[发明专利]基于阶跃响应数据和临界比例度法的PID参数整定方法

说明书

本发明公开了一种基于阶跃响应数据和临界比例度法的PID参数整定方法。本发明首先对被控对象进行阶跃响应试验，得到阶跃响应试验数据；按设定的周期采样和计算后，确定被控对象的单位阶跃响应序列；将被控对象与比例控制器构成一个反馈控制系统，设置比例控制器比例增益的初值，以及比例增益变化步长的初值；对该反馈控制系统进行设定值扰动模拟试验，根据控制量改变量计算公式和被控量改变量预测公式递推得到未来M个周期的被控量改变量的预测值；分析被控量改变量的预测值序列随时间变化的趋势；最后利用临界比例度法公式计算得到PID参数。本发明可以有效地降低PID参数整定难度，减少工作量，提高工作效率。

技术领域

本发明属于自动控制系统技术领域，具体地说是一种基于被控对象阶跃响应试验数据和临界比例度法的PID参数整定方法。

背景技术

比例-积分-微分(Proportion-integral-derivative，PID)控制器具有结构简单、容易实现、鲁棒性好等诸多优点，在工业过程自动控制系统中得到了广泛应用。在工程应用中，当PID参数不合理时，不仅系统的动态性能较差，而且还可能需要操作人员频繁干预，甚至导致系统退出自动控制状态。PID控制器只有三个可调参数，但要获得最佳参数组合并不容易，目前工程人员主要利用经验或理论方法整定PID参数。

临界比例度法是常用的PID参数整定经验方法之一。用该方法整定PID参数时，要在纯比例控制作用下，由小到大逐渐改变控制器的比例增益，使反馈控制系统产生等幅振荡，以得到临界比例增益和临界周期的数值；然后根据经验公式，计算出PID参数值。该方法在实际应用时，需要工程人员由小到大不断地改变比例增益，每次改变增益后，都需要进行设定值阶跃扰动试验，工作量大，整定时间长，还影响自动控系统的投运；而且，由于临界比例度法需要使系统达到等幅振荡后，才能确定临界比例增益和临界周期，因此，对于无法通过设定值阶跃扰动试验产生等幅振荡的系统，该方法则不适用，例如对参数有严格要求的生产场合，如果被控量出现等幅振荡，可能影响安全常生产，或者当比例增益调整至工程上限时，系统也不会出现等幅振荡的场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于被控对象阶跃响应试验数据和临界比例度法的自动控制系统PID参数整定方法，其使工程人员可通过被控对象一次阶跃响应试验确定单位阶跃响应序列，然后利用临界比例度法，便可整定得到理想的PID参数，以大大降低PID参数整定难度、减少工作量、提高工作效率。

为此，本发明采用如下的技术方案：基于阶跃响应数据和临界比例度法的PID参数整定方法，其包括：

步骤1，自动控制系统稳定运行时，断开PID控制器连接，切换至手动控制状态；手动使控制量产生改变量；待被控对象恢复为稳态后，得到被控对象的开环阶跃响应试验数据；

步骤2，按设定的周期对开环阶跃响应试验数据采样，得到各个采样时刻的被控量采样值；经计算后得到被控对象的单位阶跃响应序列；

步骤3，将被控对象与比例控制器构成一个反馈控制系统，设置比例控制器比例增益的初值，以及比例增益变化步长的初值；

步骤4，对所述的反馈控制系统进行设定值扰动模拟试验，根据控制量改变量计算公式和被控量改变量预测公式递推得到未来M个周期的被控量改变量的预测值；

步骤5，分析被控量改变量的预测值序列随时间变化的趋势，如还未达到临界振荡状态，按设定规则改变比例增益后，回到步骤4执行，如已达到临界振荡状态，则计算临界增益和临界周期的数值；

步骤6，利用临界比例度法公式计算得到PID参数。

进一步的，步骤1中，在稳态运行时，断开自动控制系统的PID控制器连接，将自动控制系统由自动控制状态切换至手动控制状态；手动使控制量U在原稳态控制量U₀的基础上产生改变量u(可为正值或负值)；