一种工业过程控制技术领域的单输入单输出系统的极限ＰＩＤ控制方法，步骤如下：１）当工控机的检测部分接到主机发出的采样命令后，对被控制对象进行采样滤波，由模拟量输入通道将采样信号送入检测变送装置，再经Ａ／Ｄ转换后得到数字信号后对对象进行辨识；２）通过确定控制器可调参数λ的下限，保证对应的ＰＩＤ控制器的四个参数取值为正；３）判断经过Ａ／Ｄ转换后的数字量输入信号极性，据此计算误差信号；４）计算极限ＰＩＤ控制器参数值；５）计算控制信号增量的值，由Ｄ／Ａ转换后输出至执行器，使被控对象运行在给定的范围内。本发明专利技术得到的控制器逼近理论设计出的最优控制器性能，可达到用户满意的标称性能和鲁棒性能，实现更好的控制效果。
Limit PID control method for single input single output system
A control method of single input limit PID industrial process control technology of single output system comprises the following steps: 1) when the detection part of IPC is received from the host sampling command, to control object by sampling filter, analog input channel and the sampling signal into the detection of transmission device, and then by A / after D conversion of digital signal of object identification; 2) the limits of controller parameter can be adjusted, to ensure that the four parameters of the PID controller of the corresponding positive; 3) judgment after the digital input signal A / D conversion after the polarity of the calculated error signal; 4) to calculate the limit PID the controller parameter values; 5) computing control signal output by the incremental value of D / A conversion to the actuator, so that the operation of the controlled object in a given range. The optimal controller performance is obtained by the controller approximation theory, and the nominal performance and the robust performance of the user satisfaction can be satisfied, and better control effects can be achieved.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种工业过程控制
的方法，特别是一种单输入单输出系统的极限PID控制方法。
技术介绍
PID控制器整定方法的目的就是要获得最好的比例、积分、微分控制的时间常数项，来使实际过程的闭环响应尽可能好的与理想的闭环响应相一致。目前，使用较多的PID控制器整定方法还是以传统的经验方法为主。然而传统的基于经验的整定方法都只利用了系统动态特性的部分信息，无法按指定性能和鲁棒性设计控制器。近年来发展起来的基于IMC控制结构的控制器设计方法，因为充分利用了系统的动态特性信息，力图设计出最优控制器而受到广泛的重视。为了在物理上易于实现，通常使用两种方法设计最优PID控制器。一种是采用一般的近似方法(如Pade近似或Taylor近似等)展开被控对象的纯滞后项，即将被控对象近似转化成有理形式，然后针对有理控制对象推导最优控制器，再等效为PID控制器的形式；一种是先推导控制器，然后用有理近似方法对控制器所包含的纯滞后项进行近似降阶。前一种方法比较简单，后一种方法则具有较好的标称性能。但是由于两种方法都是针对模型或推导的最优控制器中的无理项(即纯滞后项)进行逼近，也存在不足。因此在各产业的控制要求逐渐细化提高的情况下，需要更为精确的方法来获得满足要求的PID控制器。经对现有技术的文献检索发现，Yongho Lee等人在《AIChE Journal》(美国化学工程协会杂志)(1998年1月，第1期，总第44卷，第106-115页)上发表的“PID controller tuning for desired closed loop response for SI/SO systems”(单输入单数出系统理想闭环响应的PID控制器调节方法)，该文提出一种基于Maclaurin展开式的PID控制器(以下简称Maclaurin PID控制器)设计方法，该方法在理论上能达到更好的系统性能，其不足是文章中没有给出具体的控制器参数的整定方法。专利技术专利“定量整定鲁棒性的智能比例积分微分控制方法”(申请号03115673.8)用Maclaurin展开式对控制器的最优解的逼近，虽然控制器参数表达式相对复杂，但所得的控制器要比仅使用一阶Pade近似或Taylor近似所得到的H∞PID控制器和H2PID控制器效果更好。尽管如此，Maclaurin PID控制器与近似前的原始控制器还是存在一定的误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种单输入单输出系统的极限PID控制方法，使其依据解析的方法设计最优控制器，再采用Maclaurin展开序列和Pade近似理论对包含有纯滞后的控制器进行降阶，得到的控制器可以最大可能的逼近理论设计出的最优控制器性能。通过定量调节控制器参数可以达到用户满意的标称性能和鲁棒性能，实现更好的控制效果。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术在现有的鲁棒控制器设计方法以及单参数PID整定方法的基础上，将提出的极限PID控制方法集成在工业控制系统的监控模块中实现控制作用。采用单位反馈控制结构，在工控系统辨识出控制对象模型的基础上，根据用户对系统响应的实际要求和辨识出的模型参数得到控制器调节参数的所取的初值，然后将这些数据送入监控模块，自动执行事先编制好的PID控制程序，计算出最佳PID控制器参数并得到控制信号，从而实现对系统鲁棒性的定量整定，使系统的标称性能和鲁棒性以最佳的方式达到折中。同时用户还可通过在线调节控制器参数来调节控制效果，获得要求的标称性能和鲁棒性。具体步骤如下1)当工控机的检测部分接到主机发出的采样命令后，对被控制对象进行采样滤波，由模拟量输入通道将采样信号送入检测变送装置，再经A/D转换后得到数字信号后对对象进行辨识，对象辨识模块基于阶跃响应法辨识出一阶加纯滞后模型G(s)=Ke-θsτs+1]]>的参数，稳态增益K、时间常数τ和纯滞后时间θ，并将辨识出的模型参数送到主机的存储单元RAM中。若模型为高阶对象则要先进行降阶为一阶加纯滞后的形式，再辨识出相应的模型参数。2)控制器参数的调节和整定为保证本专利技术中极限PID控制器的可实现性，即保证对应的PID控制器的四个参数比例增益KC、积分时间常数TI、微分时间常数TD以及TF取值为正，需要加一个约束条件，即控制器可调参数λ有一个下限，下式给出了λ最小值的解析解。λmin=θ+τ-θ2+9τ2θ-4τθ,θ≠4τθ/5,θ=4τ]]>式中θ-控制对象纯滞后，τ-控制对象时间常数，λ-系统性能度，即系统可调参数。整定控制器时可以先将λmin和辨识出的模型参数输送到极限PID控制器参数的计算单元，由第4)步给出的公式计算出PID控制器的四个参数，再送入控制单元实现闭环控制，观测响应曲线，通过在线的从小到大单调增加λ来整定控制器，直至获得要求的响应。需要指出的是，采用较大的λ值可以获得较小的超调量和较好的鲁棒性能，但同时会导致较长的上升时间；而采用较小的λ值可以增加系统的响应速度，但是牺牲了一定的鲁棒性，同时可能会导致系统存在较大的超调。调节λ的步长可设定为0.01θ或更小。对于纯滞后很小的控制对象还可以通过时间常数τ来确定典型步长，譬如θ≤0.1τ时可以考虑取典型步长为0.001τ或0.01τ。如果控制系统所需达到的标称性能指标已指定，还可以按照以下经验公式得到λ的初值或λ调节的参考范围σ=-4.75(λ/θ)3+7.68(λ/θ)2-4.10λ/θ+0.72,0.1≤λθ≤0.530,0.53<λ/θ≤1.2]]>tr/θ=48.98(λ/θ)3-28.86(λ/θ)2+7.06(λ/θ)+1.16,0.1≤λ/θ≤0.4810.13λ/θ-0.11,0.48<λ/θ≤1.2]]>式中σ-超调，tr-上升时间。此经验公式构建起了系统所需达到的标称性能指标和最佳控制器参数之间的直观联系，连同本专利技术中λmin计算方法一同装入监控模块中，并将二者计算结果中较大值送入主机存储单元RAM中。这种调节参数的经验算法为工程技术的调试工作提供了快速有效的解决方案。3)由监控模块执行事先编制好的极限PID控制程序首先对本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种单输入单输出系统的极限ＰＩＤ控制方法，其特征在于，具体步骤如下：１）当工控机的检测部分接到主机发出的采样命令后，对被控制对象进行采样滤波，由模拟量输入通道将采样信号送入检测变送装置，再经Ａ／Ｄ转换后得到数字信号后对对象进行辨识， 对象辨识模块基于阶跃响应法辨识出一阶加纯滞后模型＊＊＊的参数，稳态增益Ｋ、时间常数τ和纯滞后时间θ，并将辨识出的模型参数送到主机的存储单元ＲＡＭ中；２）控制器参数的调节和整定：通过确定控制器可调参数λ的下限，保证对应的ＰＩＤ控制器的 四个参数比例增益Ｋ↓［Ｃ］、积分时间常数Ｔ↓［Ｉ］、微分时间常数Ｔ↓［Ｄ］以及Ｔ↓［Ｆ］取值为正，下式给出了λ最小值的解析解：＊＊＊式中：θ－控制对象纯滞后，τ－控制对象时间常数，λ－系统性能度，即系统可调参数；３） 由监控模块执行事先编制好的极限ＰＩＤ控制程序：首先对控制系统输出采样滤波，经模拟量输入通道传输信号，并将信号接入检测变送装置，再经Ａ／Ｄ转换后得到数字量输入信号与此时的系统输入信号相减，判断该信号极性，并据此计算误差信号，以保证控制器比例增益取值为正；４）读取存储单元ＲＡＭ中的被控对象模型参数和得到的控制器参数λ参考取值，按下式计算极限ＰＩＤ控制结构和公式计算ＰＩＤ控制器系数值：＊＊＊式中：＊＊＊Ｔ↓［Ｄ］＝θ（θ↑［３］＋６τθ↑［２］＋２４ τ↑［２］θ－６λτθ＋２４λτ↑［２］）／６（θ↑［３］＋６τθ↑［２］－θ↑［２］λ＋１２τ↑［２］θ＋１２τ↑［２］λ）Ｔ↓［Ｆ］＝－θ（－２τλθ＋２τθ↑［２］－４λ↑［２］τ－２θ↑［２］λ＋θλ↑［２］）／２（－２λθ ＋θ↑［２］＋６λτ＋６τθ）（λ＋θ）其中：Ｋ－控制对象增益，θ－控制对象纯滞后，τ－控制对象时间常数，λ－系统性能度，Ｋ↓［Ｃ］－控制器增益，Ｔ↓［Ｉ］－控制器积分时间，Ｔ↓［Ｄ］－控制器微分时间，Ｔ↓［Ｆ］－滤波器时间常数； ５）按照离散域ＰＩＤ控制算式计算控制信号增量Δｕ（ｎ）的值，与前一时刻的控制信号ｕ（ｎ－１）通过加法器进行加法运算就得到当前时刻的输出控制信号ｕ（ｎ）；并对ｕ（ｎ）进行限幅，防止积分饱和，由Ｄ／Ａ转换后输出至执行器，由执行器作用到被控 对象，使被控对象运行在给定的范围内，同时显示现时的状态参数，原始数据系列向前滚动一个单元，如此周而复始，实现整个工控系统的有效...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张卫东，陈培颖，曹春生，尹汝泼，赵青，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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