决定PID控制器积分初始值的方法技术

公开了一种决定ＰＩＤ控制器积分初始值的方法，该方法利用自动调谐过程中，在预设的温度误差设定值间产生控制输出开－关（ＯＮ－ＯＦＦ）切换，并利用所获得的温度误差曲线振幅与温度设定值、最低温度值等参数一起通过积分演算出预估控制初始值，在温度快达到设定值时直接添入稳定积分值，以节省温度反应时间。这样，在ＰＩＤ控制器应用于温度控制时，无需从零开始慢慢积分，从而缩短稳定时间以节省温度反应时间，且没有过冲现象。

Method for determining initial value of integral of PID controller

Disclosed is a method for determining PID controller integral initial value, the method of using automatic tuning process, setting control switch output value in a preset temperature error (on-off) switch, and use the obtained temperature error curve of the amplitude and the set temperature value, the low temperature values through integral algorithm to calculate the predictive control of the initial value, when the temperature reaches the set value quickly directly add stable integral value, in order to save the temperature reaction time. Thus, when the PID controller is applied to the temperature control, it is not necessary to slowly integrate from zero to shorten the settling time to save the temperature, reaction time, and no overshoot.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种决定PID控制器积分初始值的方法，尤其涉及这样一种决定PID控制器积分初始值的方法，即，在PID控制器在积分(I)控制温度快到达设定值时，将预估积分初始值添入，以快速达到稳定无误差的控制。现有技术在现代工业应用控制中，温度控制的应用相当广泛。在例如纺织、染料、汽车烤漆的传统工业、例如食物冷藏保鲜、蛋糕制作的食品业以及如光盘片制作、PCB制作的电子业等等中，都需要稳定的温度来保证品质，因此温度控制时非常重要的。系统的温度控制优选为能快速到达设定温度，且没有过冲(Overshoot)现象。但，在通常控制温度快速到达设定温度时，都会产生过冲现象(即，温度超过设定温度)，且温度上升越快，过冲现象越严重。但如果不要有过冲现象，则温度反应时间就变慢，因此两者很难兼顾。在现有技术中，目前大多都使用PID(比例-积分-微分)控制器来进行温度控制。PID是指比例、微分和积分的控制，其中，比例控制是控制输出与误差量成比例，偏差越大控制器的操作量输出越大；积分控制是用于消除稳态误差，也就是误差越大控制器的控制输出越大；微分控制是控制器的输出依误差的变化量而确定，并可使瞬间变化的误差快速回到稳定状况。但，公知的PID控制器在进行温度控制时，很难达到快速到达设定温度且没有过冲现象的要求。图1到图4所示为现有技术的PID控制器的控制原理方块图及曲线图。其中，Kp(比例常数)、Ti(积分时间)、Td(微分时间)为调整的P、I、D参数，误差值＝设定温度值-实际温度值。利用前述参数并根据公式(1)可计算PID控制器的控制输出量控制输出量＝×误差值公式(1)上述P参数又称为比例参数或比例控制，它是输出量与温度误差量(设定值-实际值)之间的比例关系，当误差量越大输出量就越大，误差量越小输出量越小。如图2所示，根据公式(2)计算其输出量y＝100/PB×X+50公式(2)其中，Kp＝100/PB，PB为比例带，Kp为比例常数，50％为无误差下的控制输出。当误差量为0时，输出量为50％，此时温度设定值等于实际温度值，若温度稳定在这个温度时，该系统没有稳态误差。但事实上误差为0时，输出量不一定为50％，也可能是在0％～100％之间的任一值，而且同一系统的实时输出量也不一定是固定值，它会随着外在环境温度的改变而具有不同的值。因此，只有比例控制是无法达到稳态误差的。D参数是指可调(Kp比例常数)参数之一。当Kp越大，温度反应越快，也越容易超过设定温度。Kp越小，温度反应越慢，当然超出设定温度的可能性就小。I参数又称为积分参数或积分控制，用来消除控制误差量。当温度有误差量时，积分控制会由公式(3)y＝Ki×∫X dt+y0Ki＝Kp×1/Ti；X为误差量公式(3)将每一秒的误差量加起来再乘以固定值换算成操作量输出y，以消除温度误差。图3所示，当误差量越大，由于DIP中积分器的关系而使得操作量也就越大，当误差量等于0时，上述积分器就不再积分，也就是达到与设定温度值稳定无误差状态。此外，现有技术的PID控制器应用于温度的I控制时，其积分是从0开始慢慢积分到达到设定的温度值，因此，根据上述PID控制器原理与I参数(积分控制)，要达到稳定无误差必须花费相当长的时间，尤其是在积分时间Ti很大时，如图4所示的其温度与积分时间(Ti)的曲线图所示，同时，在积分控制过程中，中间还会产生温度往下掉的状态。
技术实现思路
本专利技术的主要目的，在于解决在上述现有技术中存在的缺失，并提供了一种决定PID控制器积分初始值的方法。本专利技术利用自动调谐过程中，在预设的温度误差设定值间产生控制输出开-关(ON-OFF)切换，并利用所获得的温度误差曲线振幅与温度设定值、最低温度值等参数一起通过积分演算出预估控制初始值，在温度快达到设定值时直接添入稳定积分值，以节省温度反应时间。这样，在PID控制器应用于温度控制时，无需从零开始慢慢积分，从而缩短稳定时间以提高温度反应时间，且没有过冲现象。为达上述之目的，本专利技术的决定PID控制器积分初始值的方法，可包括设定步骤，预先设定温度设定值及其温度误差设定值；参数产生步骤，启动自动调谐，在所述温度误差设定值间产生控制输出的开-关切换，以获得调谐曲线的振幅；运算步骤，利用所述振幅及温差等参数进行积分演算，计算出预估的积分初始值；将所述预估积分初始值预先添入所述PID控制器以进行积分控制，从而节省温度达到设定值的反应时间以快速达到稳定状态，并不会发生误差及过冲现象。附图说明图1是现有技术的PID控制器的原理方块示意图；图2是现有技术的PID控制器的P参数控制的曲线图；图3是现有技术的PID控制器的I参数控制的曲线图；图4是现有技术的PID控制器的温度与积分时间(Ti)曲线的示意图；图5是本专利技术的实施例的步骤流程示意图；图6是本专利技术的应用实施例的自动调谐波形示意图；图7是本专利技术方法的温度与积分时间(Ti)曲线的示意图。主要组件符号说明步骤流程100～10具体实施方式下面参照附图对与本专利技术有关的
技术实现思路
进行详细说明。图5所示为本专利技术的PID控制器积分初始值决定方法的流程步骤示意图。如图所示，本专利技术的之PID控制器积分初始值决定方法包括设定步骤100，预设温度设定值E及其温度误差设定值，该温度误差设定值包括以所述温度设定值为基准的正、负误差设定值F、G；参数产生步骤102，启动自动调谐(AT ON)以进行自动调谐时，在温度误差设定值的正、负误差设定值F、G之间产生控制输出的开-关(ON-OFF)切换，以获得曲线振幅A，其中，曲线振幅A是最高与最低温度之间的差值；运算步骤104，利用上述振幅A及温度设定值E与最低温度值H间的温差B，根据公式(4)计算预估的积分初始值；控制初始值I＝(B-G)/(A-G)(％)公式(4)在PID控制器的积分(I)控制过程中，在温度快达到设定值时将上述预估积分初始值直接添入以稳定积分值，从而节省温度达到设定值的反应时间，快速温度反应以达到稳定无误差及无过冲的现象。图6、7所示分别为本专利技术的PID控制器积分初始值决定方法应用于温度控制的一个实施例的自动调谐波形，及其温度与积分时间(Ti)曲线的示意图。如图所示，在该本实施例的方法中，首先执行设定步骤设定上述温度设定值E及其温度误差设定值。其中，所述温度误差设定值的正误差设定值F设定为+0.5℃，负误差设定值G设定为-0.2℃。接着执行参数产生步骤，以在启动自动调谐以进行自动调谐时，温度在正误差设定值F设定之+0.5℃以下，控制输出为“ON”状态以使温度上升，直到在超过正误差设定值F设定值以上时，会把控制输出切换为“OFF”，此时，温度会上升一段时间后才会下降，当温度降到负误差设定值G设定的-0.2℃以下时，控制输出再度转为“ON”状态，这样当温度超过设定温度时，控制输出切换为“OFF”，如此，可求得振幅A与温差B(温度设定值E与最低温度值H之差)，再根据上述公式(4)计算，可得到预估的积分初始值控制初始值I＝(B-0.2)/(A-0.2)(％)根据上述由本专利技术的方法所获得的预估积分初始值，只要在PID控制器中预先添入该预估积分初始值，PID控制器于积分(I)控制过程中，就不需从0开始慢慢积分，从而节省了温度达到设定值且无误差稳定的反应时间，并且不会发生中间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种决定ＰＩＤ控制器积分初始值的方法，包括：ａ）设定步骤，预先设定温度设定值及其温度误差设定值；ｂ）参数产生步骤，启动自动调谐，在所述温度误差设定值间产生控制输出的开－关切换，以获得调谐曲线的振幅；ｃ）运算步骤，利用 所述振幅及温差等参数进行积分演算，计算出预估的积分初始值；ｅ）将所述预估积分初始值预先添入所述ＰＩＤ控制器以进行积分控制，从而节省温度达到设定值的反应时间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林敬义，
申请(专利权)人：台达电子工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]