用于PID参数的渐进式整定方法技术

本申请提供了用于PID参数的渐进式整定方法，包括基于受控系统结构确定对应受控系统的优化问题表达式以及对应受控系统的参考系统模型表达式；确定作为参数整定约束条件的PID参数选取范围；确定优化目标参数初始值，基于当前参数值与目标参数值的数值关系，判定是否触发PID参数整定操作；如果判定触发，在参数整定约束条件下基于参考系统模型表达式对优化问题表达式进行循环求解。通过基于过程输入输出数据直接整定PID控制器参数，因此无需建模过程；从而避免了因建模引入的模型误差，以及建模所需的大量测试数据和测试建模的时间成本。同时只需要少量的测试数据和计算资源，所以整定过程不会对生成产生较大扰动，适用于PID控制器的在线整定。

A progressive tuning method for PID parameters

【技术实现步骤摘要】
用于PID参数的渐进式整定方法
本申请属于参数整定领域，特别涉及用于PID参数的渐进式整定方法。
技术介绍
PID控制是目前工业过程控制领域中最常见也是最有效的控制方法之一。据统计90％以上的自动控制回路采用了PID控制策略。PID控制的优点包括结构简单、稳定性好、安全可靠以及调整方便。虽然PID控制器具有以上优点，但是如何整定PID控制器参数以保证闭环控制系统的良好性能一直以来被学术和工业界所研究。传统的PID控制器整定方法包括Ziegler-Nichols(Z-N)法、临界比例度法、衰减曲线法、极点配置法、lambda法和基于内模控制的整定方法等。这些方法根据是否利用模型信息可以分为基于模型的整定方法和数据驱动的整定方法。对于数据驱动型的参数整定方法，闭环控制性能并不能较为准确地事先估计，因此不能根据实际动态响应需求来调整整定策略。其次，常常在整定过程中需要使过程达到某种特殊状态并进行曲线的特征提取，例如Z-N法、临界比例度法、衰减曲线法等。所以，整定过程中存在较多的人机交互，对于较慢的过程则需要较多的测试时间来得到合适的输入参数。如果投运后发现闭环控制性能不理想，通常还是需要利用人工经验来调整参数，因而这类方法通常不适合自动参数整定。对于基于模型的参数整定方法而言，其优点是可以利用回路历史数据批量整定大量回路，同时如果模型准确那么闭环控制性能是可以根据需求自动调整的，例如lambda法、基于内模控制的整定方法等。然而，这类方法的缺点是整定的质量取决于模型质量的优劣。如果历史数据缺乏激励，那么模型的可信度就会大大降低。另外，从在线应用的角度来看，虽然在线模型辨识方法可以成为在线参数整定的基础，但是这需要大量的操作数据来保证足够的数据激励程度。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本申请提供了用于PID参数的渐进式整定方法，能够避免了因建模引入的模型误差，以及建模所需的大量测试数据和测试建模的时间成本。为了达到上述技术目的，本申请提供的用于PID参数的渐进式整定方法，包括：基于受控系统结构确定对应受控系统的优化问题表达式；根据受控系统的优化指标确定对应受控系统的参考系统模型表达式；根据受控对象模型的参数范围，确定作为参数整定约束条件的PID参数选取范围；确定优化目标参数初始值，基于当前参数值与目标参数值的数值关系，判定是否触发PID参数整定操作；如果判定触发PID参数整定操作，在参数整定约束条件下基于参考系统模型表达式对优化问题表达式进行循环求解，直至获取符合优化目标参数初始值的最优解；其中，所述优化目标参数初始值包括超调初始值以及峰值时间初始值。可选的，所述基于受控系统结构确定对应受控系统的优化问题表达式，包括：确定受控系统如公式一所示的参考信号表达式式中，为k时刻参考闭环控制系统的输出，为k时刻参考闭环控制系统的传递函数，rk为k时刻受控系统中的参考信号，ek为k时刻受控系统的跟踪误差，yk为k时刻受控系统的过程输出测量值，C-1为标准离散PID控制器，uk为k时刻受控系统的过程输入测量值；对公式一进行调整，得到如公式二所示的代表参考信号输出与过程输出差值的表达式，定义滤波器Fc(z-1)以及滤波信号代入公式二得到如公式三所示的受控系统的实际输出偏差表达式式中，||·||p表示p范数，此处p取值2，Fc(z-1)包含PID控制器的三个参数K、Ti以及Td；基于实际输出偏差表达式，确定对应受控系统进行参数整定过程的优化问题表达式式中表示针对给定的f0,f1,f2求取最小值的运算符，f0,f1,f2与K、Ti以及Td的对应关系式如公式五所示式中Ts表示控制系统的采样时间。可选的，所述滤波器Fc(z-1)的表达式为式中，f0定义为Td,f1定义为KTs-2Tdf2定义为TiTs2+Td-KTs；K，Ti，Td依次是离散PID控制器的比例、积分时间和微分时间。可选的，所述滤波信号的表达式为所述滤波信号的表达式为式中为k时刻参考闭环控制系统的传递函数，uk为k时刻受控系统的过程输入测量值，yk为k时刻受控系统的过程输出测量值。可选的，所述根据受控系统的优化指标确定对应受控系统的参考系统模型表达式，包括：确定如公式六所示的参考系统模型的离散系统表达式式中，参数v1和v2取以下值其中σ关联参考系统的响应速度，μ为此系统的阻尼系数，二者计算方式为：可选的，所述根据受控对象模型的参数范围，确定作为参数整定约束条件的PID参数选取范围，包括：确定受控对象的离散系统表达式；将PID参数中代表K、Ti以及Td的计算式分别代入受控对象的离散系统表达式中，基于离散系统表达式中各字母的取值范围分别计算得到K、Ti以及Td的取值范围。可选的，所述确定优化目标参数初始值，基于当前参数值与目标参数值的数值关系，判定是否触发PID参数整定操作，包括：基于当前要求确定针对受控系统的优化目标参数初始值；确定受控系统的初始PID参数值PID(0)，基于初始PID参数值PID(0)计算受控系统的初始目标参数值；计算得到前一时刻的优化目标参数值，如果前一时刻的目标参数值大于优化目标参数初始值，计算当前时刻的优化目标参数值，并触发PID参数整定操作。可选的，所述计算当前时刻的优化目标参数值，包括：基于公式八计算当前时刻的超调目标值T*peak(i)＝m·Tpeak(i-1)公式八，基于公式九计算当前时刻的峰值时间目标值OS*％(i)＝n·OS％(i-1)公式九，式中，m、n的取值范围均为(0,1)。可选的，所述在参数整定约束条件下基于参考系统模型表达式对优化问题表达式进行循环求解，直至获取符合优化目标参数初始值的最优解，包括：步骤一，在参数整定约束条件下，对优化问题表达式进行求解，得到对应当前时刻的PID参数的最优解；步骤二，基于得到的PID参数计算优化目标当前参数值；步骤三，根据优化目标当前参数值与优化目标参数初始值的数值关系，判定是否需要再次出发PID参数整定操作；如果需要，则重复步骤一至步骤三的操作，如果不需要，则结束PID参数整定过程。本申请提供的技术方案带来的有益效果是：基于过程输入输出数据直接整定PID控制器参数，因此无需建模过程；从而避免了因建模引入的模型误差，以及建模所需的大量测试数据和测试建模的时间成本。同时只需要少量的测试数据和计算资源，所以整定过程不会对生成产生较大扰动，适用于PID控制器的在线整定。附图说明为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于PID参数的渐进式整定方法，其特征在于，所述渐进式整定方法包括：/n基于受控系统结构确定对应受控系统的优化问题表达式；/n根据受控系统的优化指标确定对应受控系统的参考系统模型表达式；/n根据受控对象模型的参数范围，确定作为参数整定约束条件的PID参数选取范围；/n确定优化目标参数初始值，基于当前参数值与目标参数值的数值关系，判定是否触发PID参数整定操作；/n如果判定触发PID参数整定操作，在参数整定约束条件下基于参考系统模型表达式对优化问题表达式进行循环求解，直至获取符合优化目标参数初始值的最优解；/n其中，所述优化目标参数初始值包括超调初始值以及峰值时间初始值。/n

【技术特征摘要】
1.用于PID参数的渐进式整定方法，其特征在于，所述渐进式整定方法包括：
基于受控系统结构确定对应受控系统的优化问题表达式；
根据受控系统的优化指标确定对应受控系统的参考系统模型表达式；
根据受控对象模型的参数范围，确定作为参数整定约束条件的PID参数选取范围；
确定优化目标参数初始值，基于当前参数值与目标参数值的数值关系，判定是否触发PID参数整定操作；
如果判定触发PID参数整定操作，在参数整定约束条件下基于参考系统模型表达式对优化问题表达式进行循环求解，直至获取符合优化目标参数初始值的最优解；
其中，所述优化目标参数初始值包括超调初始值以及峰值时间初始值。


2.根据权利要求1所述的用于PID参数的渐进式整定方法，其特征在于，所述基于受控系统结构确定对应受控系统的优化问题表达式，包括：
确定受控系统如公式一所示的参考信号表达式



式中，为k时刻参考闭环控制系统的输出，为k时刻参考闭环控制系统的传递函数，rk为k时刻受控系统中的参考信号，ek为k时刻受控系统的跟踪误差，yk为k时刻受控系统的过程输出测量值，C-1为标准离散PID控制器，uk为k时刻受控系统的过程输入测量值；
对公式一进行调整，得到如公式二所示的代表参考信号输出与过程输出差值的表达式，



定义滤波器Fc(z-1)以及滤波信号代入公式二得到如公式三所示的受控系统的实际输出偏差表达式



式中，||·||p表示p范数，此处p取值2，Fc(z-1)包含PID控制器的三个参数K、Ti以及Td；
基于实际输出偏差表达式，确定对应受控系统进行参数整定过程的优化问题表达式



式中表示针对给定的f0,f1,f2求取最小值的运算符，f0,f1,f2与K、Ti以及Td的对应关系式如公式五所示



式中Ts表示控制系统的采样时间。


3.根据权利要求2所述的用于PID参数的渐进式整定方法，其特征在于，所述滤波器Fc(z-1)的表达式为



式中，f0定义为Td,f1定义为KTs-2Tdf2定义为TiTs2+Td-KTs；K，Ti，Td依次是离散PID控制器的比例、积分时间和微分时间。


4.根据权利要求2所述的用于PID参数的渐进式整定方法，其特征在于，
所述滤波信号的表达式为
所述滤波信号的表达式为
式中为k时刻参考闭环控制系统的传递函数，uk为k时刻受控系统的过程输入测量值，yk为k时...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家栋，
申请(专利权)人：浙江中控技术股份有限公司，浙江中控软件技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33