TWI564683B - 未知pid控制器之參數調諧方法 - Google Patents

未知pid控制器之參數調諧方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI564683B
TWI564683B TW104134585A TW104134585A TWI564683B TW I564683 B TWI564683 B TW I564683B TW 104134585 A TW104134585 A TW 104134585A TW 104134585 A TW104134585 A TW 104134585A TW I564683 B TWI564683 B TW I564683B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
parameter
controller
pid controller
generic
unknown
Prior art date
Application number
TW104134585A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201715318A (zh
Inventor
李俊賢
鄭儀誠
徐振凱
陳俊彥
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 財團法人工業技術研究院 filed Critical 財團法人工業技術研究院
Priority to TW104134585A priority Critical patent/TWI564683B/zh
Priority to US14/963,244 priority patent/US9958839B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI564683B publication Critical patent/TWI564683B/zh
Publication of TW201715318A publication Critical patent/TW201715318A/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0205—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system
    • G05B13/024—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/38—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a proportional characteristic
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Description

未知PID控制器之參數調諧方法
本揭露是有關於一種控制器，且特別是有關於一種未知PID控制器之參數調諧方法。
比例-積分-微分（簡稱PID）控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋迴路部件。PID控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成，因此可以對誤差訊號進行比例、積分及/或微分之操作。PID控制器的比例參數Kp、積分參數Ki和微分參數Kd之調整（或其他類似參數的調整）可直覺地反應在系統應答行為（如應答速度或穩態誤差）上。藉由設計與微調PID控制器的參數Kp、Ki和Kd，使用者可以調整控制系統以滿足設計需求。因此，PID控制器被應用於工業製程中作為基礎環路之控制，如氣體壓力、流體溫度、流速、液位、鍋爐燃燒控制等。
當PID控制器的參數Kp、Ki和Kd（或其他類似參數）調整不恰當時，PID控制器無法達到額定性能，使得控制環路性能不佳。而控制環路性能不佳，將直接或間接影響產線產品品質，亦可能造成能源使用浪費，進而使生產成本提高。PID控制器的習知參數調諧方法可概分為兩大類，一類為規則法（rule based method），而另一類為最佳化法（optimization algorithm based method）。規則法的優點在於其調諧過程簡單，只要知道被控系統的一些簡易參數（如系統增益、時間常數、延遲時間）就可帶入控制器的數學結構，以推導出的特定公式，進而可算出PID控制器的參數。而最佳化法採用數值運算方式，將參數化模型加入限制式條件(控制性能規格)進行參數搜尋，以找出符合特定性能規格的參數。
然而，不管是採用規則法或是最佳化法進行PID控制器的參數調諧，都需要知道所要調的PID控制器的控制演算法（例如所使用的PID演算公式）。此控制演算法是由控制器製造商所提供。不同廠牌或型號之PID控制器可能使用不同的PID演算公式（控制演算法），以及/或是使用不同的參數定義。製造商可能會提供僅適用於自家PID控制器的PID參數調諧軟體，以便依據特定性能規格來計算出PID控制器的參數。一般而言，欲進行以最佳化法為基礎之PID參數調諧，首先須知道三項資訊，分別為欲控制系統（目標系統）的數學模型（系統模型）、已知PID控制器的演算公式（控制演算法）以及使用者所規畫要達成的控制性能規格（特定性能規格）。依據系統模型、已知PID控制器的控制演算法（演算公式）以及設計需求的特定性能規格，PID參數調諧軟體可以進行習知最佳化演算法，來找出符合所述特定性能規格的最佳化參數。
由於不同製造商可能採用了不同的PID演算公式（控制演算法），以PID參數調諧軟體的開發者而言，為了提升其軟體適用範圍，須經由建立不同控制器所對應的演算法資料庫，以提高支援性。然而，針對廠牌或型號為未知的PID控制器，或者廠牌型號已知但該控制器尚未被支援之情況，PID調諧軟體則無法使用。
本揭露提供一種未知比例-積分-微分（簡稱PID）控制器之參數調諧方法，可以針對未知PID控制器找出符合特定性能規格的參數。
本揭露的實施例提供一種未知PID控制器之參數調諧方法。此參數調諧方法包括：接收一目標系統的系統模型，其中未知PID控制器依據輸入信號與目標系統所輸出的輸出信號的差異而對應產生控制信號以控制目標系統，以及目標系統受控於控制信號而對應產生輸出信號；接收控制性能規格；依據系統模型與性能規格，以泛型控制器的控制演算法去進行最佳化參數調諧，以獲得泛型控制器的目標參數；以第一參數組設定未知PID控制器，以便量測輸入信號、控制信號與輸出信號；依據輸入信號、控制信號與輸出信號對泛型控制器進行參數識別程序，而計算泛型控制器的第二參數組；以及當泛型控制器的第二參數組沒有進入泛型控制器的目標參數的規格範圍時，修改第一參數組以再一次設定未知PID控制器，並再一次量測輸入信號、控制信號與輸出信號。其中，規格範圍是由性能規格所決定。
基於上述，本揭露的實施例提供了未知PID控制器之參數調諧方法。此參數調諧方法可以利用一泛型控制器取代未知PID控制器進行最佳化參數調諧，以獲得目標參數（例如最佳參數）。未知PID控制器的參數空間與泛型控制器的參數空間之間存在映射關係。藉由修改PID控制器的參數（第一參數組），經一參數識別程序可以找到泛型控制器的對應參數（第二參數組）。當泛型控制器的第二參數組進入泛型控制器的目標參數的規格範圍時，未知PID控制器的第一參數組便符合了性能規格。因此，本揭露的實施例所揭示未知PID控制器之參數調諧方法可以針對未知PID控制器找出符合特定性能規格的參數。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接（或連接）」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接（或連接）於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。
圖1是依照本揭露實施例說明一種參數調諧裝置110與未知比例-積分-微分（簡稱PID）控制器120的電路方塊示意圖。未知PID控制器120可以是任何已知PID控制器或未知PID控制器。例如，未知PID控制器120可以是習知PID控制器，故不再贅述。減法器140計算輸入信號r與目標系統130所輸出的輸出信號y的差異r-y，並將差異r-y提供給未知PID控制器120。輸入信號r相關於目標系統130的設定點。輸入信號r（設定點）是視應用需求來決定的。未知PID控制器120依據輸入信號r與輸出信號y的差異r-y而對應產生控制信號u以控制目標系統130。目標系統130受控於控制信號u而對應產生輸出信號y。舉例來說，假設目標系統130是工廠的液體（或氣體）流速控制機制，則輸入信號r可以是流速的設定點，而輸出信號y可以表示工廠的液體（或氣體）的流速。未知PID控制器120可以依據流速的設定點（輸入信號r）與實際流速（輸出信號y）的差異r-y而對應產生控制信號u以控制工廠的液體（或氣體）流速控制機制（目標系統130）。
在一些實施例中（但不限於此），參數調諧裝置110可以是電腦或其他參數調諧平台。值得注意的是，在不同的應用情境中，參數調諧裝置110的相關功能可以利用一般的編程語言（programming languages，例如C或C++）、硬體描述語言（hardware description languages，例如Verilog HDL或VHDL）或其他合適的編程語言來實現為軟體、韌體或硬體。可執行所述相關功能的軟體（或韌體）可以被佈置為任何已知的計算機可存取媒體（computer-accessible medias），例如磁帶（magnetic tapes）、半導體（semiconductors）記憶體、磁盤（magnetic disks）或光盤（compact disks，例如CD-ROM或DVD-ROM），或者可通過互聯網（Internet）、有線通信（wired communication）、無線通信（wireless communication）或其它通信介質傳送所述軟體（或韌體）。所述軟體（或韌體）可以被存放在計算機的可存取媒體中，以便於由計算機的處理器來存取/執行所述軟體（或韌體）的編程碼（programming codes）。另外，本揭露的裝置和方法可以通過硬體和軟體的組合來實現。
參數調諧裝置110可以蒐集輸入信號r、控制信號u與輸出信號y，然後對未知PID控制器120進行最佳化參數調諧，以計算出可以讓未知PID控制器120與目標系統130符合性能規格的第一參數組PID x。所述性能規格可以依照設計需求來決定。所述第一參數組PID x可以包括習知PID控制器的參數Kp、Ki和Kd，或是包括相似於參數Kp、Ki和Kd的其他參數。所述最佳化參數調諧容後詳述。
使用習知的最佳化法進行最佳化參數調諧須知道三項資訊，分別為目標系統130的系統模型（數學模型）、未知PID控制器120的控制演算法（演算公式）以及依設計需求所決定的性能規格。參數調諧裝置110可以使用習知的最佳化法找出符合性能規格之最佳參數值作為參數組PID x。習知的最佳化法不在此贅述。若未知PID控制器120的控制演算法（例如所使用的PID演算公式）為已知，則參數調諧裝置110可以使用習知的最佳化法進行最佳化參數調諧，以便依據額定性能規格來計算出可以讓未知PID控制器120與目標系統130符合性能規格的參數組PID x。未知PID控制器120的參數組PID x之調整可反應在目標系統的應答行為（如應答速度或穩態誤差）上。參數調諧裝置110可以藉由參數組PID x而調整未知PID控制器120以滿足設計需求。因此，未知PID控制器120可以被應用於工業製程中作為基礎環路之控制，如氣體壓力、流體溫度、流速、液位、鍋爐燃燒控制等。
若未知PID控制器120的控制演算法（例如所使用的PID演算公式）為未知，則參數調諧裝置110無法使用習知的最佳化法直接對未知PID控制器120進行最佳化參數調諧。此時，參數調諧裝置110可以使用泛型控制器的控制演算法來取代未知的未知PID控制器120的控制演算法。此泛型控制器可看成是一個通用性的控制架構，可相容於不同的PID控制器類型。圖2是依照本揭露一實施例說明一種泛型控制器200的控制演算法（演算公式）的架構示意圖。參數調諧裝置110可以使用泛型控制器200的控制演算法來取代未知PID控制器120的控制演算法來進行最佳化參數調諧（例如進行習知最佳化法）。泛型控制器200的控制演算法包括輸入單元210、減法器220、控制單元230與回授單元240。輸入單元210接收並處理輸入信號r而獲得第一對應值211。回授單元240接收並處理輸出信號y而獲得第二對應值241。減法器220計算第一對應值211與第二對應值241的差值221。控制單元230接收並處理差值221，而獲得控制信號u，並將控制信號u輸出給目標系統130的系統模型（數學模型）130’。例如，輸入單元210可以使用z域的多項式函數 T( z -1) = = T 0+ T 1 z -1+ T 2 z -2+ …來處理輸入信號r，而獲得第一對應值211。回授單元240可以使用z域的多項式函數 R( z -1) = = R 0+ R 1 z -1+ R 2 z -2+ …來處理輸出信號y，而獲得第二對應值241。控制單元230使用z域的多項式函數 1/S( z -1) = 1/ = 1/( S 0+ S 1 z -1+ S 2 z -2+ …) 來處理差值221，而獲得控制信號u。
此泛型控制器200可看成是一個通用性的控制架構，可相容於不同的PID控制器類型。舉例來說，典型的PID控制演算法在連續時間（s域）可以表示為 C( s) = K+ 1/( sT i ) + sT d ，其中 K、 T i 、 T d 為實數。在此將連續時間（s域）轉換成離散時間（z域）形式。 C( s) = K+ 1/( sT i ) + sT d 經轉換後為 C( z -1) = K+ T s /[ T i (1- z -1)] + [ T d (1- z -1)]/ T s ，其中 T s 為實數。 C( z -1)經整理後可以用泛型控制器200的控制演算法（演算公式）表示為 R( z -1)= R 0+ R 1 Z -1+ R 2 Z -2、 1/S( z -1) = 1/( S 0+ S 1 Z -1)與 T( z -1) = T 0+ T 1 Z -1+ T 2 Z -2，其中 R 0= T 0= K+ ( T s / T i ) + ( T d / T s )， R 1= T 1= - K- (2 T d / T s )， R 2= T 2= ( T d / T s )， S 0= 1， S 1= -1。從此簡單範例可知，特定形式PID控制器可看成泛型控制器200的一個特例。
未知PID控制器120可看成泛型控制器200的一個特例，意味著未知PID控制器120的參數空間與泛型控制器200的參數空間之間存在映射關係。圖3是依照本揭露一實施例說明圖1所示未知PID控制器120的參數空間與圖2所示泛型控制器200的參數空間的映射關係示意圖。圖1所示未知PID控制器120的參數空間以參數空間310表示，而參數空間320則表示圖2所示泛型控制器200的參數空間。將參數空間310中的參數組311作為參數組PID x設定於未知PID控制器120，相當於將參數空間320中的參數組321設定於泛型控制器200，也就是此時未知PID控制器120與泛型控制器200具等效的控制效能。以此類推，參數空間310中的參數組312可以對映於將參數空間320中的參數組322，參數空間310中的參數組313可以對映於將參數空間320中的參數組323，而參數空間310中的參數組314可以對映於將參數空間320中的參數組324。
在此參數調諧裝置110可以使用習知的最佳化法對泛型控制器200進行最佳化參數調諧，以找出符合性能規格之最佳參數組作為目標參數RST opt。習知的最佳化法不在此贅述。基於，參數空間310與參數空間320的映射關係，未知PID控制器120的參數空間310存在符合性能規格之目標參數組PID opt。如前所言，在未知PID控制器120的控制演算法（例如所使用的PID演算公式）為未知的情況下，參數調諧裝置110無法使用習知的最佳化法直接對未知PID控制器120進行最佳化參數調諧來找出目標參數組PID opt，但是參數調諧裝置110可以利用圖3所示參數空間310與參數空間320的映射關係來找出接近於目標參數組PID opt的第一參數組PID x，使得未知PID控制器120符合特定性能規格。舉例來說，參數調諧裝置110可以基於直接搜尋（direct searching）法之演算流程，逐步調整未知PID控制器120的第一參數組PID x，例如逐步選擇圖3所示參數空間310中的參數組311、312、313、314作為第一參數組PID x。理論上，當參數空間310之參數值（第一參數組PID x）映射於參數空間320之參數值達到泛型控制器200之目標參數組RST opt時，則此第一參數組PID x為目標參數組PID opt。
本實施例並不限制所述直接搜尋法的實現方式。舉例來說，所述直接搜尋法可以是Powell法（詳參M. J. D. Powell於1964年所提出論文"An efficient method for finding the minimum of a function of several variables without calculating derivatives"）、Nelder and Mead法（詳參John A. Nelder與R. Mead於1965年所提出論文"A simplex method for function minimization"）或Hooke and Jeeves法（詳參R. Hooke,與T.A. Jeeves於1961年所提出論文"Direct search" solution of numerical and statistical problems"）。Powell法、Nelder and Mead法與Hooke and Jeeves法為習知，故不再贅述。
圖4是依照本揭露一實施例說明一種未知PID控制器之參數調諧方法的流程示意圖。圖1所示參數調諧裝置110可以進行圖4所示參數調諧方法。於步驟S410中，參數調諧裝置110接收目標系統130的系統模型、泛型控制器200的控制演算法與依設計需求所決定的性能規格。於步驟S420中，依據目標系統130的系統模型與額定的性能規格，參數調諧裝置110可以用泛型控制器200的控制演算法取代未知PID控制器120去進行最佳化參數調諧，以獲得泛型控制器200的目標參數RST opt。其中，所述性能規格可以決定目標參數RST opt的一個規格範圍。亦即，當泛型控制器200的參數落入此規格範圍時，泛型控制器200必可以符合所述性能規格。在一些實施例中（但不限於此），參數調諧裝置110在步驟S420可以使用習知的最佳化法以泛型控制器200的控制演算法進行最佳化參數調諧，以獲得泛型控制器200的目標參數RST opt。
於步驟S430中，參數調諧裝置110可以用第一參數組PID x設定未知PID控制器120，以便量測/蒐集未知PID控制器120的輸入信號r與控制信號u，以及量測/蒐集目標系統130的輸出信號y。第一參數組PID x的初始值可以是在參數空間310中的一經常性操作數值（例如參數組311）。於步驟S440中，參數調諧裝置110可以依據步驟S430所量測到的輸入信號r、控制信號u與輸出信號y而對泛型控制器200進行參數識別程序，而計算泛型控制器200的第二參數組RST x。舉例來所，當未知PID控制器120的第一參數組PID x是圖3所示參數空間310中的參數組311時，參數調諧裝置110可以進行所述參數識別程序而計算出圖3所示參數空間320中的參數組321作為泛型控制器200的第二參數組RST x。
本實施例並不限制所述參數識別程序的實施方式。舉例來說，所述參數識別程序可以使用工具變數法（Instrumental Variable method, IV method）或最小平方法（least squares method）來計算泛型控制器200的第二參數組RST x。所述工具變數法與所述最小平方法為習知，故不再贅述。
於步驟S450中，參數調諧裝置110可以檢查泛型控制器200的目前參數組（第二參數組RST x）是否進入泛型控制器200的目標參數RST opt的規格範圍（所述規格範圍可以由性能規格來決定）。當泛型控制器200的第二參數組RST x沒有進入目標參數RST opt的規格範圍時（表示此時泛型控制器200不符合所述性能規格），參數調諧裝置110進行步驟S460。
參數調諧裝置110可以修改第一參數組PID x以再一次設定未知PID控制器120（步驟S460），並且參數調諧裝置110再一次量測輸入信號r、控制信號u與輸出信號y（步驟S430）。舉例來說，參數調諧裝置110可以將第一參數組PID x從圖3所示參數空間310中的參數組311改為參數組312。參數調諧裝置110可以再一次進行步驟S430至步驟S450，以用圖3所示參數空間310中的新參數組312設定未知PID控制器120，以及依照輸入信號r、新的控制信號u與新的輸出信號y來找出泛型控制器200的新參數組RST x（例如圖3所示參數空間320中的參數組322）。以此類推，參數調諧裝置110可以使用直接搜尋法計算第一參數組PID x的新值，例如將第一參數組PID x從圖3所示參數空間310中的參數組312改為參數組313，或從參數組313改為參數組314，或從參數組314改為參數組PID opt。在修改第一參數組PID x的過程中，參數調諧裝置110可以在泛型控制器200中找到對應的第二參數組RST x，例如圖3所示參數空間320中的323、324、RST opt。
第一參數組PID x調整過程可看成是，將其在參數空間320的映射點與最佳參數點（目標參數RST opt）之差值最小化的過程，可以方程式描述為 。參數調諧裝置110可以使用直接搜尋法（例如Nelder and Mead於1965年提出之方法，但不以此為限）進行參數搜尋。在以初始點（參數空間310中的參數組311）設定未知PID控制器120後，參數調諧裝置110可以經由參數識別程序來計算出參數空間320中的對應參數組321作為第二參數組RST x。參數調諧裝置110可以計算參數空間320中參數組321與目標參數組RST opt之差值，以便依直接搜尋法決定新的第一參數組PID x為參數空間310中的參數組312。在以參數組312設定未知PID控制器120後，參數調諧裝置110可以經由參數識別程序來計算出參數空間320中的對應參數組322作為第二參數組RST x。參數調諧裝置110可以計算參數空間320中參數組322與目標參數組RST opt之差值，以便依直接搜尋法決定新的第一參數組PID x為參數空間310中的參數組313。以此類推，直到第一參數組PID x於參數空間320中的映射點（第二參數組RST x）接近或到達目標參數組RST opt則停止搜尋。此時，第一參數組PID x為接近或到達目標參數組PID opt。在另一些實施例中，雖然第二參數組RST x可能尚未到達目標參數組RST opt，若過程中第一參數組PID x已能滿足設定的性能要求，則參數調諧裝置110可提早停止搜尋。
當步驟S450判斷泛型控制器200的第二參數組RST x已進入泛型控制器200的目標參數RST opt的規格範圍時，表示經第一參數組PID x所設定的未知PID控制器120滿足了性能規格，因此第一參數組PID x被保持於未知PID控制器120中而不再更動（步驟S470）。
圖5是依照本揭露另一實施例說明一種未知PID控制器之參數調諧方法的流程示意圖。圖1所示參數調諧裝置110可以進行圖5所示參數調諧方法。圖5所示步驟S410至步驟S470可以參照圖4所示步驟S410至步驟S470的相關說明。於圖5所示實施例中，參數調諧方法可分為兩大階段。第一階段為泛型控制器200之最佳化設計階段。第二階段為實際未知PID控制器120參數與泛型控制器200參數的對映階段。圖5所示步驟S410與S420為第一階段流程，而圖5所示步驟S430、S440、S450、S460、S470與S480為第二階段流程。此第二階段將逐步調整未知PID控制器120的第一參數組PID x，使其在泛型控制器200的參數空間320的映射值（第二參數組RST x）接近或到達目標參數RST opt。
步驟S410包括子步驟S411、S412與S413。步驟S411，參數調諧裝置110接收目標系統130的系統模型。若目標系統130的系統模型為未知，則參數調諧裝置110可以先蒐集迴路資料（即輸入信號r、控制信號u與輸出信號y），以便進行系統參數識別，進而獲得目標系統130的系統模型。例如，參數調諧裝置110可以進行習知的工具變數法或習知的最小平方法，以獲得目標系統130的系統模型，故不再贅述。步驟S411還決定目標系統130的系統模型階數。步驟S411可以計算習知的赤池信息量準則（Akaike information criteria, AIC）、習知的貝葉斯信息標準（Bayesian information criteria, BIC）或其他指標，以便決定目標系統130的系統模型階數。
步驟S412，參數調諧裝置110接收泛型控制器200的控制演算法。步驟S412還決定泛型控制器200的控制演算法的階數。步驟S412可以計算習知的赤池信息量準則（AIC）、習知的貝葉斯信息標準（BIC）或其他指標，以便決定泛型控制器200的控制演算法的階數。或者，泛型控制器200的控制演算法的階數可依照設計需求來決定，例如將泛型控制器200的控制演算法的階數設定為2階或3階。步驟S413，參數調諧裝置110接收依設計需求所決定的性能規格，以作為參數調諧方法的限制條件。
步驟S420包括子步驟S421、S422與S423。於步驟S421中，依據目標系統130的系統模型與額定的性能規格，參數調諧裝置110可以用泛型控制器200的控制演算法進行最佳化參數調諧，以獲得泛型控制器200的最佳化參數。舉例來說，參數調諧裝置110可以使用習知的最佳化法來計算出符合性能規格之最佳化參數。於步驟S422中，參數調諧裝置110可以對泛型控制器200進行系統模擬，以便檢查泛型控制器200是否滿足/符合性能規格。若使用了最佳化參數的泛型控制器200不符合性能規格，則參數調諧裝置110可以回到步驟S413，以便讓使用者重新調整設計規格（性能規格）。若使用了最佳化參數的泛型控制器200符合性能規格，則步驟S421所獲得的最佳化參數可以作為泛型控制器200的目標參數RST opt。
步驟S430包括子步驟S431與S432。於步驟S431，參數調諧裝置110可以用第一參數組PID x設定未知PID控制器120。第一參數組PID x的初始值可以是在參數空間310中的經常操作參數值（例如參數組311）。於步驟S432，參數調諧裝置110可以量測/蒐集未知PID控制器120的輸入信號r與控制信號u，以及量測/蒐集目標系統130的輸出信號y。
於步驟S440中，參數調諧裝置110可以依據步驟S432所量測到的輸入信號r、控制信號u與輸出信號y而對泛型控制器200進行參數識別程序，以計算泛型控制器200的第二參數組RST x。舉例來所，當未知PID控制器120的第一參數組PID x是圖3所示參數空間310中的參數組311時，參數調諧裝置110可以進行所述參數識別程序而計算出圖3所示參數空間320中的參數組321作為泛型控制器200的第二參數組RST x。本實施例並不限制所述參數識別程序的實施方式。舉例來說，所述參數識別程序可以是用習知的工具變數法或習知的最小平方法，故不再贅述。
步驟S450包括子步驟S451、S452與S453，而步驟S460包括子步驟S461、S462與S463。參數調諧裝置110可以將步驟S440所獲得的第二參數組RST x帶入泛型控制器200進行系統模擬（步驟S451），以便檢視此第二參數組RST x是否可滿足設計規格（性能規格）（步驟S452）。若經第二參數組RST x所設定的泛型控制器200滿足了設計規格（性能規格），則表示經第一參數組PID x所設定的未知PID控制器120亦滿足了性能規格，因此將目前的第一參數組PID x保持於未知PID控制器120中而不再更動（步驟S470）。若經第二參數組RST x所設定的泛型控制器200不滿足設計規格（性能規格），則進行步驟S453。
於步驟S453，參數調諧裝置110可以計算在參數空間320中第二參數組RST x與目標參數組RST opt之差值，例如計算目標參數組RST opt與第二參數組RST x的差值範數。於步驟S461，參數調諧裝置110可以使用直接搜尋法計算出下一步的第一參數組PID x。所述直接搜尋法可以是習知Powell法、習知Nelder and Mead法與習知Hooke and Jeeves法，故不再贅述。於步驟S462，參數調諧裝置110可以檢查直接搜尋法的迭代次數是否大於門檻值。所述門檻值可以依照設計需求來決定。若迭代次數尚未達到門檻值，則回到步驟S431，以便將步驟S461所獲得的新的第一參數組PID x設入未知PID控制器120中。以此類推，步驟S440的參數識別程序與步驟S461的直接搜尋法會持續執行，以便重新計算新的第二參數組RST x與新的第一參數組PID x，直到步驟S452判斷泛型控制器200的第二參數組RST x已進入泛型控制器200的目標參數RST opt的規格範圍（亦即第二參數組RST x滿足性能規格）則停止迭代。若步驟S462判斷迭代次數已達到門檻值卻仍無法找到符合所有性能規格的第二參數組RST x，則進行步驟S463。
於步驟S463，參數調諧裝置110可以檢查經設定了第二參數組RST x的泛型控制器200是否符合設計規格（性能規格）中的主要時域規格。依照設計需求，所述時域規格可能包括上升時間（rising time）、超越量（over shoot）、安定時間（settling time）或是其他時域規格。若經設定了第二參數組RST x的泛型控制器200已符合時域規格，則停止迭代並將目前的第一參數組PID x保持於未知PID控制器120中而不再更動（步驟S480）。若經設定了第二參數組RST x的泛型控制器200無法符合時域規格，則回到步驟S413，以便提供使用者重新檢視與調整設計規格（性能規格）。在重新調整性能規格後，參數調諧裝置110可以再一次進行步驟S420、S430、S440、S450與/或S460，以便重新搜尋符合設計規格（性能規格）的第一參數組PID x。
綜上所述，上述諸實施例所提供的未知PID控制器120之參數調諧方法可以利用泛型控制器200取代未知PID控制器120來進行最佳化參數調諧（例如進行習知最佳化法），以獲得符合設計規格（性能規格）的目標參數（例如最佳參數）。未知PID控制器120的參數空間310與泛型控制器200的參數空間320之間存在映射關係。藉由修改未知PID控制器120的參數（第一參數組PID x）可以找到泛型控制器200的對應參數（第二參數組RST x）。當泛型控制器200的第二參數組RST x進入泛型控制器200的目標參數RST opt的規格範圍時，未知PID控制器的第一參數組PID x便符合了性能規格。因此，本揭露的實施例所揭示未知PID控制器之參數調諧方法可以針對未知PID控制器找出符合特定性能規格的參數。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
110‧‧‧參數調諧裝置
120‧‧‧比例-積分-微分（簡稱PID）控制器
130‧‧‧目標系統
130’‧‧‧系統模型
140‧‧‧減法器
200‧‧‧泛型控制器
210‧‧‧輸入單元
211‧‧‧第一對應值
220‧‧‧減法器
221‧‧‧差值
230‧‧‧控制單元
240‧‧‧回授單元
241‧‧‧第二對應值
310、320‧‧‧參數空間
311、312、313、314、321、322、323、324‧‧‧參數組
r‧‧‧輸入信號
u‧‧‧控制信號
y‧‧‧輸出信號
PIDopt、RSTopt‧‧‧目標參數組
PIDx‧‧‧第一參數組
S410～S480‧‧‧步驟
圖1是依照本揭露實施例說明一種參數調諧裝置與比例-積分-微分（簡稱PID）控制器的電路方塊示意圖。 圖2是依照本揭露一實施例說明一種泛型控制器的控制演算法（演算公式）的架構示意圖。 圖3是依照本揭露一實施例說明圖1所示未知PID控制器的參數空間與圖2所示泛型控制器的參數空間的映射關係示意圖。 圖4是依照本揭露一實施例說明一種未知PID控制器之參數調諧方法的流程示意圖。 圖5是依照本揭露另一實施例說明一種未知PID控制器之參數調諧方法的流程示意圖。
S410~S470‧‧‧步驟

Claims (13)

  1. 一種未知比例-積分-微分（簡稱PID）控制器之參數調諧方法，包括： 接收一目標系統的一系統模型，其中該未知PID控制器依據一輸入信號與該目標系統所輸出的一輸出信號的差異而對應產生一控制信號以控制該目標系統，以及該目標系統受控於該控制信號而對應產生該輸出信號； 接收一性能規格； 依據該系統模型與該性能規格，以一泛型控制器的一控制演算法去進行最佳化參數調諧，以獲得該泛型控制器的一目標參數； 以一第一參數組設定該未知PID控制器，以便量測該輸入信號、該控制信號與該輸出信號； 依據該輸入信號、該控制信號與該輸出信號對該泛型控制器進行一參數識別程序而計算該泛型控制器的一第二參數組；以及 當該泛型控制器的該第二參數組沒有進入該泛型控制器的該目標參數的一規格範圍時，修改該第一參數組以再一次設定該未知PID控制器，並再一次量測該輸入信號、該控制信號與該輸出信號，其中該規格範圍是由該性能規格所決定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，更包括： 當該泛型控制器的該第二參數組已進入該泛型控制器的該目標參數的該規格範圍時，保持該第一參數組於該未知PID控制器中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中該泛型控制器的該控制演算法包括一輸入單元、一減法器、一控制單元與一回授單元，該輸入單元接收並處理該輸入信號而獲得一第一對應值，該回授單元接收並處理該輸出信號而獲得一第二對應值，該減法器計算該第一對應值與該第二對應值的一差值，該控制單元接收並處理該差值而獲得該控制信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中該輸入單元使用多項式函數 T( z -1 ) = 處理該輸入信號而獲得該第一對應值，該回授單元使用多項式函數 R( z -1 ) = 處理該輸出信號而獲得該第二對應值，該控制單元使用多項式函數 1/S( z -1 ) = 1/ 處理該差值而獲得該控制信號。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中該輸入單元使用多項式函數 T( z -1 ) = T 0+ T 1 z -1+ T 2 z -2處理該輸入信號而獲得該第一對應值，該回授單元使用多項式函數 R( z -1 ) = R 0+ R 1 z -1+ R 2 z -2處理該輸出信號而獲得該第二對應值，該控制單元使用多項式函數 1/S( z -1 ) = 1/( S 0+ S 1 z -1)處理該差值而獲得該控制信號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中所述以該泛型控制器的該控制演算法去進行最佳化參數調諧之步驟包括： 決定該泛型控制器的該控制演算法的階數；以及 以該泛型控制器的該控制演算法進行該最佳化參數調諧，以獲得該泛型控制器的該目標參數。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中所述決定該泛型控制器的該控制演算法的階數之步驟包括： 計算習知的赤池信息量準則或習知的貝葉斯信息標準，以便決定該泛型控制器的該控制演算法的階數。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中所述參數識別程序包括： 使用工具變數法或最小平方法計算該泛型控制器的該第二參數組。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中所述修改該第一參數組以再一次設定該未知PID控制器之步驟包括： 使用直接搜尋法依該泛型控制器的該第二參數組與該目標參數之差值，計算該第一參數組的新值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中所述直接搜尋法包括Powell法、Nelder and Mead法或Hooke and Jeeves法。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中所述修改該第一參數組以再一次設定該未知PID控制器之步驟更包括： 檢查所述直接搜尋法的迭代次數是否大於一門檻值； 若該迭代次數尚未達到該門檻值，則將該第一參數組的所述新值設入該未知PID控制器中；以及 若該迭代次數達到該門檻值，則停止迭代。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中所述修改該第一參數組以再一次設定該未知PID控制器之步驟更包括： 在所述直接搜尋法被停止迭代後，檢查經設定了該第二參數組的該泛型控制器是否符合該性能規格中的一時域規格；以及 若經設定了該第二參數組的該泛型控制器符合該時域規格，則保持該第一參數組於該未知PID控制器中。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的未知PID控制器之參數調諧方法，其中所述修改該第一參數組以再一次設定該未知PID控制器之步驟更包括： 若經設定了該第二參數組的該泛型控制器不符合該時域規格，則調整該設計規格。
TW104134585A 2015-10-21 2015-10-21 未知pid控制器之參數調諧方法 TWI564683B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104134585A TWI564683B (zh) 2015-10-21 2015-10-21 未知pid控制器之參數調諧方法
US14/963,244 US9958839B2 (en) 2015-10-21 2015-12-09 Parameter tuning method of unknown PID controller

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104134585A TWI564683B (zh) 2015-10-21 2015-10-21 未知pid控制器之參數調諧方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI564683B true TWI564683B (zh) 2017-01-01
TW201715318A TW201715318A (zh) 2017-05-01

Family

ID=58408042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104134585A TWI564683B (zh) 2015-10-21 2015-10-21 未知pid控制器之參數調諧方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9958839B2 (zh)
TW (1) TWI564683B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109799699A (zh) * 2019-02-19 2019-05-24 百度在线网络技术（北京）有限公司 一种控制参数处理方法及其装置、设备、存储介质

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108828934B (zh) * 2018-09-26 2021-10-22 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种基于模型辨识的模糊pid控制方法及装置
CN110618605A (zh) * 2019-08-23 2019-12-27 北京工业大学 一种两轴云台建模以及自动整定pid参数方法
CN114930514A (zh) 2019-11-01 2022-08-19 玛特森技术公司 用于热处理系统的自适应控制的控制系统
TWI708470B (zh) * 2020-02-21 2020-10-21 龍華科技大學 一種電源轉換器
CN112000001B (zh) * 2020-06-12 2024-04-23 中铁科工集团装备工程有限公司 一种基于改进贝叶斯模型的pid参数整定优化方法
CN113623256B (zh) * 2021-07-23 2023-03-31 苏州浪潮智能科技有限公司 一种风扇转速控制方法及装置
CN114397807B (zh) * 2021-12-02 2024-03-29 中国人民解放军火箭军工程大学 一种基于改进麻雀算法的pid参数优化方法
CN114488774B (zh) * 2021-12-16 2022-09-27 上海中韩杜科泵业制造有限公司 Pid控制参数的获取方法、装置、设备及介质
CN115847786B (zh) * 2023-02-27 2023-05-09 太原理工大学 一种多束缠绕设备联合驱动系统的张力控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7551969B2 (en) * 2000-06-20 2009-06-23 Fisher-Rosemount Systems, Inc. State based adaptive feedback feedforward PID controller
WO2013128214A1 (en) * 2012-02-28 2013-09-06 Aristole University Of Thessaloniki-Research Committee A method for auto-tuning of pid controllers and apparatus therefor
US8644962B2 (en) * 2007-02-21 2014-02-04 Powervation Limited Adaptive control system
TW201435525A (zh) * 2012-12-07 2014-09-16 Omron Tateisi Electronics Co 調節器、控制方法及控制程式
TW201532379A (zh) * 2014-02-07 2015-08-16 Tatung Co 閉迴路參數的最佳化方法及應用其之射出成型裝置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5465274A (en) * 1977-11-04 1979-05-25 Hideji Hayashibe Device of automatically adjusting pid value of regulator
SE427508B (sv) * 1981-08-24 1983-04-11 Naf Ab Forfarande for instellning av en pid-regulator for en process
US8280533B2 (en) * 2000-06-20 2012-10-02 Fisher-Rosemount Systems, Inc. Continuously scheduled model parameter based adaptive controller
US7035695B2 (en) * 2002-01-22 2006-04-25 Imb Controls Inc. Method and apparatus for tuning a PID controller
US7437201B2 (en) * 2003-01-14 2008-10-14 Cullen Christopher P Electric motor controller
KR100507835B1 (ko) 2003-02-03 2005-08-17 한국과학기술원 Ｐｉｄ 제어기의 최적 게인 선정방법
JP4223894B2 (ja) * 2003-08-21 2009-02-12 株式会社山武 Ｐｉｄパラメータ調整装置
US7444191B2 (en) * 2005-10-04 2008-10-28 Fisher-Rosemount Systems, Inc. Process model identification in a process control system
US8065037B2 (en) * 2007-08-07 2011-11-22 Board Of Regents Of The Nevada System Of Higher Education, On Behalf Of The University Of Nevada, Reno Control method and system for hydraulic machines employing a dynamic joint motion model
GB2479315B (en) * 2009-02-02 2014-12-10 Fisher Rosemount Systems Inc Model predictive controller with tunable integral component to compensate for model mismatch
US8255066B2 (en) * 2009-05-18 2012-08-28 Imb Controls Inc. Method and apparatus for tuning a PID controller
JP5683000B2 (ja) 2010-09-30 2015-03-11 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｐｉｄ制御器の構成方法、プログラム及びシステム
CN102141776A (zh) 2011-04-26 2011-08-03 江苏科技大学 基于粒子滤波和rbf辨识的神经网络pid控制参数自整定方法
CN103105774B (zh) 2013-01-30 2015-07-08 上海交通大学 基于改进的量子进化算法的分数阶pid控制器整定方法
CN103294029A (zh) 2013-05-15 2013-09-11 华南理工大学 一种针对工业过程的高效数据驱动内模多项式控制器
CN103558755B (zh) 2013-11-05 2017-02-08 四川理工学院 分数阶积分pid控制器整定和自整定方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7551969B2 (en) * 2000-06-20 2009-06-23 Fisher-Rosemount Systems, Inc. State based adaptive feedback feedforward PID controller
US8644962B2 (en) * 2007-02-21 2014-02-04 Powervation Limited Adaptive control system
WO2013128214A1 (en) * 2012-02-28 2013-09-06 Aristole University Of Thessaloniki-Research Committee A method for auto-tuning of pid controllers and apparatus therefor
TW201435525A (zh) * 2012-12-07 2014-09-16 Omron Tateisi Electronics Co 調節器、控制方法及控制程式
TW201532379A (zh) * 2014-02-07 2015-08-16 Tatung Co 閉迴路參數的最佳化方法及應用其之射出成型裝置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ai Xiong and Yongkun Fan, "Application of a PID Controller using MRAC Techniques for Control of the DC Electromotor Drive," Proceedings of the 2007 International Conference on Mechatronics and Automation, 2616-2621, 5-8 Aug. 2007. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109799699A (zh) * 2019-02-19 2019-05-24 百度在线网络技术（北京）有限公司 一种控制参数处理方法及其装置、设备、存储介质
US11822297B2 (en) 2019-02-19 2023-11-21 Apollo Intelligent Driving Technology (Beijing) Co., Ltd. Method, device and apparatus for processing control parameter, and storage medium

Also Published As

Publication number Publication date
US20170115641A1 (en) 2017-04-27
TW201715318A (zh) 2017-05-01
US9958839B2 (en) 2018-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI564683B (zh) 未知pid控制器之參數調諧方法
JP5817940B2 (ja) 制御装置の設計方法および制御装置
JP4825960B2 (ja) 制御装置、制御パラメータの調整装置、制御パラメータの調整方法
JP2015232436A (ja) 蒸気圧縮システムを制御するシステム及び方法
CN108919639B (zh) 一种pid控制器参数最优比例模型建立方法
US9568897B2 (en) Controller system for variable parameter and related program product
Lee et al. Analytical method of PID controller design for parallel cascade control
JP2013109711A (ja) プラントモデル生成装置およびプラント運転支援システム
CN113272759A (zh) 质量流量控制器和控制器算法
JP7045857B2 (ja) モデル予測制御アプリケーションにおける最高性能値に関する優れた性能のためのシステム及び方法
JP6010354B2 (ja) ポジショナ
CN110094838B (zh) 一种基于空调系统的可变参数无模型自适应控制方法
JP5665688B2 (ja) 蒸気温度制御装置および蒸気温度制御方法
Trafczyński et al. Tuning parameters of PID controllers for the operation of heat exchangers under fouling conditions
JP2010218007A (ja) 外乱推定装置、制御対象モデル推定装置、フィードフォワード量推定装置および制御装置
JP2013042000A (ja) レーザガス圧の制御機能を備えたガスレーザ発振器
CN114815588B (zh) Pics补偿器与pid控制器设计方法及装置
JP2005284828A (ja) 制御装置、制御パラメータの調整方法、プログラムおよび記録媒体
Joy et al. Approximate dynamic programming‐based control of distributed parameter systems
TWI546636B (zh) 具智能調節之控制系統
CN109695893B (zh) 一种锅炉系统中的氧气浓度控制方法、装置、设备及系统
KR20170137640A (ko) 적어도 하나의 템퍼링 원의 적어도 하나의 제어값을 제어하기 위한 폐쇄 루프 제어 장치
CN113272758A (zh) 质量流量控制器、控制器算法和设定点滤波器
KR101721111B1 (ko) ｕＤＥＡＳ를 이용한 산업용 히터 시스템의 자동 동조 ＰＩＤ 제어 방법
JP2006277500A (ja) モデル駆動制御装置およびモデル駆動制御方法