一种PID调节算法、PID调节器和PID调节系统

摘要

本申请提供一种PID调节算法和PID调节器和PID调节系统，PID调节算法应用于PID调节器中，用于依据PID增量式算法公式计算得到调节信号，PID增量式算法公式中用到的输入偏差量e^(k)满足公式：e^(k)＝e(k)‑e(k‑1)‑p*e(k)，其中，k为采样周期，p为收敛因子，de/dt＝p*e，且p<0。当采用该PID调节算法调节目标系统的输出量时，只需调试比例增益和收敛因子两个参数即可，在合理调试比例增益保证过程量不振荡的前提下，通过合理设置收敛因子p，可进一步提高过程量的控制响应性，使其更快达到目标值，并减少了超调量，相对于现有的算法控制效果，具有明显的改进。

说明书

技术领域

本发明涉PID调节技术领域，具体涉及一种PID调节算法和PID调节器和PID调节系统。

背景技术

PID控制广泛应用于工业过程控制中，其基本原理是按照偏差的比例、积分、微分的线性组合来进行控制的，PID控制可简单分为常规PID和智能PID两种，其中，常规PID控制存在比例增益、积分时间、微分时间较难确定的问题，针对于此，基于扩充临界比例带法应运而生，该方法根据不同的控制度，得到PID不同的整定参数，整定后得到只含有比例增益的简化了的增量式表达式，因此，现场调试中只需调整比例增益即可，降低了调试难度，但该方法对于大惯性过程量的调节响应控制速度较慢，抑制超调能力较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PID调节算法和PID调节器和PID调节系统，用于解决现有技术中PID调节算法对于大惯性过程量的调节响应控制速度较慢，抑制超调能力较差的问题。

一种PID调节算法，应用于PID调节器中，用于依据PID增量式算法公式计算得到调节信号，包括：

将第二输入偏差量e^∧(k)代替所述PID增量式算法公式中的第一输入偏差量e(k)，所述第二输入偏差量e^∧(k)＝e(k)-e(k-1)-p*e(k)，其中，所述k用于表示第k个采样周期，p为收敛因子，且p<0。

优选的，上述PID调节算法中，用于依据PID增量式算法公式计算得到调节信号，包括：

获取预设的给定值；

实时获取对目标系统输出量的实测值；

计算得到所述给定值与所述实测值之间的第一输入偏差量e(k)；

依据公式e^∧(k)＝e(k)-e(k-1)-p*e(k)计算得到第二输入偏差量e^∧(k)；

将所述第二输入偏差量e^∧(k)代替第一输入偏差量e(k)代入PID增量式算法公式，依据所述PID增量式算法公式计算并输出调节信号。

优选的，上述PID调节算法中，依据所述PID增量式算法公式计算并输出调节信号，包括：

依据公式计算并输出调节信号u(k)。

一种PID调节器，用于依据PID增量式算法公式计算得到调节信号，所述PID调节器中的PID增量式算法公式中的第一输入偏差量e(k)被第二输入偏差量e^∧(k)所代替，所述第二输入偏差量e^∧(k)＝e(k)-e(k-1)-p*e(k)，其中，所述k用于表示第k个采样周期，p为收敛因子，且p<0。

优选的，上述PID调节器中，包括：

第一采集模块，用于获取预设的给定值；

第二采集模块，用于实时获取对目标系统输出量的实测值；

第一计算模块，用于依据计算得到所述给定值与所述实测值之间的第一输入偏差量e(k)，依据公式e^∧(k)＝e(k)-e(k-1)-p*e(k)计算得到第二输入偏差量e^∧(k)；

第二计算模块，用于将所述第二输入偏差量e^∧(k)代替第一输入偏差量e(k)代入PID增量式算法公式，依据所述PID增量式算法公式计算并输出调节信号。

优选的，上述PID调节器中，所述第二计算模块具体用于：

依据公式计算并输出调节信号u(k)。

一种PID调节系统，包括：目标系统和上述任意一项公开的PID调节器；

所述目标系统的输入端与所述第二计算模块的控制端相连、输出端与所述PID调节器的第二采集模块的输入端相连，所述目标系统用于依据所述调节信号u(k)调节输出量。

通过以上方案可知，当采用本申请上述实施例公开的PID调节算法调节目标系统的输出量时，只需调试比例增益和收敛因子两个参数即可，在合理调试比例增益保证过程量不振荡的前提下，通过合理设置收敛因子p，可进一步提高过程量的控制响应性，使其更快达到目标值，并减少了超调量，相对于现有的算法控制效果，具有明显的改进。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术PID调节算法的调节过程原理示意图；

图2为PID调节过程中过程量目标值与实际值的偏差变化示意图；

图3为本申请实施公开的一种PID调节算法的原理图；

图4为本申请实施实施例公开的PID调节算法的流程示意图；

图5为本申请实施例公开的一种PID调节器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为现有技术中PID调节算法的调节过程原理示意图，申请人经过对传统的PID调节算法进行研究发现，PID调节算法的基本原理是按照偏差的比例P、积分I和微分D的线性组合来进行控制，其控制框图可见附图1，其模拟量表达式如下：

其中，所述e(t)为PID输入偏差，u(t)为PID调节器输出量，K_p为比例增益，T_i为积分时间，T_d为微分时间，T_s为采样周期，通过将上述公式离散化后，可得到第K个采样周期时刻对应的表达式，如下：

同理，第K-1个采样周期时刻对应的表达式为：

综合上式，可得离散化PID增量式算法公式为：

根据Ziegler J.G.和Nichols N.B提出的Z-N模拟量整定公式，设Tcr为纯比例作用下的临界振荡周期，则可整定出Ti＝0.5Tcr，Td＝0.125Tcr，根据简化的扩充临界比例带法，人为设定以下约束条件：令Ts＝0.1Tcr，将上述参数代入PID增量式算法公式，对公式1进行化简可得：

在固定目标值阶跃输入下，PID调节过程中，过程量目标值与实际值的偏差变化示意图可参见附图2，从图2中可看出：

(1)当偏差e<0，需要控制de/dt>0，e才会趋近于0，见附图2标识①，反之，e会偏离0，见附图2标识②；

(2)当偏差e>0，需要控制de/dt<0，e才会趋近于0，见附图2标识③，反之，e会偏离0，见附图2标识④。

针对于此，故可设计de/dt＝p*e，当满足p<0，可实现e收敛于0，进而实现了PID反馈值跟踪PID给定值的目的，上述过程中收敛的速度由收敛因子p控制，通过调整所述收敛因子p的大小即可实现提高对过程量的控制响应性，使目标系统的输出量更快达到目标值，从而提高了过程控制效果。

针对于此，本申请公开了一种PID调节算法和PID调节器和PID调节系统。其中，所述方法应用于PID调节器中，用于依据PID增量式算法公式计算得到调节信号，该方法包括：

将第二输入偏差量e^∧(k)代替所述PID增量式算法公式(1)中的第一输入偏差量e(k)，所述第二输入偏差量e^∧(k)＝e(k)-e(k-1)-p*e(k)，其中，所述k用于表示第k个采样周期，p为收敛因子，且p<0，de/dt＝p*e，且p<0。

当采用本申请上述实施例公开的PID调节算法调节目标系统的输出量时，只需调试比例增益和收敛因子两个参数即可，在合理调试比例增益保证过程量不振荡的前提下，通过根据不同的控制对象设置与之匹配的比例增益和收敛因子p，使得控制过程快速、准确且稳定，可进一步提高过程量的控制响应性，使其更快达到目标值，并减少了超调量，相对于现有的算法控制效果，具有明显的改进。

其中，本申请上述实施例公开的所述目标系统根据测试对象的不同而不同，例如，其可以为工业控制场合的温度过程控制调节系统中、压力过程控制 调节系统、恒压、恒流调节电路等，当然也可以应用于其他调节系统中，对此本申请不在一一说明。

针对于上述方法，参见图3和图4，本申请上述实施例公开的PID调节算法的工作过程可以包括：

步骤S101：获取预设的给定值r；

其中，所述给定值的大小可以依据用户需求自行调整；

步骤S102：实时获取对目标系统输出量的实测值y；

步骤S103：计算得到所述给定值r与所述实测值y之间的第一输入偏差量e(k)；

步骤S104：依据公式e^∧(k)＝e(k)-e(k-1)-p*e(k)(公式3)计算得到第二输入偏差量e^∧(k)；

步骤S105：将所述第二输入偏差量e^∧(k)代替第一输入偏差量e(k)代入PID增量式算法公式，依据所述PID增量式算法公式计算并输出调节信号；

其中，该步骤中，参见上述实施例中的介绍说明，所述依据所述PID增量式算法公式计算并输出调节信号，具体可以为：

依据公式计算并输出调节信号u(k)，将所述e^∧(k)替代公式1中的e(k)后即可得到的公式3。

所述调节信号作为目标系统的调节量输入至所述目标系统的控制端，所述目标系统依据所述调节信号调节自身的输出量，进入步骤S102，从而完成PID算法的闭环调节，使得所述目标系统的输出量不断向所述给定值接近。

可以理解的是，针对于上述PID调节算法，本申请实施例还公开了一种PID调节器，用于依据PID增量式算法公式计算得到调节信号，其中，所述PID调节器中用到的PID增量式算法公式中的第一输入偏差量e(k)被第二输入偏差量e^∧(k)所代替，所述第二输入偏差量e^∧(k)＝e(k)-e(k-1)-p*e(k)，其中，所述k用于表示第k个采样周期，p为收敛因子，且p<0，de/dt＝p*e，且p<0。

上述实施例公开的所述PID调节器，当采用本申请上述实施例公开的PID调节算法调节目标系统的输出量时，只需调试比例增益和收敛因子两个参数即可，在合理调试比例增益保证过程量不振荡的前提下，通过合理设置收敛因子p，可进一步提高过程量的控制响应性，使其更快达到目标值，并减少了超调量，相对于现有的算法控制效果，具有明显的改进。

可以理解的是，针对于上述方法，本申请上述实施例公开的所述PID调节器具体可以包括：

第一采集模块10，用于获取预设的给定值；

第二采集模块20，用于实时获取对目标系统输出量的实测值；

与所述第一采集模块10和第二采集模块20相连的第一计算模块30，用于依据计算得到所述给定值与所述实测值之间的第一输入偏差量e，依据公式e^∧(k)＝e(k)-e(k-1)-p*e(k)计算得到第二输入偏差量e^∧(k)，其中所述k为采样周期，p为收敛因子，de/dt＝p*e，且所述p<0；

与所述第一计算模块30相连的第二计算模块40，用于将所述第二输入偏差量e^∧(k)代替第一输入偏差量e(k)代入PID增量式算法公式，依据所述PID增量式算法公式计算并输出调节信号。

与上述方法相对应，所述第二计算模块具体用于：

依据由PID增量式算法公式代入PID增量式算法公式后得到的公式计算并输出调节信号u(k)。

可以理解的是，参见图5，本申请还公开了一种应用上述PID调节器的PID调节系统，该系统包括：目标系统50和本申请上述任意一项实施例公开的PID调节器；

所述目标系统50的输入端与所述第二计算模块40的控制端相连、输出端与所述PID调节器的第二采集模块20的输入端相连，所述目标系统50用于依据所述调节信号u(k)调节输出量的大小。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。