基于阶跃辨识的PID自整定算法研究及其应用

摘要

在现有的工业控制器中,PID控制器以其原理简单、鲁棒性好的优点成为实际应用中使用最广泛的一类控制器。然而简单的PID整定算法不能很好的适应复杂多变的系统要求,而人工调整参数又需要较强的先验知识同时也非常费时。所以在工业过程中,为了提高控制器的控制精度和自动化程度,越来越多的PID控制器使用自整定控制技术。本文将对基于阶跃辨识的PID自整定算法进行研究,研究内容主要包括阶跃响应辨识、控制器参数整定、PID自整定软件设计三方面。
　　本文将分别针对工业过程中的稳定二阶纯滞后模型、一阶惯性微分纯滞后模型和不稳定一阶纯滞后模型,研究了基于阶跃响应的模型辨识方法和基于内模控制的PID控制器整定方法,同时将以上两部分的研究成果结合,发展了PID控制器定量自整定方法,并将这个算法应用到了PID自整定软件设计中。本文的主要创新性成果包括:
　　(1)针对工业中较常见的稳定二阶纯滞后模型,首先提出了一种简单的阶跃响应辨识方法,研究了阶跃响应曲线与模型参数之间的联系,并通过解析的方法辨识得到模型参数。此方法在较小噪声干扰时具有理想的辨识效果。同时针对较大噪声干扰的场合,提出了基于遗传算法的最小二乘阶跃辨识方法,这个方法利用遗传算法的原理解决了传统的最小二乘法起始点和终止点难以选择的问题。
　　(2)以火力发电工业实践中汽轮机控制系统为背景,研究了火力发电中一种典型的对象——一阶惯性微分纯滞后模型,提出了基于最小二乘法的阶跃响应辨识方法。本文所提的辨识方法可以使用简单的阶跃信号,在没有对象先验信息的情况下同时辨识对象模型的三个参数,并具有良好的抗干扰能力和鲁棒性。
　　(3)针对不稳定一阶纯滞后模型,研究了基于继电反馈的闭环阶跃响应辨识方法。首先基于继电反馈和Z-N整定方法,给出了不稳定模型对应的PID控制器参数,然后利用该PID控制器对不稳定模型进行控制,最后通过阶跃响应辨识方法来辨识闭环传递函数从而得到不稳定一阶纯滞后模型的辨识参数。由于这个方法是闭环执行,所以拥有良好的抗干扰能力;而利用阶跃响应辨识方法则可以达到较高的辨识精度。
　　(4)针对时滞系统中较难整定的不稳定一阶纯滞后模型,提出了基于内模控制的PID控制器整定方法。同时为了减小系统的超调量,增加了前置滤波器使系统无超调跟踪输入信号。本文方法的突出优点是:控制器整定简单直观,保证无超调或极小超调,对时滞的不稳定对象能进行有效的镇定和控制。
　　(5)利用上面所述的创新成果,研究和设计了基于阶跃辨识的PID自整定软件。该软件通过阶跃响应辨识方法对模型进行辨识,辨识精度高,时间短,操作简单,并能简单有效地实现PID控制器参数的自整定。同时该软件支持多种工业过程控制的通信协议,既可以用于嵌入式设备也可以用于大型的PLC或DCS系统中。

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第一章 绪论

1.1课题背景与研究意义

1.2 PID自整定方法的研究现状

1.3自整定软件的发展状况

1.4 PID控制简介

1.5本文的研究工作及结构安排

第二章 基于阶跃响应模型参数辨识方法的研究

2.1引言

2.2一阶纯滞后系统辨识方法

2.3二阶纯滞后模型的阶跃辨识方法

2.4一阶惯性微分纯滞后模型的阶跃辨识方法

2.5不稳定一阶纯滞后模型的闭环阶跃辨识[39]

2.6仿真实例

2.7本章小结

第三章 PID控制器参数整定方法研究

3.2基本PID 整定方法

3.3基于内模控制的稳定系统PID整定方法

3.4基于内模控制的不稳定一阶纯滞后模型PID整定方法

3.5本章小结

第四章 PID自整定软件的设计

4.1引言

4.2 PID自整定软件的总体设计

4.3 PID自整定软件各功能模块介绍

4.4本章小结

第五章 基于PID自整定软件的应用

5.1引言

5.2直流无刷电机控制系统

5.3基于Rockwell PLC 的PID自整定控制系统

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参 考 文 献

致谢

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