CN116165878A - 一种数字加速度计伺服控制系统的自动化pid参数整定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，包括：输入系统相关性能指标要求；表头电容边界检测，确定电容边界值；以临界振荡为边界条件调试比例系数，在该比例系数下的脉冲响应理论可达最大幅度满足工程指标的情况下，以控制对象单位阶跃平衡时间为指标调试积分系数，最后以单位阶跃响应的上升时间、系统超调量为指标调试微分系数，初步完成系统控制；以脉冲响应指定指标与上升时间指定指标为依据逐渐减弱比例作用，其次以控制对象单位阶跃平衡时间为依据调节积分作用，最后以单位阶跃下脉冲响应理论可达最大幅度或者系统超调量和上升时间的指定指标为依据逐渐减弱微分作用。
Description
技术领域
本发明涉及数字加速度计控制技术领域，具体涉及一种数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法。
背景技术
在PID控制器中，需对P、I、D三个参数进行设置，一般通过工程人员的经验技巧进行凑试，此过程即为PID整定，对PID参数自动整定已有大量研究，且应用到了诸多领域。例如，公开号为CN110588654A的专利说明书公开了一种自动整定车辆速度相应PID控制参数的方法，公开号为CN110617152A的专利说明书公开了一种基于模糊PID控制的油门控制系统，引入ZN公式作为整定PID参数的工程方法。
数字加速度计包括表头与数字伺服控制电路，伺服电路采集表头电容并经过AD转换传输至数字控制器中，再经过DA转换与驱动电路施加反馈力矩至表头构成闭环回路。较传统模拟加速度计，数字加速度计控制参数调试可直接通过软件编程进行调试。随着数字加速度计大规模生产应用，对数字加速度计闭环控制系统参数调试自动化提出了更高的要求。
在以往的项目设计中，调试数字加速度计闭环系统PID控制器的控制参数(比例系数、积分系数、微分系数)基本依靠经验调试，而如果没有一定理论基础和调试经验，控制参数调试整定不仅大大增加了现场人员的工作量，还增加了数字加速度计闭环系统运行不稳定的风险。
以往数字加速度计闭环系统控制参数调试没有一明确标准，仅以稳定控制为标准，往往无法获得充分兼具各系统动态性能指标的控制参数。同时，为了提高数字加速度计产品的可适用性，依据预定指标的不同获得不同指标下系统对应的临界控制参数也变得更加重要。
发明内容
针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明从工程应用的角度出发，结合了PID控制算法与数字加速度计伺服控制回路本身特点，提出了一种数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法。
具体技术方案如下：
一种数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，包括步骤：
S1、输入系统相关性能指标要求，包括：系统超调、上升时间、单位阶跃平衡时间、脉冲响应；
S2、表头电容边界检测，确定电容边界值，即控制对象(即电容)变化范围；
S3、以临界振荡为边界条件调试比例系数，在该比例系数下的脉冲响应理论可达最大幅度满足工程指标的情况下，以控制对象单位阶跃平衡时间为指标调试积分系数，最后以单位阶跃响应的上升时间、系统超调量为指标调试微分系数，初步完成系统控制；
S4、以脉冲响应指定指标与上升时间指定指标为依据逐渐减弱比例作用，确定最终的比例系数，其次以控制对象单位阶跃平衡时间为依据调节积分作用，确定最终的积分系数，最后以单位阶跃下脉冲响应理论可达最大幅度或者系统超调量和上升时间的指定指标为依据逐渐减弱微分作用，确定最终的微分系数。
步骤S1中，数字加速度计伺服控制系统自动化PID参数整定程序在进行参数整定前，需输入系统相关性能指标要求，包括：系统超调、上升时间、单位阶跃平衡时间与脉冲响应。
步骤S2中，表头放置于零位，通过编程微处理器使控制器输出相同幅度的正负向激励，逐渐增大激励幅度直至表头电容达到边界，测量得到表头电容值，即电容边界值。
步骤S3中调试比例系数的操作具体为：逐渐增加比例系数至表头电容刚偏离电容边界值，再以此时的比例系数为最小单位幅度逐渐增大直至控制对象出现等幅振荡现象，记录此时临界比例系数，并取临界比例系数的90％为调试好的比例系数。
本发明中脉冲响应理论可达最大幅度按下式(1)计算：
pulse＝cap/step_1g (1)
式(1)中，pulse为脉冲响应理论可达最大幅度，cap为电容边界值，step_1g为1g(即1个重力加速度)幅度阶跃响应测试下电容输出稳定值。
步骤S3中，若计算得到的脉冲响应理论可达最大幅度不满足工程指标，则结束系统参数整定，对系统进行调整直至脉冲响应理论可达最大幅度满足工程指标。
步骤S3中以控制对象单位阶跃平衡时间为指标调试积分系数的操作具体为：逐渐增加积分系数，测试系统1g幅度阶跃响应，直至控制对象平衡至零位的时间小于1000个控制周期。
步骤S3中以单位阶跃响应的上升时间、系统超调量为指标调试微分系数的操作具体为：逐渐增加微分系数，测试系统1g幅度阶跃响应，直至控制器输出响应的系统超调量小于20％且上升时间小于50个控制周期，或者，直至发生振荡，记录此时临界微分系数，并取临界微分系数的90％为调试好的微分系数。
步骤S4中以脉冲响应指定指标与上升时间指定指标为依据逐渐减弱比例作用的操作具体为：以步骤S3所得比例系数最小单位幅度逐渐减小比例系数，并测试系统1g幅度阶跃响应，直至脉冲响应理论可达最大幅度大于但尽可能接近脉冲响应指定指标且上升时间小于但尽可能接近上升时间指定指标，此时的比例系数即为最终的比例系数。
步骤S4中以控制对象单位阶跃平衡时间为依据调节积分作用的操作具体为：调整积分系数，测试系统1g幅度阶跃响应，直至控制对象平衡至零位的时间为900-1100个控制周期，此时的积分系数即为最终的积分系数。
步骤S4中以单位阶跃下脉冲响应理论可达最大幅度或者系统超调量和上升时间的指定指标为依据逐渐减弱微分作用的操作具体为：逐渐减小微分系数，测试系统1g幅度阶跃响应下的电容输出稳定值并计算脉冲响应理论可达最大幅度，直至计算得到的脉冲响应理论可达最大幅度尽可能接近但仍大于指定指标，或者，直至控制器输出响应的系统超调量不小于20％且上升时间不小于50个控制周期，此时的微分系数即为最终的微分系数。
步骤S4中首先调试比例系数的原因是比例系数对系统脉冲响应指标起决定性影响，且比例系数的变化会影响积分系数和微分系数的评价指标。因此在进行参数优化时，优先考虑比例系数的优化，积分系数的平衡时间指标与微分系数的超调、上升时间指标之间无影响。但积分系数的平衡时间需要观察控制对象的输出变化，而微分系数的超调、上升时间指标需要观察控制器输出变化。因此，考虑比例系数调试优化时同样需要观察控制对象的1g响应稳定幅值，为简化调试步骤，在比例系数优化后，紧接着优化积分系数，最后优化微分系数。
本发明中待优化主要参数为比例系数与微分系数，其中比例系数为系统控制决定性参数，系数较小时系统控制对象脉冲响应幅度较大，系数较大时系统超调较大；微分系数可改善系统动态性能，系数较小时动态性能改善较小，系数较大时会增大输出噪声影响系统静态性能甚至产生振荡；积分系数则与控制对象平衡时间直接相关，与其余动态指标无明显相关性。
当按照本发明方法步骤进行参数整定后，最终所得到比例系数为可满足系统脉冲响应指标的临界比例系数；最终所得到的积分系数为可满足系统控制对象受单位阶跃扰动下平衡时间指标的临界积分系数；最终所得到微分系数为比例系数固定情况下，满足系统超调、上升时间指标的临界微分系数，将这些临界控制参数直接作用于闭环系统控制器中即可获得权衡系统各动态指标后的数字加速度计伺服控制系统。
本发明方法能够进行在线自动化控制参数自整定，同时可获得满足系统硬性指标情况下，对系统动态指标与静态噪声权衡后的控制参数，大大降低对调试人员的能力、经验要求，提高了调试效率；本发明已成功应用于数字石英挠性加速度计中，适用于符合数字石英挠性加速度计模型的典型单回路PID控制系统。
本发明与现有技术相比，有益效果有：
1、本发明方法依靠PID控制算法本身控制特点，可测试数字加速度计伺服控制系统控制参数满足控制的上极限，以及满足指定动态指标的参数下极限，同时为不满足预定指标的数字加速度计提供了筛选依据。
2、本发明方法可综合系统要求的动态性能指标对控制参数进行整定，提高了数字加速度计系统的综合性能以及适用性。
3、本发明方法可依据流程图编写自动化程序进行在线参数整定，且参数优化依赖于实际系统，舍弃了系统模型辨识过程，大大简化了参数整定的步骤，提高了控制参数整定的效率，同时降低了现场人员调试的工作量以及系统不稳定运行的风险。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中控制参数比例系数自动化预调试与脉冲响应指标预评估流程图；
图3为本发明具体实施方式中控制参数积分系数自动化预调试流程图；
图4为本发明具体实施方式中控制参数微分系数自动化预调试流程图；
图5为本发明具体实施方式中控制参数优化流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，一种数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，该方法具体包括：
步骤一，加表自动化PID参数整定程序在进行参数整定前，需输入系统相关性能指标要求，包括：系统超调、上升时间、单位阶跃平衡时间、脉冲响应。
步骤二，表头电容边界检测，加表放置于零位附近，通过编程微处理器使控制器输出相同幅度的正负向激励，逐渐增大激励幅度直至表头电容达到边界，测量得到表头电容值，即电容边界值，也就是控制对象变化范围，同时对控制系统各环节功能进行初步检测。
步骤三，首先依据临界振荡为边界条件调试比例系数，并对系统脉冲响应指标进行初步评估，其次依据控制对象阶跃响应平衡时间为指标调试积分系数，最后依据阶跃响应的上升时间、超调量为指标调试微分系数初步完成系统控制。具体的：
如图2所示，首先逐渐增加控制器比例系数至表头电容刚偏离边界，再以此时系数kpmin为最小单位幅度逐渐增大直至控制对象出现等幅振荡现象，记录此时临界比例系数kpmax，并取临界比例系数的90％为比例系数；测试控制系统1g幅度阶跃响应，并记录阶跃响应电容稳定值step_1g，进一步对系统脉冲响应指标进行初步评估，如系统理论脉冲响应指标不满足工程指标(本发明具体实施方式系统脉冲响应工程指标设定为8g)，即结束系统参数整定，对系统进行调整，直到满足工程指标；
脉冲响应理论可达指标pulse按下式计算：pulse＝cap/step_1g
式中，pulse为理论计算系统脉冲响应可达的最大幅度，cap为步骤二测试所得的电容边界值，step_1g为1g幅度阶跃响应测试下电容输出稳定值。
如图3所示，在理论脉冲响应指标满足预定指标情况下，再逐渐增加积分系数，测试控制系统1g幅度阶跃响应，以控制对象电容平衡至零位时间为指标，直至电容阶跃平衡时间小于1000个控制周期。
如图4所示，最后逐渐增加微分系数，测试控制系统1g幅度阶跃响应，以控制器输出响应的超调量(小于20％)、上升时间(小于50个控制周期)为指标，直至满足指定动态指标要求，或者以发生振荡为指标，取临界微分系数90％为微分系数。本发明具体实施方式中上升时间取上升段在终值0.25％～70.7％幅值间时间。
步骤四，以脉冲响应指定指标与上升时间指定指标为依据逐渐减弱比例作用，其次以控制对象平衡时间为依据调节积分作用，最后以系统超调量指定指标为依据逐渐减弱微分作用。
如图5所示，首先以步骤三测试所得比例系数最小幅度kpmin逐渐减小比例系数，测试控制系统1g幅度阶跃响应，以1g阶跃电容输出稳定值对应的脉冲响应理论可达最大幅度以及控制器输出上升时间rise_time为依据，直至脉冲响应理论可达最大幅度大于但尽可能接近脉冲响应指定指标(本发明具体实施方式在此处设定指定指标为9g，余1g幅度用于系统参数调试)且上升时间小于但尽可能接近上升时间指定指标，记录此时临界比例系数kpmid；同时依据控制对象电容平衡时间为指标，调整积分系数直至电容阶跃平衡时间在900-1100个控制周期(10％变化范围)；逐渐减小微分系数，测试控制系统1g幅度阶跃响应下的电容输出稳定值并计算脉冲响应理论可达最大幅度，直至计算得到的脉冲响应理论可达最大幅度尽可能接近但仍大于指定指标，或者，直至控制器输出响应的系统超调量不小于20％且上升时间不小于50个控制周期，记录此时临界微分系数kdmid。
当按照上述步骤进行参数整定后，所得比例系数为可满足系统脉冲响应指标的临界比例系数；所得到的积分系数为可满足系统控制对象受单位阶跃扰动下平衡时间指标的临界积分系数；所得微分系数为比例系数固定情况下，满足系统超调、上升时间指标的临界微分系数，将这些临界控制参数直接作用于闭环系统控制器中即可获得权衡系统各动态指标后的数字加速度计伺服控制系统。
本发明具体实施方式以某型数字石英挠性加速度计闭环控制系统为例，系统采用的是集成于微处理器中的数字PID控制器，且系统整体结构符合二阶系统特性，适用于本发明步骤二的参数预整定规律与步骤四的控制参数优化规律。
在步骤四中，依据图5流程，待优化主要参数为比例系数与微分系数，其中比例系数为系统控制决定性参数，系数较小时系统控制对象脉冲响应幅度较大，系数较大时系统超调较大；微分系数可改善系统动态性能，系数较小时动态性能改善较小，系数较大时会增大输出噪声影响系统静态性能甚至产生振荡；积分系数则与控制对象平衡时间直接相关，与其余动态指标无明显相关性。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，其特征在于，包括步骤：
S1、输入系统相关性能指标要求，包括：系统超调、上升时间、单位阶跃平衡时间、脉冲响应；
S2、表头电容边界检测，确定电容边界值，即控制对象变化范围；
S3、以临界振荡为边界条件调试比例系数，在该比例系数下的脉冲响应理论可达最大幅度满足工程指标的情况下，以控制对象单位阶跃平衡时间为指标调试积分系数，最后以单位阶跃响应的上升时间、系统超调量为指标调试微分系数，初步完成系统控制；
S4、以脉冲响应指定指标与上升时间指定指标为依据逐渐减弱比例作用，确定最终的比例系数，其次以控制对象单位阶跃平衡时间为依据调节积分作用，确定最终的积分系数，最后以单位阶跃下脉冲响应理论可达最大幅度或者系统超调量和上升时间的指定指标为依据逐渐减弱微分作用，确定最终的微分系数。
2.根据权利要求1所述的数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，其特征在于，步骤S2中，表头放置于零位，通过编程微处理器使控制器输出相同幅度的正负向激励，逐渐增大激励幅度直至表头电容达到边界，测量得到表头电容值，即电容边界值。
3.根据权利要求1所述的数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，其特征在于，步骤S3中调试比例系数的操作具体为：逐渐增加比例系数至表头电容刚偏离电容边界值，再以此时的比例系数为最小单位幅度逐渐增大直至控制对象出现等幅振荡现象，记录此时临界比例系数，并取临界比例系数的90％为调试好的比例系数。
4.根据权利要求1所述的数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，其特征在于，脉冲响应理论可达最大幅度按下式(1)计算：
pulse＝cap/step_1g (1)
式(1)中，pulse为脉冲响应理论可达最大幅度，cap为电容边界值，step_1g为1g幅度阶跃响应测试下电容输出稳定值；
步骤S3中，若计算得到的脉冲响应理论可达最大幅度不满足工程指标，则结束系统参数整定，对系统进行调整直至脉冲响应理论可达最大幅度满足工程指标。
5.根据权利要求1所述的数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，其特征在于，步骤S3中以控制对象单位阶跃平衡时间为指标调试积分系数的操作具体为：逐渐增加积分系数，测试系统1g幅度阶跃响应，直至控制对象平衡至零位的时间小于1000个控制周期。
6.根据权利要求1所述的数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，其特征在于，步骤S3中以单位阶跃响应的上升时间、系统超调量为指标调试微分系数的操作具体为：逐渐增加微分系数，测试系统1g幅度阶跃响应，直至控制器输出响应的系统超调量小于20％且上升时间小于50个控制周期，或者，直至发生振荡，记录此时临界微分系数，并取临界微分系数的90％为调试好的微分系数。
7.根据权利要求3所述的数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，其特征在于，步骤S4中以脉冲响应指定指标与上升时间指定指标为依据逐渐减弱比例作用的操作具体为：以步骤S3所得比例系数最小单位幅度逐渐减小比例系数，并测试系统1g幅度阶跃响应，直至脉冲响应理论可达最大幅度大于但尽可能接近脉冲响应指定指标且上升时间小于但尽可能接近上升时间指定指标，此时的比例系数即为最终的比例系数。
8.根据权利要求1或5所述的数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，其特征在于，步骤S4中以控制对象单位阶跃平衡时间为依据调节积分作用的操作具体为：调整积分系数，测试系统1g幅度阶跃响应，直至控制对象平衡至零位的时间为900-1100个控制周期，此时的积分系数即为最终的积分系数。
9.根据权利要求1或6所述的数字加速度计伺服控制系统的自动化PID参数整定方法，其特征在于，步骤S4中以单位阶跃下脉冲响应理论可达最大幅度或者系统超调量和上升时间的指定指标为依据逐渐减弱微分作用的操作具体为：逐渐减小微分系数，测试系统1g幅度阶跃响应下的电容输出稳定值并计算脉冲响应理论可达最大幅度，直至计算得到的脉冲响应理论可达最大幅度尽可能接近但仍大于指定指标，或者，直至控制器输出响应的系统超调量不小于20％且上升时间不小于50个控制周期，此时的微分系数即为最终的微分系数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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