CN113655714A - 一种控制系统参数自整定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制系统参数自整定方法，其目的是解决现有基于模型的自整定方法，若系统参数的确定性及辨识精度不足，会影响系统整定效果，而基于规则的自整定方法，存在实现过程复杂，快速性不足的技术问题。该方法包括以下步骤：1)控制性能指标修正；2.1)控制性能指标实时计算；2.2)以系统给定信号作为输入，结合步骤1)和2.1)所得结果，通过调整算式中控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β，达到最优自整定速率；3)存储最优自整定速率对应的α和β，作为自整定参数作为控制参数K的自整定参数；4)利用系统给定信号，结合修正后控制性能指标Amod和自整定参数，对控制系统的控制参数K进行自整定。

Description

一种控制系统参数自整定方法
技术领域
本发明涉及一种参数自整定方法，具体涉及一种用于控制系统的参数自整定方法。
背景技术
在控制技术领域，由于系统参数不同，比如被控对象惯量、传感器噪声和摩擦力等均存在不同程度差异，使得需对控制系统进行控制参数调试，以满足系统控制的精度要求。PI(比例积分控制规律)是一种控制系统常用的校正算法，该方法需进行逐步调试，以达到控制性能要求，然而调试过程中对于控制参数的迭代，耗时较多。随着高性能微处理器在控制系统中的应用，其为控制系统中控制参数的自整定提供了便利。
现有的参数自整定方法可分为两类：基于模型的自整定方法和基于规则的自整定方法。其中，基于模型的自整定方法依赖于系统部分已知参数，并采用辨识方法获取部分系统参数，该方法需依赖精确的系统模型，若系统参数的确定性及辨识精度不足，会影响系统整定效果；而基于规则的自整定方法，采用智能控制算法实现控制参数的寻优，该方法存在的问题是实现过程复杂，快速性不足。因此，亟需一种无需精确系统参数，就能够快速整定控制参数，易于工程实现的控制系统参数自整定方法。
发明内容
本发明的目的是解决现有基于模型的自整定方法，存在需依赖精确的系统模型，若系统参数的确定性及辨识精度不足，会影响系统整定效果，而基于规则的自整定方法，需采用智能控制算法实现控制参数的寻优，存在实现过程复杂，快速性不足的技术问题，提供一种控制系统参数自整定方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种控制系统参数自整定方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)控制性能指标修正
1.1)生成控制系统的系统给定信号，该系统给定信号为周期方波信号；
1.2)进行控制性能示教，根据示教结果，记录控制性能指标
将步骤1.1)生成的系统给定信号作为控制给定，调整控制系统的控制参数K，使得控制系统达到预期性能，实时计算每个方波周期的系统误差小于零时的误差平方和，作为控制性能指标并存储；
1.3)对步骤1.2)所得控制性能指标进行调整，得到可实现预期校正效果的修正后控制性能指标Amod并存储；
2)进行控制系统自整定速率参数调试
2.1)控制性能指标实时计算
根据控制系统的实时输入与输出，实时计算控制系统的一个方波周期内系统误差大于零时的误差平方和Aact1、系统误差小于零时的误差平方和Aact2，作为实时控制性能指标并存储；
2.2)自整定速率调整
以步骤1.1)所得系统给定信号作为输入，结合步骤1.3)和步骤2.1)所得结果，根据以下算式，通过调整算式中控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β，达到最优自整定速率：
Figure BDA0003145887530000021
其中，
K为控制参数，i为调整次数，Ki经一次调整后为Ki+1；
3)存储最优自整定速率对应的控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β，作为控制参数K的自整定参数；
4)将步骤1.1)所得系统给定信号作为系统给定，结合步骤1.3)所得修正后控制性能指标Amod和步骤3)存储的自整定参数，对控制系统的控制参数K进行自整定。
进一步地，步骤2.1)具体为：
根据控制系统的实时输入与输出，利用下式，实时计算本方波周期内系统误差大于零时的误差平方和Aact1、系统误差小于零时的误差平方和Aact2，作为实时控制性能指标并存储：
Figure BDA0003145887530000031
其中，
e为系统误差；
N为一个方波周期内的采样点数。
进一步地，步骤1.1)具体为：
根据以下方波函数，生成占空比为50％、方波幅值为a、方波周期T大于控制系统所需上升时间10倍的系统给定信号yinput：
Figure BDA0003145887530000032
其中，mod(*)为求余运算。
进一步地，步骤1.2)具体为：
将步骤1.1)生成的系统给定信号yinput作为控制给定，调整控制系统的控制参数K，使得控制系统达到预期性能，根据下式，实时计算每个方波周期的系统误差小于零时的误差平方和Aindex，作为控制性能指标并存储：
Figure BDA0003145887530000033
e＝yinput-youtput (3)
其中，
youtput为系统反馈信号；
所述控制参数K为电流环比例控制参数KP1及其对应的积分控制参数KI1、速度环比例控制参数KP2及其对应的积分控制参数KI2、位置环比例控制参数KP3及其对应的积分控制参数KI3中的一个。
进一步地，步骤1.3)具体为：
利用下式，对步骤1.2)所得控制性能指标进行调整，得到可实现预期校正效果的修正后控制性能指标Amod并存储：
Amod＝k/Aindex (4)
其中，
k为指标函数修正系数。
进一步地，步骤2.2)中控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β的调整方法具体为：
2.2.1)令控制系统参数惩罚参数β＝0，通过调整控制系统参数更新速率参数α，使得控制性能指标Aact2能够快速满足Amod<Aact2；
2.2.2)重新设置控制系统参数惩罚参数β，使得当Amod<Aact2时，控制性能指标Aact2能够快速收敛于Amod。
进一步地，步骤4)具体为：
4.1)重复步骤1)至步骤3)相同的操作，确定其余控制参数K对应的控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β并存储；
4.2)将步骤1.1)所得系统给定信号yinput作为系统给定，结合步骤1.3)和步骤4.1)所得结果，利用算式(6)，进行控制系统的电流环比例控制参数KP1及其对应的积分控制参数KI1、速度环比例控制参数KP2及其对应的积分控制参数KI2、位置环比例控制参数KP3及其对应的积分控制参数KI3的自整定。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的控制系统参数自整定方法，通过给定信号产生、控制性能示教、性能指标调整、实时性能计算、自整定速率调试、自整定参数存储和控制参数自整定，实现了控制系统参数的快速自整定，该方法对于控制系统系统参数的不确定性适应能力强，不需精确的系统参数，控制性能一致性好，易于工程化实现，克服了基于模型自整定方法需要精确的系统参数的缺点，弥补了基于规则自整定方法算法复杂、不易工程化的不足，可以解决同型号控制系统由于系统参数差异，导致控制性能不一致，需重复调试控制参数的问题。
2、本发明提供的控制系统参数自整定方法，具有明确的控制性能指标，控制参数整定后，控制性能指标的重复精度高。
3、本发明提供的控制系统参数自整定方法，具有自整定速率调整功能，参数自整定快速性好。
附图说明
图1为本发明一种控制参数自整定方法的流程示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种控制系统参数自整定方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)控制性能指标修正
1.1)根据以下方波函数，生成占空比为50％、方波幅值为a、方波周期T应大于控制系统所需上升时间10倍的系统给定信号yinput：
Figure BDA0003145887530000051
其中，mod(*)为求余运算；
1.2)进行控制性能示教(演示)，根据示教结果，记录控制性能指标
具体为：将步骤1.1)生成的系统给定信号yinput作为控制给定，调整控制系统的控制参数K，使得控制系统达到预期性能，根据下式，实时计算每个方波周期的系统误差小于零时的误差平方和Aindex，作为控制性能指标并存储：
Figure BDA0003145887530000052
e＝yinput-youtput (3)
其中，
youtpyt为系统反馈信号；
所述控制参数K为电流环比例控制参数KP1及其对应的积分控制参数KI1、速度环比例控制参数KP2及其对应的积分控制参数KI2、位置环比例控制参数KP3及其对应的积分控制参数KI3中的一个；
1.3)利用下式，对步骤1.2)所得控制性能指标进行调整，得到可实现预期校正效果(以实现不同校正效果)的修正后控制性能指标Amod并存储：
Amod＝k*Aindex (4)
其中，
k为指标函数修正系数；
2)进行控制系统自整定速率参数调试
2.1)控制性能指标实时计算
根据控制系统的实时输入与输出，利用下式，实时计算本方波周期内系统误差大于零时的误差平方和Aact1、系统误差小于零时的误差平方和Aact2，作为实时控制性能指标并存储：
Figure BDA0003145887530000061
其中，
e为系统误差；
N为一个方波周期内的采样点数；
2.2)以步骤1.1)所得系统给定信号作为输入，结合步骤1.3)和步骤2.1)所得结果，根据以下算式，通过调整算式中的控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β，达到最优自整定速率(高效的自整定速率)：
Figure BDA0003145887530000062
其中，
K为控制参数，i为调整次数，Ki经一次调整后为Ki+1；
控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β的调整方法具体为：
2.2.1)令控制系统参数惩罚参数β＝0，通过调整控制系统参数更新速率参数α，使得控制性能指标Aact2能够快速满足Amod<Aact2；
2.2.2)重新设置控制系统参数惩罚参数β，使得当Amod<Aact2时，控制性能指标Aact2能够快速收敛于Amod；
3)存储最优自整定速率对应的控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β作为控制参数K的自整定参数；
4)将步骤1.1)所得系统给定信号作为系统给定，结合步骤1.3)所得修正后控制性能指标Amod和步骤3)存储的控制参数K的自整定参数，对控制系统的控制参数K进行自整定；
具体为：
4.1)重复步骤1)至步骤3)相同的操作，确定其余控制参数K(电流环比例控制参数KP1及其对应的积分控制参数KI1、速度环比例控制参数KP2及其对应的积分控制参数KI2、位置环比例控制参数KP3及其对应的积分控制参数KI3中除去步骤1.2)所选控制参数以外的控制参数)对应的控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β并存储；
4.2)将步骤1.1)所得系统给定信号yinput作为系统给定，结合步骤1.3)和步骤4.1)所得结果，利用算式(6)，进行控制系统的电流环比例控制参数KP1及其对应的积分控制参数KI1、速度环比例控制参数KP2及其对应的积分控制参数KI2、位置环比例控制参数KP3及其对应的积分控制参数KI3的自整定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分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所保护技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种控制系统参数自整定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)控制性能指标修正
1.1)生成控制系统的系统给定信号，该系统给定信号为周期方波信号；
1.2)进行控制性能示教，根据示教结果，记录控制性能指标
将步骤1.1)生成的系统给定信号作为控制给定，调整控制系统的控制参数K，使得控制系统达到预期性能，实时计算每个方波周期的系统误差小于零时的误差平方和，作为控制性能指标并存储；
1.3)对步骤1.2)所得控制性能指标进行调整，得到可实现预期校正效果的修正后控制性能指标Amod并存储；
2)进行控制系统自整定速率参数调试
2.1)控制性能指标实时计算
根据控制系统的实时输入与输出，实时计算控制系统的一个方波周期内系统误差大于零时的误差平方和Aact1、系统误差小于零时的误差平方和Aact2，作为实时控制性能指标并存储；
2.2)自整定速率调整
以步骤1.1)所得系统给定信号作为输入，结合步骤1.3)和步骤2.1)所得结果，根据以下算式，通过调整算式中控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β，达到最优自整定速率：
Figure FDA0003145887520000011
其中，
K为控制参数，i为调整次数，Ki经一次调整后为Ki+1；
3)存储最优自整定速率对应的控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β，作为控制参数K的自整定参数；
4)将步骤1)所得系统给定信号作为系统给定，结合步骤1.3)所得修正后控制性能指标Amod和步骤3)存储的自整定参数，对控制系统的控制参数K进行自整定。
2.根据权利要求1所述的控制系统参数自整定方法，其特征在于，步骤2.1)具体为：
根据控制系统的实时输入与输出，利用下式，实时计算本方波周期内系统误差大于零时的误差平方和Aact1、系统误差小于零时的误差平方和Aact2，作为实时控制性能指标并存储：
Figure FDA0003145887520000021
其中，
e为系统误差；
N为一个方波周期内的采样点数。
3.根据权利要求2所述的控制系统参数自整定方法，其特征在于，步骤1.1)具体为：
根据以下方波函数，生成占空比为50％、方波幅值为a、方波周期T大于控制系统所需上升时间10倍的系统给定信号yinput：
Figure FDA0003145887520000022
其中，mod(*)为求余运算。
4.根据权利要求3所述的控制系统参数自整定方法，其特征在于，步骤1.2)具体为：
将步骤1.1)生成的系统给定信号yinput作为控制给定，调整控制系统的控制参数K，使得控制系统达到预期性能，根据下式，实时计算每个方波周期的系统误差小于零时的误差平方和Aindex，作为控制性能指标并存储：
Figure FDA0003145887520000023
e＝yinput-youtput (3)
其中，
youtput为系统反馈信号；
所述控制参数K为电流环比例控制参数KP1及其对应的积分控制参数KI1、速度环比例控制参数KP2及其对应的积分控制参数KI2、位置环比例控制参数KP3及其对应的积分控制参数KI3中的一个。
5.根据权利要求4所述的控制系统参数自整定方法，其特征在于，步骤1.3)具体为：
利用下式，对步骤1.2)所得控制性能指标进行调整，得到可实现预期校正效果的修正后控制性能指标Amod并存储：
Amod＝k*Aindex (4)
其中，
k为指标函数修正系数。
6.根据权利要求5所述的控制系统参数自整定方法，其特征在于，步骤2.2)中控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β的调整方法具体为：
2.2.1)令控制系统参数惩罚参数β＝0，通过调整控制系统参数更新速率参数α，使得控制性能指标Aact2能够快速满足Amod<Aact2；
2.2.2)重新设置控制系统参数惩罚参数β，使得当Amod<Aact2时，控制性能指标Aact2能够快速收敛于Amod。
7.根据权利要求6所述的控制系统参数自整定方法，其特征在于，步骤4)具体为：
4.1)重复步骤1)至步骤3)相同的操作，确定其余控制参数K对应的控制系统参数更新速率参数α和控制系统参数惩罚参数β并存储；
4.2)将步骤1.1)所得系统给定信号yinput作为系统给定，结合步骤1.3)和步骤2.1)所得结果，利用算式(6)，进行控制系统的电流环比例控制参数KP1及其对应的积分控制参数KI1、速度环比例控制参数KP2及其对应的积分控制参数KI2、位置环比例控制参数KP3及其对应的积分控制参数KI3的自整定。
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