[发明专利]一种PID控制器的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及PID控制器领域，具体地说是一种结合多种PID控制算法的PID控制器的控制方法。

背景技术

在模拟控制系统中，控制器最常用的是PID控制器。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成偏差值，将偏差值的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

现有的PID控制方法存在以下不足之处：对于积分来说，在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高精度；但在过程的启动、结束、或大幅增减设定值时，短时间内造成很大的偏差，造成PID运算的积分积累，导致积分饱和，引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡。对于微分来说，微分对干扰特别敏感，给定值频繁升降引起系统振荡，动态特性较差等。

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缺陷，提供一种将多种PID控制算法有效结合在一起的PID控制方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种PID控制器的控制方法，PID控制器根据设定值与实际值构成偏差值，将偏差值经比例、积分和微分运算后通过线性组合构成输出值，对被控对象进行控制，其特征在于：所述的偏差值经比例运算得到比例部分输出值U_P；偏差值进行变速积分运算，再经过梯形积分运算得到积分部分输出值U_I；偏差值进行不完全微分运算，即在微分运算中增加一个一阶惯性环节，得到微分部分输出值U_D，从而得到PID的输出值U＝U_P+U_I+U_D；

然后对PID的输出值U进行输出限幅运算，最后进行输出速率限定运算，限定单位时间内的PID的输出值的变化幅度。

变速积分运算时，偏差值与变速积分的设定值进行比较，主要通过改变积分系数Ki，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢；偏差越小，积分越快。变速积分的作用主要在保持积分作用的同时，减小了超调量，避免输出值长时间停留在饱和区。

梯形积分相对比矩形积分而言，积分项的计算更加精确，采用梯形积分运算可以减小积分项的误差。

输出限幅运算时，PID的输出值U与输出限幅运算的设定值进行比较，若输出值U超过输出限幅运算的设定值，那么输出值U即为输出限幅运算的设定值，若没超出输出限幅运算的设定值，那么输出值U不需改变。限幅输出是控制PID的输出值，其作用主要是为了避免控制动作过大。

输出速率限定(即限速)是对PID输出值在单位时间内的变化值的限定，消除由于频繁动作所引起的振荡。

不完全微分运算是在微分环节上加一个一阶惯性环节，即加低通滤波器，其作用主要是克服一般微分运算的缺点，一般的微分运算有如下缺点：(1)微分项的输出仅在第一个周期起激励作用，对于时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的；(2)U_D的幅值K_D一般比较大，容易造成计算机中数据溢出；此外U_D过大、过快的变化，对执行机构也会造成不利的影响。

本发明将梯形积分、变速积分、输出限幅、输出速率限定、不完全微分等PID控制算法有效地结合在一起，具有以下优点：在保持积分消除静态误差和提高精度作用的同时，减少了超调量；避免输出值长时间停留在饱和区，改善了系统的动态响应，一定程度地消除了外部干扰，以及消除由于频繁动作所引起的振荡。

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为目前PID控制器的控制原理图。

图2是本发明的控制原理图。

图3为本发明的变速积分系数与偏差绝对值的关系图。

图中，r(t)表示设定值，c(t)表示实际值，e(t)表示偏差值，u(t)表示输出值。

具体实施方式

假设PID控制器的设定值为r(t)，实际值c(t)，那么偏差值e(t)即为r(t)-c(t)，下面对偏差值进行比例、积分和微分运算。

1)对偏差值e(t)进行比例运算得到比例部分输出值U_P，计算公式为：U_P＝e(t)×K_p，式中K_p表示比例系数。