PI参数混合整定法制造技术

本发明专利技术涉及一种PI参数混合整定法，其为使闭环矢量控制系统工作在最佳状态下，提出了采用基于模型的离线式整定与模糊PI在线整定相结合的混合整定法，该方法是：首先根据矢量控制原理推导出系统的数学模型，采用恒转矩启动并自由停机的方法计算出转动惯量，根据数学模型计算PI参数和内环补偿量；然后采用模糊PI控制器，提出新的PI控制规则表；最后通过对比实验验证PI参数的准确性。本发明专利技术PI参数混合整定法提高了系统的动态性能和稳态精度，优于仅采用单一整定法的系统，验证了本方法的有效性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及PID控制
，特别是涉及一种PI参数混合整定法。
技术介绍
PID控制是迄今为止最通用的控制算法。1915 1940年PID控制器经历了从产生到普及的过程，推动了工业的极大进步。尽管自1940年至今，大量的专家学者提出了许多先进控制方法，但PID控制器以其结构简单，计算量小，易于实现，而且还具有很强鲁棒性等诸多优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力和机械等各种工业过程控制中。目前，在全世界过程控制中，纯PID调节器占了 84 %，若将其改进型包含在内，则该比例超过90% (参见文献1和2。文献1《PID参数先进整定方法综述》，王伟，张晶涛， 柴天佑，自动化学报，2000，沈(3) :348 355;文献2《PID参数自整定方法概述》，何颖，鹿蕾，赵争鸣· ·现代电子技术，2004，24 :20 23)。在对异步交流电机的控制中，通常采用矢量控制与PID控制器相结合的方式，PID 的参数整定可分为离线式和在线式两种。离线式整定完全基于系统模型，但交流电机模型复杂，难以构建精确模型；在线式整定一般采用智能算法如模糊、神经网络等，不依赖系统模型，但容易陷入局部最优值。当前许多应用中基本都采用较为简单且易实现的在线整定， 不用花费大量精力构建系统数学模型，因此整定效果有限(参见文献3-5。文献3《一种 PID模糊控制器(fuzzy PI+fuzzy ID型)》，李庆春，沈德耀..控制与决策，2009，(07) ’文献4《一种改进的单神经元PID控制策略[J]》，王秀君，胡协和，浙江大学学报(工学版)， 2011, (08)；文献 5 为 B. M. Mohan, Arpita Sinha. The simplest fuzzy PID controllers mathematical models and stabilityanalysis[J]. Soft Computing，2006，10 (10))。从PID控制器出现以来，各种先进PID参数整定方法层出不穷，但在实际应用中， 这些方法很难达到令人满意的效果，大多PID控制器的参数是依靠控制工程师所积累的现场调节经验来整定的，费时费力，整定的参数也不具备通用性。其中一个典型的PID控制系统的结构如图1所示。在日本、加拿大、和英国对工业实践的调查显示，有30%的控制器是手动整定的， 并且有20%依靠现场经验，仅有很小比例的控制回路工作在良好整定的条件下。当前比较流行且有效的参数自整定主要分为基于规则的自整定、基于模型的自整定和智能PID参数自整定(参见文献1和2)。1.基于规则的自整定对于模型结构未知的系统，可采用基于规则的整定方法，根据控制器的输出和过程变量的观测值来表征系统的动态特性，依据特定的规则计算出相应的PID参数，具有易执行、鲁棒性较强的特点，可以综合采用专家的整定经验进行参数计算。这类方法中最著名的方法为ZN法(临界比例度法)，目前常见的基于规则的整定方法大多是ZN法的改进算法。ZN法是Ziegler和Nichols于1942年提出的，不依赖于对象的数学模型，总结了前人在理论和实践中的经验，通过大量的实验得到了经验公式，从而计算出控制器的近似最优整定参数。对于图1所示闭环系统，ZN整定方法为设凡=C ，Td = 0，即去掉积分和微分环节，仅保留比例控制。然后将Kp从0逐渐增大，直至系统阶跃响应出现持续的等副振荡为止。此时系统处于临界状态，对应的临界增益(即临界状态下的Kp)为1，振荡周期为Tu， 按表1确定最终的PID参数(表1中比例度δ = 1/κρ，临界比例度为δ k = 1/KU)。实践证明ZN法对计算出的PID参数基本能满足控制要求，但其阻尼系数太小，不能产生令人满意的幅相裕度，使得系统对参数的变化过于敏感。因此，每当控制流程中环境的变化导致系统参数发生改变，很可能使得PID控制器处于不稳定的工作状态。在ZN法的改进算法中，应用最为广泛的是Astrom和Hagglund提出的继电反馈法(参见文献 6 和 7。文献 6 为 Chen Y Q, Moore K L. Relay feedback tuning of robust PlDcontrollers with iso-damping property. IEEE Transactions on Systems, Man, andCybernetics, Part B, 2005, 35(1) :23-31 ； t· 7 为 Jeng J C, Huang H P, Lin F Y. Modifiedrelay feed-back approach for controller Tuning based on assess-ment of gain and phasemargins[J]. Industrial andEngineering Chemistry Research,2006, 45(12) :4043-4051)。该方法较ZN法而言，选择振荡频率更合理，使得控制回路具有范围更宽的增益和相角裕度，对振荡频率附近的干扰鲁棒性更强。基于规则的参数整定法计算简单，易于推广。但这类方法由于没有获取到闭环系统的精确数学模型，过于依赖经验公式，难以适应千变万化的工业环境，尤其是针对复杂的被控对象，整定出的参数往往不是最优参数，有时甚至会使控制系统产生振荡；而且有些方法(如ZN法、继电振荡法等)需使系统产生周期性振荡，这对一些特定控制系统是不允许的。因此，基于规则的整定法有较大局限性。2.基于模型的整定方法对于复杂被控对象(如高阶系统)，由于系统具有太多不确定因素，如果不计算出数学模型，仅依靠手动整定或者基于规则的整定方法通常难以获取到满意的效果。参数模型辨识方法需一些结构辨识方法(如最小二乘法、梯度法、极大似然法等) 确定模型的结构，获取到被控对象的模型参数，然后依据极点配置法、零极点相消法、幅相裕度法等设计PID控制器的参数。极点配置法是々计伪！！！在Wiellstead工作的基础上提出来的，根据闭环系统性能要求来配置极点，达到预期控制目标。该方法适用于低阶系统(二阶或二阶以下)对象，因为低阶系统需辨识的参数较少，容易达到稳定状态。零极点相消法由Astrom首先提出，其核心思想是通过配置控制器传递函数中的零极点，使其抵消被控对象传递函数中的一些零极点，通过零点提供较高的开环增益，减少斜坡输入信号下的静态误差，通过极点抑制高频噪声，兼顾了整个系统的快速响应性和稳定性，使闭环系统达到预期工作状态。幅相裕度法通过计算幅值和相角裕度配置PID参数，也可使系统具有的良好鲁棒性。基于模型的整定方法由于能够依据数学模型来计算出系统的传递函数，从而根据性能需要合理地配置PID参数。这类方法关键在于被控对象数学模型的精度，理论上来说， 只要构建的数学模型足够精确，整定出的PID参数就是最优的。但在实际应用中，由于环境所限，构建的数学模型中一般都含有近似成分，不可能做到完全精准，因此获取的PID参数通常只是接近最优参数；而且被控对象模型的构建也是一项较为复杂的工作，计算量大，理论性太强，限制了这类方法的使用。3.智能PID参数自整定由于人工智能技术的飞速发展，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PI参数混合整定法，其特征是一种采用基于模型的离线式整定与模糊PI在线整定相结合的混合整定法，具体是先根据矢量控制原理构建出异步电机交流调速系统的控制数学模型，采用恒转矩启动并自由停机的方法计算出转动惯量，在异步电机交流调速系统运行前，先根据实际需求设定相应的性能参数，然后依据数学模型计算PI参数和内环补偿量，其为系统最优PI参数；然后启动系统，采用模糊PI控制器进行在线实时整定，其中模糊PI控制器的核心为根据实际调试经验提出新的PI控制规则表；最后通过对比实验验证PI参数的准确性。2.根据权利要求1所述的PI参数混合整定法，其特征是采用包括以下步骤的方法(1)检查交流调速系统连线是否正确，以保障系统正常运行；(2)闭合交流调速系统电源，确保电机处于静止状态；(3)根据现场需求设定性能参数，其包括阻尼比ζ和中频段带宽H参数；(4)启动离线整定；(5)等待电机自由停机并自动计算出PI参数；(6)离线整定完毕后，开始正常使用该交流调速系统；设定目标速度并启动电机，在电机运行时模糊PI控制器会根据现场环境的改变而自动修正速度环PI参数；经过上述步骤，实现PI参数混合的整定。3.根据权利要求2所述的PI参数混合整定法，其特征是离线整定需要在电机正常运行前以零速启动，离线整定完毕后交流调速系统才能正常投入使用；在线整定会在电机运行过程中根据电机运行状态和环境自动修改PI参数以保持系统最佳运行状态。4.根据权利要求2所述的PI参数混合整定法，其特征是离线整定以闭环矢量系统数学模型为基础，分为内环整定和外环整定两步，具体是首先进行电流环测试，电机处于静止状态，计算出转矩环和磁通环的PI参数；然后以恒转矩启动电机，到达设定速度后自由停机，分别测出加减速时间，计算出电机转动惯量，并依此整定出外环即速度环的PI参数。5.根据权利要求4所述的PI参数混合整定法，其特征是在转矩环和磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，徐晖，王胜勇，康现伟，卢家斌，李传涛，李四川，李海东，
申请(专利权)人：中冶南方武汉自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：