控制过程调整时间可调的PID参数整定方法

摘要

本发明涉及一种控制过程调整时间可调的PID参数整定方法，该方法包括以下步骤：1)对当前已知类型的被控过程进行辨识，获得被控过程模型参数；2)根据控制要求选定PID控制器类型；3)根据被控过程类型、PID控制器类型从基于多容惯性标准传递函数及调整时间的PID控制器参数计算表中查出对应的PID参数整定计算公式，利用该公式根据被控过程模型参数计算PID控制器参数，并根据参数计算结果控制各PID控制器。与现有技术相比，本发明参数整定方法适用于要求反应缓而超调量小的控制系统并具有稳定性强、鲁棒性高和系统调整时间可调的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种PID参数整定方法，尤其是涉及一种控制过程调整时间可调 的PID参数整定方法。

背景技术

PID控制器是世界上应用最广泛的工业控制器。PID控制器的发明可追溯至 1939的美国专利，它是由英国的考伦德(Albert Callender)和斯蒂文森(Allan  Stevenson)申报的。PID控制器的目的是：要确保整个控制系统的稳定性，抑制 外部干扰的影响和优化系统的性能，在此前提下尽可能的要求操作的简单、易懂， 并尽可能地有很广的适用范围。因此，基于先进的科技手段，我们可以更好地应用 PID控制方法，以更好地改进工业现场的效率和生产成本。

PID控制系统的性能主要取决于PID控制器参数的整定。因此，PID控制器的 参数整定技术成为PID控制器实施成功的关键。自从1942年Tayor公司的J.G. Ziegler和N.B.Nichols提出Ziegler--Nichols整定准则(简称Z-N整定法)后，就 再没有更有影响力的PID控制器参数整定方法出现。不过，用Z-N整定法整定的 PID控制系统的调整时间是固定的，不可调整的。这对于要求控制系统的调整时间 可随需要调整的控制系统就不适合。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高PID控 制系统稳定性和鲁棒性、适用范围广的控制过程调整时间可调的PID参数整定方 法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种控制过程调整时间可调的PID参数整定方法，该方法包括以下步骤：

1)对当前已知类型的被控过程进行辨识，获得被控过程模型参数；

2)根据控制要求选定PID控制器类型;

3)根据被控过程类型、PID控制器类型从基于多容惯性标准传递函数及调整 时间的PID控制器参数计算表中查出对应的PID参数整定计算公式，利用该公式 根据被控过程模型参数计算PID控制器参数，并根据参数计算结果控制各PID控 制器。

所述的基于多容惯性标准传递函数及调整时间的PID控制器参数计算表具体 为：

表中，G_c(s)为PID控制器的传递函数表达式，G₀(s)表示被控过程的传递函数 表达式，K、T、τ分别为被控过程的放大系数、时间常数和纯滞后时间，K_p、T_i、 T_d分别为PID控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数，t_s为控制过程调 整时间。

所述的基于多容惯性标准传递函数及调整时间的PID控制器参数计算表存储 在数据存储器中。

所述的被控过程的类型包括有自平衡过程和无自平衡过程，所述的有自平衡过 程的表达式为：所述的无自平衡过程的表达式为：

所述的PID控制器类型包括比例控制器、比例积分控制器、比例微分控制器 和比例微积分控制器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明基于多容惯性(MCP)标准传递函数和标准传递函数系统与调整时 间的关系进行PID参数整定，经本发明方法整定后的PID控制系统具有稳定性强、 鲁棒性高和减少执行器磨损的特点；

2)本发明方法适用范围广，且适用于那些要求调整时间可随需要调整的控制 系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前 提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。

一种控制过程调整时间可调的PID参数整定方法，该方法适用于要求反应缓 而超调量小的控制系统并具有稳定性强、鲁棒性高和系统调整时间可调的特点。该 方法中采用的基于多容惯性标准传递函数及调整时间的PID控制器参数整定计算 表存储在数据存储器中，可重复使用。

所述的PID控制器参数整定计算表如表1所示，该计算表是先依据多容惯性 (MCP)标准传递函数按照控制器的标准传递函数设计法推导出基本公式然后根 据MCP标准传递函数系统与调整时间的关系添加调整时间得出的，相应控制器参 数(K_p、T_i、T_d)的整定计算公式共16个。与Z-N法公式相比，多了针对PD控 制器的2个公式。PD控制器在工业控制中应用很广泛。

表1

表1中，G_c(s)为PID控制器的传递函数表达式，G₀(s)表示被控过程的传递函 数表达式，K、T、τ分别为被控过程的放大系数、时间常数和纯滞后时间，K_p、 T_i、T_d分别为PID控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数，t_s为控制过 程调整时间。

该方法具体包括以下步骤：

1)对当前已知类型的被控过程进行辨识，获得被控过程模型参数。所述的对 当前被控过程的参数进行辨识采用的方法包括阶跃响应试验法，即在被控过程输入 端加一阶跃信号然后在输出端测取过程的阶跃响应数据，再用阶跃响应图解建模法 求得被控过程参数。

所述的被控过程的类型包括有自平衡过程和无自平衡过程，所述的有自平衡过 程的表达式为：所述的无自平衡过程的表达式为：

2)根据设定选取所需的PID控制器类型，PID控制器类型包括比例控制器(P： G_c(s)＝K_p)、比例积分控制器比例微分控制器(PD： G_c(s)=K_p(1+T_ds))和比例微积分控制器

3)根据被控过程类型、PID控制器类型从PID控制器参数整定计算表中查出 对应的PID参数整定计算公式，利用该公式根据被控过程模型参数计算PID控制 器参数，并根据参数计算结果控制各PID控制器。

假设某被控过程可由式(1)描述，并且得知，各控制参数K＝3、T=1、τ=0.1。 若选PID控制器由式(2)描述，且设调整时间为t_s=1，则可比对表1中对应公式 计算相应的PID控制器参数如式(3)、式(4)和式(5)所示。

$G_0\left(s\right)=\frac{3}{s+1}{e}^{-0.1s}---\left(1\right)$

$G_c\left(s\right)=K_p(1+\frac{1}{T_{i}s}+T_{d}s)---\left(2\right)$

$k_p=\frac{1}{K}(\frac{3\mathrm{T\tau }}{{\left(0.158t_s\right)}^2}-1)=\frac{1}{3}(\frac{3\times 0.1}{{(0.158\times 1)}^2}-1)=3.6724---\left(3\right)$

$T_i=0.474t_s-\frac{{\left(0.158t_s\right)}^3}{\mathrm{T\tau }}=0.474-\frac{{\left(0.158\right)}^3}{0.1}=0.43456---\left(4\right)$

$T_d=(\frac{3\mathrm{T\tau }}{0.158t_s}-T-\tau )/(\frac{3\mathrm{T\tau }}{{\left(0.158t_s\right)}^2}-1)=(\frac{3\times 0.1}{0.158}-1.1)/(\frac{0.3}{{\left(0.158\right)}^2}-1)=0.072498---\left(5\right)$

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