数字PID控制器的自适应调节方法技术

本发明专利技术的目的是通过模拟传感器的反馈，快速自动调整数字比例

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】数字PID控制器的自适应调节方法
[0001]背景资料
[0002]技术专利

[0003]本专利技术涉及数字化比例
‑
积分
‑
微分(PID)控制器的快速自动调节，用于可编程逻辑控制器的工艺流程的自动化。
[0004]现有技术描述
[0005]可编程逻辑控制器(PLC)在诸多领域中广泛应用于工艺流程的自动化。PLC通常由一枚CPU和数个输入，输出信号模块组成。这些电子模块组件用于处理来自数字和模拟传感器的信号并控制各种外围设备，例如压缩机，泵或阀门。
[0006]在工业领域，经常需要通过自动控制的方式在工厂的特定区域保持恒温，恒压，恒定液面或气体体积。以上均可以通过PID控制器来实现，该控制器已在长期应用中证明了其可靠性和通用性。
[0007]如果温度或压力传感器位于执行器(阀门或泵)附近，或者执行器对传感器的影响不大的情况下，人工设置PID控制器的参数并不复杂。
[0008]然而，当传感器离执行器很远时，手动设置PID控制器参数则变得更加复杂，而且存在明显延迟。例如，冷却器中制冷剂的过热温度是由温度和压力传感器的两个数值同时控制。在这些或其他情况下，PID控制器的手动参数化需要相当的经验和对生产设备的深入了解。因此，能自动完成上述工作的设备将十分有用。
[0009]解决PID控制器的自动调节问题好比搜索最优解。一个重要因素是确定PID控制器参数的初始集{K
p
、K
i
、K
d
}(即，比例K<br/>p
、积分动作K
i
、和微分动作K
d
系数)，这是作为自适应调节方法的起点。
[0010]关于这个话题的科学论文和专利技术更倾向于基于模糊逻辑机制的PID控制器的自动调节方法，以期实现具有高解决质量的结果。然而，考虑到以下特点，这个解决方案的整体价值需求也很高。
[0011]·
模糊逻辑的数学手段的计算负荷相对较高。PLC通常为技术过程的自动化执行各种任务，并可同时使用几个PID控制器来实现这一目的。如果带有PID控制器的模糊逻辑机制被长期用于控制变量的修改，而不是仅仅用于工业设备的初始设置，即使对于现代PLC来说，累积的计算负荷也可能非常高。
[0012]·
与具体问题的关联：模糊推理方法的规则集以及模糊化和去模糊化的函数参数通常是为了解决一个明确的问题而选择的。这可导致该解决方法缺乏通用性。
[0013]本专利技术的披露
[0014]本专利技术的目的是通过通过实际值的模拟反馈快速自动调整PID控制器的参数，用于可编程序逻辑控制器的过程自动化。
[0015]本专利技术通过引入一组数学公式，用于计算负反馈闭环控制中数字PID控制器的三个参数K
p
、K
i
和K
d
中每个参数的调整步长值和调整速度，从而实现专利技术目的。PID控制器的参数是通过时间转移来调整，也就是说，彼此之间是分开的。
[0016]本专利技术的特点：
[0017]·
使用数个方程来修改每个时间点数字PID控制器的三个参数能够保证低计算负载。
[0018]·
数字PID控制器的参数要在设备设置过程中进行一次调整。
[0019]·
该方法具有较为良好的通用性，不仅限于使用特定的被控对象。
[0020]可能的应用限制：
[0021]·
该方法的收敛性取决于PID控制器参数K
p
、K
i
和K
d
的给定初始值，类似于优化问题中的局部和全局最小值搜索算法。
[0022]·
具有指定被控对象的闭环控制应该有特定的质量保证，以确保适应性和控制稳定性。
[0023]·
数字PID控制器的控制变量只受到正值的限制。这种限制是由于执行器(即泵，阀等)是由正模拟信号(如旋转速度或开模行程)控制的，范围在0到100％之间。
[0024]附图简要说明书
[0025]所有突出本专利技术新颖性的特征在所附的权利要求书中都有详细描述。然而，本专利技术的要素已在下面的详细说明书中列出，并附有实施本专利技术最佳模式的附图。
[0026]Fig.1.调整PID控制器的时间尺度
[0027]Fig.2A.PID控制器的自适应调节方法流程图(开始)
[0028]Fig.2B.PID控制器的自适应调节方法流程图(结束)
[0029]Fig.3.闭环控制
[0030]Fig.4.1号被控对象对阶跃函数的反应
[0031]Fig.5.2号被控对象对阶跃函数的反应
[0032]Fig.6.3号被控对象对阶跃函数的反应
[0033]Fig.7.4号被控对象对阶跃函数的反应
[0034]Fig.8.5号被控对象对阶跃函数的反应
[0035]实施本专利技术的最佳模式
[0036]以下配有附图的详细说明书是指实施本专利技术的最佳模式，而非本专利技术的精简形式。权利要求中包含的所有修改和补充都已在相关权利要求中披露。
[0037]以下是实施本专利技术的最佳模式。
[0038]本专利技术涉及到由标准方程描述的PID控制器的自适应调节，如下所示[1]：
[0039][0040]其中：
[0041]y
t
是PID控制器在时间t的控制变量；
[0042]e
t
是时间t的控制误差，其计算公式为e
t
＝w
–
x
t
；
[0043]w是设定值；
[0044]x
t
是时间t的实际值；
[0045]de
t
是时间t的控制误差e
t
的一阶微分，其计算公式为de
t
＝e
t
–
e
t
‑1；
[0046]e
t
‑1是时间t
‑
1的控制误差；
[0047]K
p
是比例系数；
[0048]K
i
是积分作用系数，计算公式为K
i
＝K
p
/T
i
；
[0049]T
i
是复位时间；
[0050]K
d
是微分作用系数，计算公式为K
d
＝K
p
·
T
d
；
[0051]T
d
是微分时间；
[0052]dt是PID控制器的采样时间T
s
。
[0053]为了在本专利技术中进一步使用方程(1)，有必要去除一个在PID控制器中的显式积分器。可以通过根据时间t对方程(1)的两边进行微分来达到[1]：
[0054][005本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.在现代工业中，PID控制器是自动控制系统的一个重要组成部分。特点为解决方案简单易用并且节约计算资源。目前，PID控制器自适应调节的首选方法是模糊逻辑机制，该方法可以得到具有高质量解决方案的结果。但这种解决方法存在数学计算量高，被控对象特异性的问题。本发明所提出的适应性调整方法预设了数字PID控制器应用的通用性，即不与特定的被控对象相联系，它的特点是计算负荷低，通过采用数个方程来调整PID控制器的三个参数来实现上述特点。这种PID控制器参数，即比例K
p
、积分作用K
i
和微分作用K
d
系数的调节方法的重要特点是，它们可进行周期性自适应调节，具备时间任务属性，即在时间t的任何一点上只有一个PID控制器的参数发生变化。为了强调这种方法的离散性，时间参数t取值为k、m或n的时间集，即：t∈{0,
…
,k
‑
1,m
‑
1,n
‑
1,k,m,n,k+1,m+1,n+1,
…
,+∞}。此外，参数K
p
仅在时间步数k
‑
1、k或k+1时被修改，参数K
i
仅在时间步数m
‑
1、m或m+1时被修改，参数K
d
仅在时间步数n
‑
1、n或n+1时被修改。之后，修改后的参数K
p
、K
i
和K
d
以及控制误差，即设定值和实际值之间的差异，被输入数字PID控制器的方程，以计算新的控制变量。这种做法可以大大减少工业控制器的计算负荷。该计算过程在随后的时间步长中重复进行，直到控制误差达到一个给定的极值。2.数字PID控制器的比例系数K
p
的自适应调节是在时间步长k(即时间参数t＝k)按照公式(15)进行的：其中：K
pk
是时间步长k的比例系数；K
pk
‑1是时间步长k
‑
1的比例系数；α
pk
是比例系数K
p
在时间步长k的调整速度；dK
pk
是参数K
p
在时间步长k的调整步长值。根据公式(16)，在时间步长k计算出调整步骤值dK
pk
：其中：dy
t
是时间t的控制变量变化，其确定为dy
t
＝y
t
–
y
t
‑1，dy
t≤0
＝0；y
t
是时间t的控制变量，y
t≤0
＝0；y
t
‑1是时间t
‑
1的控制变量，y
t
‑1＝0，d2y
t
是控制变量y
t
在时间t上的二阶微分，其计算公式为d2y
t
＝dy
t
–
dy
t
‑1；dy
t
‑1是时间t
‑
1的控制变量变化，dy
t
‑1＝0，
dt是PID控制器的采样时间T
s
，例如T
s
＝0.1秒；e
t
是时间t的控制误差，其计算公式为e
t
＝w
–
x
t
；w是设定值；...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦丁，
申请(专利权)人：瓦伦丁，
类型：发明
国别省市：