环控制系统动态模型；所述动态性能补偿信号由所述闭环控制系统的设定值、跟踪误差以及实际输入与输出数据组成；
根据所述闭环控制系统动态模型，以所述跟踪误差极小和所述动态性能补偿信号波动极小为目标，计算所述动态性能补偿信号；
将所述动态性能补偿信号叠加到所述PID控制器的输出，从而改变所述PID控制器的输出信号，等价于改变所述PID控制器的参数而导致的PID控制器的输出信号的改变，将构成的新的PID控制器输出信号作为所述被控对象的控制输入信号。
进一步地，采用离散模型建立被控对象的PID控制器设计模型，并采用系统辨识算法辨识模型参数，包括：
利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性回归模型作为PID控制器设计模型；
获取被控对象的输入输出数据，采用系统辨识算法辨识模型参数。
进一步地，基于所述模型参数以及离散Z-N整定方法，计算PID控制器的比例、积分和微分参数，包括：
根据使比例控制下的闭环系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益KPu和临界周期Tu；
采用PID控制器参数的Z-N整定公式，确定PID控制器的比例KP、积分KI、微分KD三个控制器参数：
其中，T0为系统采样周期。
进一步地，以所述跟踪误差极小和所述动态性能补偿信号波动极小为目标，计算所述动态性能补偿信号，包括：
由所述跟踪误差和所述动态性能补偿信号组成一步最优控制的性能指标；使所述性能指标极小，计算所述动态性能补偿信号。
另一方面，本发明提供了一种高性能PID控制参数整定装置，所述装置包括：
PID控制器设计模型建立单元，用于采用离散模型建立被控对象的PID控制器设计模型，并采用系统辨识算法辨识模型参数；
PID参数整定单元，用于基于所述模型参数以及离散Z-N整定方法，计算PID控制器的比例、积分和微分参数；
动态模型建立单元，用于在所述被控对象和所述PID控制器构成的闭环控制系统中，引入动态性能补偿信号，建立以跟踪误差为输出、以所述动态性能补偿信号为输入的闭环控制系统动态模型；所述动态性能补偿信号由所述闭环控制系统的设定值、跟踪误差以及实际输入与输出数据组成；
补偿信号确定单元，用于根据所述闭环控制系统动态模型，以所述跟踪误差极小和所述动态性能补偿信号波动极小为目标，计算所述动态性能补偿信号；
参数调整单元，用于将所述动态性能补偿信号叠加到所述PID控制器的输出，从而改变所述PID控制器的输出信号，等价于改变所述PID控制器的参数而导致的PID控制器的输出信号的改变，将构成的新的PID控制器输出信号作为所述被控对象的控制输入信号。
进一步地，PID控制器设计模型建立单元具体用于：利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性回归模型作为PID控制器设计模型；获取被控对象的输入输出数据，采用系统辨识算法辨识模型参数。
进一步地，PID参数整定单元具体用于：
根据使比例控制下的闭环系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益KPu和临界周期Tu；
采用PID控制器参数的Z-N整定公式，确定PID控制器的比例KP、积分KI、微分KD三个控制器参数：
其中，T0为系统采样周期。
进一步地，补偿信号确定单元具体用于，由所述跟踪误差和所述动态性能补偿信号组成一步最优控制的性能指标；使所述性能指标极小，计算所述动态性能补偿信号。
另一方面，本发明还提供了一种高性能PID控制系统，所述高性能PID控制系统基于上述高性能PID控制参数整定方法进行参数整定。
本发明的优点和积极效果：
本发明公开的高性能PID控制参数整定方法、装置及系统，是由工业界常用的基于离散被控对象的PID控制器参数的Z-N整定技术和数据驱动的改善闭环控制系统动态性能的补偿信号相结合的新的PID控制器参数整定技术，将动态性能补偿信号叠加到基于Z-N整定技术的PID控制器的输出，通过改变PID控制系统的输出控制量，改善PID控制系统的动态性能，从而降低了控制系统的跟踪误差波动，确保在所有运行时间内将跟踪误差控制在目标值范围内，实现了工业过程的优化运行。
另外，本发明公开的高性能PID控制参数整定方法的优势在于所有参数均可精确计算，不需要人为观测开环阶跃响应曲线，且整定的PID参数可直接应用于数字PID控制器，无需额外的离散过程；而且，本发明中的补偿信号以改善系统动态性能为目标，有明确的解析表达，相比现有技术中以估计值值进行干扰或测量误差补偿的方法，能够实现对PID控制器输出信号精确补偿，改善PID控制系统的动态性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种高性能PID控制参数整定方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种高性能PID控制系统的结构框图；
图3为采用常规PID控制技术时换热过程蒸汽流量在设定值频繁改变和蒸汽压力频繁变化情况下的控制效果；
图4为采用本发明高性能PID控制技术时换热过程蒸汽流量在设定值频繁改变和蒸汽压力频繁变化情况下的控制效果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
参见图1，其示出了本发明实施例中一种高性能PID控制参数整定方法流程图，该方法包括以下步骤：
S101：采用离散模型建立被控对象的PID控制器设计模型，并采用系统辨识算法辨识模型参数。
利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性回归模型来描述该被控过程的控制器设计模型，利用实际输入输出数据，采用系统辨识算法辨识模型参数。
S102：基于模型参数以及离散Z-N整定方法，计算PID控制器的比例、积分和微分参数。
针对所建立的被控对象的PID控制器设计模型，求取临界增益KPu和临界周期Tu，采用PID控制器参数的离散Z-N整定公式，计算PID控制器的比例KP、积分KI、微分KD三个控制器参数：
其中，T0为系统采样周期。
S103：在被控对象和PID控制器构成的闭环控制系统中，引入动态性能补偿信号，建立以跟踪误差为输出、动态性能补偿信号为输入的闭环控制系统动态模型。
S104：根据建立的闭环控制系统动态模型，以使跟踪误差极小和动态性能补偿信号波动极小为目标，计算动态性能补偿信号。
采用由跟踪误差和动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标，使该性能指标极小，精确求得由控制系统设定值、跟踪误差以及实际输入与输出数据组成的动态性能补偿信号。
S105：将动态性能补偿信号叠加到PID控制器的输出，构成新的控制输入信号，从而改变PID控制器的输出信号，等价于改变PID控制器的参数而导致的PID控制器的输出信号的改变。
本发明实施例中的高性能PID控制参数整定方法，是由工业界常用的基于离散被控对象的PID控制器参数的Z-N整定技术和数据驱动的改善闭环控制系统动态性能的补偿信号相结合的新的PID控制器参数整定技术，将动态性能补偿信号叠加到基于Z-N整定技术的PID控制器的输出，通过改变PID控制系统的输出控制量，改善PID控制系统的动态性能，从而降低了控制系统的跟踪误差波动，确保在所有运行时间内将跟踪误差控制在目标值范围内，实现了工业过程的优化运行。
本发明还提供了一种高性能PID控制系统，该高性能PID控制系统基于上述高性能PID控制参数整定方法进行参数整定。参见图2，其示出了本发明实施例中一种基于上述实施例中的高性能PID控制参数整定方法的高性能PID控制系统的结构框图。
在一具体的实施例中，地处环境温差变化大的地区的某企业的换热过程的蒸汽流量控制回路因供水温度目标值频繁改变导致蒸汽流量回路的设定值频繁变化，加上蒸汽压力频繁改变导致蒸汽流量回路动态特性频繁变化，无法采用常规PID控制技术实现蒸汽流量的控制目标。采用本发明的高性能PID控制器参数整定技术设计的蒸汽流量控制系统，在所有运行时间内实现了蒸汽流量的控制目标。
下面对采用本发明的高性能PID控制参数整定方法设计蒸汽流量PID控制系统的实施步骤描述如下：
步骤一：建立蒸汽流量回路的PID控制器设计模型。
步骤A：由于换热工业过程的蒸汽流量内环运行在工作点附近，采用下列离散线性回归模型作为PID控制器设计模型：
A(z-1)y(k+1)＝B(z-1)u(k) (2)
其中y(k)、u(k)分别表示蒸汽流量回路在时域的输出和输入，具体地，蒸汽流量回路的输出可以为蒸汽流量；蒸汽流量回路的输入可以为阀门开度，k＝t/T0＝0,1,2...为离散的采样时间，系统采样周期设为1s。A(z-1)＝1+a1z-1，B(z-1)＝b0，其中a1,b0为模型参数。
步骤B：采集蒸汽流量回路的输入输出数据，采用系统辨识算法辨识模型参数，得a1＝-0.9530,b0＝0.2149。
步骤二：使用Z-N频率法计算PID控制器参数。
步骤A：式(2)的传递函数形式为：
其中，GP(z)为控制器设计模型(2)的传递函数形式，Y(z)为蒸汽流量回路的输出y(k)的Z变换，U(z)为蒸汽流量回路的输入u(k)的Z变换。
按照Z-N频率设计方法，引入比例控制器，其离散传递函数如下：
其中，Gc(z)表示比例控制器的传递函数，E(z)为蒸汽流量回路形成的闭环控制系统的跟踪误差e(k)的Z变换，也是比例控制器的输入，KP为待确定的比例控制器增益。
比例控制下的闭环系统传递函数为：
其中，Gw(z)为闭环系统的传递函数，Ysp(z)为闭环系统的输入的Z变换。
传递函数Gw(z)的极点特征多项式为：
D(z)＝A(z-1)+z-1KPB(z-1)＝1+a1z-1+z-1KPb0 (6)
步骤B：根据使比例控制下的闭环系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期。
闭环系统的极点决定闭环系统的动态特性，按照Z-N频率整定方法，引入的比例控制器使闭环系统临界稳定且震荡，有两种可能的闭环极点分布情况：一是在单位圆上有一对复共轭极点z＝α+jβ满足α2+β2＝1，二是有一个或多个实极点位于z＝-1。
式(2)表示的换热过程蒸汽流量的控制器设计模型为一阶系统，使比例控制下的闭环系统临界稳定且震荡，其闭环系统极点特征多项式(6)有且仅有一个极点位于z＝-1，因此式(2)表示的蒸汽流量模型的临界增益和临界周期为：
步骤C：根据离散Z-N频率整定方法对PID控制器参数KP,KI,KD进行整定：
步骤D：将PID控制器写成如下形式：
u1(k)＝u1(k-1)+G(z-1)e(k) (9)
上式中，u1(k)为PID控制器的输出，e(k)为闭环控制系统的跟踪误差，也就是PID控制器的输入，G(z-1)＝g0+g1z-1+g2z-2，g0、g1和g2为PID控制器参数，表示为：
计算得到g0＝9.5423,g1＝-5.4528，g2＝1.3632。
步骤三：在蒸汽流量回路和PID控制器构成的闭环控制系统中引入动态性能补偿信号u2(k)。
建立以跟踪误差e(k+1)为输出，以动态性能补偿信号u2(k)为输入的闭环控制系统动态模型：
其中，ysp(k)为蒸汽流量回路的设定值，即闭环控制系统的输入。
本实施例中，式(11)具体为：
步骤四：设计动态性能补偿信号u2(k)，引入如下由跟踪误差和动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标：
J1＝[e(k+1)]2+[λ0(1-z-1)u2(k)]2 (13)
其中，λ0为加权值；
使J1极小，设加权系数
求得u2(k)为：
其中，G′(z-1)＝g′0+g′1z-1+g′2z-2，g′0＝1-b0g0-a1，g′1＝a1-b0g1，g′2＝-b0g2。
本实施例中，g′0＝-0.0977，g′1＝0.2188，g′2＝-0.2929。
加权系数λ满足下式：
B(z-1)(1-λz-1G(z-1))-λA(z-1)(1-z-1)≠0,|z|＞1 (15)
本实施例中，λ＝-1.1633。
步骤五：将PID控制器与动态性能补偿信号叠加，构成新的PID控制器，其输出信号为：
其中，控制器输出u(k)限幅如下：
其中，umax和umin分别为控制器输出的限幅的上限值和下限值，设umax＝10,umin＝-10。
使用上述技术方案设计的换热过程蒸汽流量PID控制系统已成功应用。工业应用结果表明，当控制系统设定值频繁改变、蒸汽压力频繁变化时，该控制系统具有明显优于常规PID控制系统的动态性能。由图3、4可以看出，采样周期同为1s的情况下，采用Z-N法设计的PID控制系统蒸汽流量波动很大，无法将蒸汽流量控制在目标值范围内，采用本发明技术设计的PID控制系统使蒸汽流量的波动明显减小，蒸汽流量控制在目标值范围内。
表1为蒸汽换热过程中设备型号和工艺参数。
表1
表2为采用常规PID控制技术和采用本发明控制技术时换热过程蒸汽流量在设定值频繁改变和蒸汽压力频繁变化情况下的控制器性能评价表。
表2
| 最大超调量 | 绝对误差累积和 | 误差均方差 | |
| 本发明 | 10.25％ | 256.3831 | 0.0103 |
| 常规PID控制 | 16.73％ | 551.2097 | 0.0469 |
由表2可以看出，蒸汽压力变化时，采用本发明的高性能PID控制系统与常规PID控制系统相比，将超调量减少6.48％，绝对误差累积和减少53.49％，误差均方差减少78.04％。
与上述实施例中的高性能PID控制参数整定方法相对应，本发明还提供了一种高性能PID控制参数整定装置，该装置包括：
PID控制器设计模型建立单元，用于采用离散模型建立被控对象的PID控制器设计模型，并采用系统辨识算法辨识模型参数；
PID参数整定单元，用于基于所述模型参数以及离散Z-N整定方法，计算PID控制器的比例、积分和微分参数；
动态模型建立单元，用于在所述被控对象和所述PID控制器构成的闭环控制系统中，引入动态性能补偿信号，建立以跟踪误差为输出、以所述动态性能补偿信号为输入的闭环控制系统动态模型；所述动态性能补偿信号由所述闭环控制系统的设定值、跟踪误差以及实际输入与输出数据组成；
补偿信号确定单元，用于根据所述闭环控制系统动态模型，以所述跟踪误差极小和所述动态性能补偿信号波动极小为目标，计算所述动态性能补偿信号；
参数调整单元，用于将所述动态性能补偿信号叠加到所述PID控制器的输出，从而改变所述PID控制器的输出信号，等价于改变所述PID控制器的参数而导致的PID控制器的输出信号的改变，将构成的新的PID控制器输出信号作为所述被控对象的控制输入信号。
其中，PID控制器设计模型建立单元具体用于：利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性回归模型作为PID控制器设计模型；获取被控对象的输入输出数据，采用系统辨识算法辨识模型参数。
PID参数整定单元具体用于：
根据使比例控制下的闭环系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益KPu和临界周期Tu；
采用PID控制器参数的Z-N整定公式，确定PID控制器的比例KP、积分KI、微分KD三个控制器参数：
其中，T0为系统采样周期。
补偿信号确定单元具体用于，由所述跟踪误差和所述动态性能补偿信号组成一步最优控制的性能指标；使所述性能指标极小，计算所述动态性能补偿信号。
对于本发明实施例的高性能PID控制参数整定装置而言，由于其与上面实施例中的高性能PID控制参数整定方法相对应，所以描述的比较简单，相关相似之处请参见上面实施例中部分的说明即可，此处不再详述。
应该理解到，在本发明所提供的几个实施例中，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种高性能PID控制参数整定方法，其特征在于，所述方法包括：
采用离散模型建立被控对象的PID控制器设计模型，并采用系统辨识算法辨识模型参数；
基于所述模型参数以及离散Z-N整定方法，计算PID控制器的比例、积分和微分参数；
在所述被控对象和所述PID控制器构成的闭环控制系统中，引入动态性能补偿信号，建立以跟踪误差为输出、以所述动态性能补偿信号为输入的闭环控制系统动态模型；所述动态性能补偿信号由所述闭环控制系统的设定值、跟踪误差以及实际输入与输出数据组成；
根据所述闭环控制系统动态模型，以所述跟踪误差极小和所述动态性能补偿信号波动极小为目标，计算所述动态性能补偿信号；以所述跟踪误差极小和所述动态性能补偿信号波动极小为目标，计算所述动态性能补偿信号，包括：由所述跟踪误差和所述动态性能补偿信号组成一步最优控制的性能指标；使所述性能指标极小，计算所述动态性能补偿信号；
将所述动态性能补偿信号叠加到所述PID控制器的输出，从而改变所述PID控制器的输出信号，等价于改变所述PID控制器的参数而导致的PID控制器的输出信号的改变，将构成的新的PID控制器输出信号作为所述被控对象的控制输入信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用离散模型建立被控对象的PID控制器设计模型，并采用系统辨识算法辨识模型参数，包括：
利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性回归模型作为PID控制器设计模型；
获取被控对象的输入输出数据，采用系统辨识算法辨识模型参数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于所述模型参数以及离散Z-N整定方法，计算PID控制器的比例、积分和微分参数，包括：
根据使比例控制下的闭环系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益KPu和临界周期Tu；
采用PID控制器参数的Z-N整定公式，确定PID控制器的比例KP、积分KI、微分KD三个控制器参数：
其中，T0为系统采样周期。
4.一种高性能PID控制参数整定装置，其特征在于，所述装置包括：
PID控制器设计模型建立单元，用于采用离散模型建立被控对象的PID控制器设计模型，并采用系统辨识算法辨识模型参数；
PID参数整定单元，用于基于所述模型参数以及离散Z-N整定方法，计算PID控制器的比例、积分和微分参数；
动态模型建立单元，用于在所述被控对象和所述PID控制器构成的闭环控制系统中，引入动态性能补偿信号，建立以跟踪误差为输出、以所述动态性能补偿信号为输入的闭环控制系统动态模型；所述动态性能补偿信号由所述闭环控制系统的设定值、跟踪误差以及实际输入与输出数据组成；
补偿信号确定单元，用于根据所述闭环控制系统动态模型，以所述跟踪误差极小和所述动态性能补偿信号波动极小为目标，计算所述动态性能补偿信号；以所述跟踪误差极小和所述动态性能补偿信号波动极小为目标，计算所述动态性能补偿信号，包括：由所述跟踪误差和所述动态性能补偿信号组成一步最优控制的性能指标；使所述性能指标极小，计算所述动态性能补偿信号；
参数调整单元，用于将所述补偿信号叠加到所述PID控制器的输出，从而改变所述PID控制器的输出信号，等价于改变所述PID控制器的参数而导致的PID控制器的输出信号的改变，将构成的新的PID控制器输出信号作为所述被控对象的控制输入信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，PID控制器设计模型建立单元具体用于：利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性回归模型作为PID控制器设计模型；获取被控对象的输入输出数据，采用系统辨识算法辨识模型参数。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，PID参数整定单元具体用于：
根据使比例控制下的闭环系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益KPu和临界周期Tu；
采用PID控制器参数的Z-N整定公式，确定PID控制器的比例KP、积分KI、微分KD三个控制器参数：
其中，T0为系统采样周期。
7.一种高性能PID控制系统，其特征在于，所述高性能PID控制系统基于如权利要求1～3任一项所述的高性能PID控制参数整定方法进行参数整定。
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