[发明专利]基于稳定裕度和动态响应指标的PID控制参数整定方法

说明书

本发明涉及PID控制领域，尤其涉及一种基于稳定裕度和动态响应指标的PID控制参数整定方法，包括：计算得到闭环回路控制系统的稳定裕度；根据闭环回路控制系统的稳定裕度计算得到PID控制参数；根据PID控制参数进行闭环控制系统阶跃响应仿真，通过阶跃响应曲线获取动态响应指标，以间接地关联稳定裕度和动态响应指标；基于稳定裕度和动态响应指标的关联方式，通过对稳定裕度进行搜索以获得优化问题的最优解，以对PID控制参数进行整定。通过使用本发明，可以实现以下效果：关联PID控制参数和动态响应性能指标，从而提高了用户友好度；使用的网格化搜索寻优可以直接给出满足用户对动态性能要求的最优解，从而提高了整定效率，避免了重复整定。

技术领域

本发明涉及PID控制领域，尤其涉及一种基于稳定裕度和动态响应指标的PID控制参数整定方法。

背景技术

比例积分微分(PID)控制是目前工业过程控制领域中最常见也是最有效的控制方法之一。据统计90％以上的自动控制回路采用了PID控制策略。PID控制的优点是：结构简单、稳定性好、安全可靠、调整方便。

目前，应用较为广泛的PID参数整定方法主要包括数据驱动型的整定方法和基于模型的整定方法。对于数据驱动型的参数整定方法，闭环控制性能一般不能较为准确地事先估计，因此不能根据实际动态响应需求来调整整定策略；其次，常常在整定过程中需要使过程达到某种特殊状态并进行曲线的特征提取，例如：Z-N法、临界比例度法、衰减曲线法等。另外，整定过程中通常存在较多的人机交互；如果过程响应时间较长，则整定会耗费较多时间。对于基于模型的整定方法，例如：Lambda法和基于内模控制的整定方法等，这些方法的优点是可以利用回路历史数据批量整定大量回路；同时如果模型准确，那么闭环控制性能是可以根据用户经验进行调整的。但是，以上列举的这些方法不能将整定参数与具体的闭环动态响应指标相关联，因此用户在参数整定过程中对闭环控制性能是没有预期的。尽管用户可以在整定后对参数进行调整，但是调整过程并不能充分保证闭环控制系统的稳定性。特别是当有大量PID回路需要整定时，例如装置开车阶段或者工况发生变化后，技术人员很难有时间对每个回路的参数进行精调直到出现较好的控制性能，一旦调整幅度过大，可能导致控制系统不稳定。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于稳定裕度和动态响应指标的PID控制参数整定方法，以满足闭环控制系统的鲁棒稳定性。

基于稳定裕度和动态响应指标的PID控制参数整定方法，该方法应用于闭环回路控制系统，包括：

计算得到闭环回路控制系统的稳定裕度；

根据闭环回路控制系统的稳定裕度计算得到PID控制参数；

根据PID控制参数进行闭环控制系统阶跃响应仿真，通过阶跃响应曲线获取动态响应指标，以间接地关联稳定裕度和动态响应指标；

基于稳定裕度和动态响应指标的关联方式，通过对稳定裕度进行搜索以获得优化问题的最优解，以对PID控制参数进行整定。

优选的，所述稳定裕度包括增益裕度和相位裕度。

优选的，所述计算得到闭环回路控制系统的稳定裕度包括：

增益裕度A_m和相位裕度φ_m的计算公式如下：

其中，ω_g和ω_p分别为闭环回路控制系统的增益穿越频率和相位穿越频率，并且满足：

优选的，所述根据闭环回路系统的稳定裕度计算得到PID控制参数包括：

定义被控对象模型G(s)为一阶加时滞模型：